为了解释函数的本质是什么?有必要知道函数的发展史,通过了解函数的发展历程,我们可以从表面本质彻底的认识函数!
第一个历程,几何观念下的函数1.伽利略是最早透露出函数概念的,只不过当时用的不是函数这个名词,他指出:用文字和比例的语言表达两个量的关系。仅此而已。
2.随后解析几何出现,直角坐标系的发明者笛卡尔在解析几何中注意到:“两个变量之间的关系也一个变量,总是依靠另一个变量而存在”。很遗憾的是,当时大部分函数都被当做曲线来研究,并没有意识到需要提炼出函数这一概念!
3.时间到了1673年,莱布尼茨首次使用“function”表示“幂”,后来陆续用function表示曲线上点的坐标或者与曲线有关的量,这个时候“function”的词义应该不被翻译成函数,应该翻译成“功能”(个人观点),但是无论如何,1673年是数学历史上第一次见到“function”一词,是历史性的突破!直到现在,依然都是使用它!
第二个历程,代数观念下的函数1.1718年,伯努力在莱布尼茨的基础上,对函数再次进行了定义:“强调函数需要用公式来表示”,到这儿可以看出比较接近我们现代函数了。
2.1756年,伟大数学家欧拉给出定义,一个变量的函数是由这个变量和一些数(即常数),以任何方式组成的解析表达式。可以看出这个概念中解析式对于函数的重要意义被体现出来,比伯努利的定义更普遍,更具有广泛意义。
第三个历程,对应关系下的函数不要着急,很接近本质了!
1.1821年,柯西指出一个函数需要有两个变量,一个是自变量,一个是因变量。此时此刻,函数模型非常类似我们初中学的函数概念!
对于柯西这个大佬不用过多介绍,高中生只是知道一个“柯西不等式”,高考还不一定用的上,但是到了大学,柯西才正式登上舞台,会被虐的体无完肤!你有类似的经历么?反正我当年对他是又爱又恨!
2.1837年,狄利克雷(Dirichlet)指出:对于在某区间上的每一个确定的x值,y都有一个确定的值,那么y叫做x的函数,自此诞生了函数的经典定义。
3.康托尔建立了集合论,美国数学家维布伦用集合和对应的概念给出了近代函数的概念,同时,打破了变量是数的局限性,变量可以是数,也可以是其他对象。
第四个历程,集合论下的函数1930年,新的代现代函数定义为:
若对集合M的任意元素x,总有集合N确定的元素y与之对应,则称在集合M上定义一个函数,记为y=f(x)。元素x称为自变量,y称为因变量。现代函数的本质,重点强调“映射”“法则”“对应”“变换”。哪个词都可以,有了这个概念,不仅可以做简单的函数对应,也可以做复合函数的对应。
简单函数:x对应y
复合函数:x对应y,y对应z,如下图,就构成了复合函数!
中文的“函数”函数这个词本身是舶来品,“function”这个词在英文中就是功能的意思,那么是谁把它翻译成函数的呢?
答案是清代的数学家李善兰。是他首次将“function”译为“函数”
看完了函数的发展历程,可以看出函数的发展是不断得到严谨化,精确化的过程,逐渐地通过表面现象抽离出函数的本质,这与我们学习函数的过程是一样的!从初中那种单纯的自变量,因变量的关系,到高中在对应法则下,用映射定义出的函数!在到大学多元,多对应的复变函数等等!
以上是我的回答,欢迎大家讨论,发表自己观点。
先给答案:函数的本质,是揭示事物的对立统一规律。没有哪个规律可以跳出对立统一法则,也没有哪个规律不可以函数表述。
数学是物理的武器;函数是数学的灵魂。有了函数,就有了科学与技术的辉煌成就。函数表达力是科研人的生命力,函数表达式是科学与技术的第一标签。以下分享函数的解读。
函数的基本意思函数,有两个语境,其一泛指函数思维(方法论),其二特指应[因]变量(dependent)。
函数的英文function,本意是“功能”。似乎看不出功能与函数有什么联系。这里的逻辑链是酱紫的:
功能→效能→效应→对应→呼应→反映→映射→函数,即自变量与因变量的一一对应关系,这是函数方法的基本含义,即函数的外延。
在反映变量之间的对应关系时,有一个极为重要的核心概念——系数(或当量)。
什么叫系数?系数的英文是coefficience。字面意思是“协同效应值”或“协变常数”。
系数反映变量之间关系所适用的特定条件或其它相对稳定的参量。换言之,变量之间的关系,取决于特定条件。
例1. 波速=波长×波频,即:c=λf,或λ=c/f,函数意思是:波长与波频成反比。
系数c叫速度常数,取决于不同的介质。在真空介质中,有光速:c=299794285米/秒。在空气介质中,有音速:c=(341+0.6T)米/秒。
例2. 质子的惯性势能与真空场(引力波)频率成正比,即:Ep(=mc²)=hf。
这有点泛函(函数套函数)味道:惯性势能与粒子质量成正比,与粒子质量场的频率成正比。
这里有两个系数:c²与h。c²强调粒子必须以光速自旋,普朗克常数h强调唯有亚原子才适合这个公式。
函数的表达方式函数的标记是f(),有时干脆简化为f。也可用其它字母表示,如:波函数ψ(x,t)或ψ。
f(x)叫一元或一维函数,f(x,y)叫二元或二维函数,f(r,θ)=re^iθ叫复变函数。f(g())叫复合函数或泛函=函数的函数(functional(function))。M(z)叫莫比乌斯函数。f(x)=limsinx/x叫极限函数,f(sinx,cosx)叫傅里叶函数,f(dx)叫微分函数,f(a,b)=ʃf(x)dx,叫定积分函数。
对现象或效应的变量关系,用物理逻辑解释清楚,设定变量符号与量纲,指出引用函数的出处,通过严密的数学推导,最终给出函数关系式,这是科研人起码的基本功。
函数关系表达式,简称函数式,也叫解析式、公式、方程。英文equation本意是对等方式。理解函数式的物理意义有时是很难的。
例3. 薛定谔方程或函数:i(h/2π)dψ/dt=Hψ,意义:①i=-1½单位1虚数化即逆时针旋转½π,②h/2π是半径化普朗克常数,③量子波函数ψ(x,y,z,t),④H=H(ijk)=ix'+jy'+kz'是三维基矢(i,j,k)的1阶偏导数的矢量和。
函数反映的是对立统一法则函数是一种关系。关系是复杂的。历时性关系,叫纵向关系。共时性关系,叫横向关系。
函数关系的异名同义说法有:逻辑关系、因果关系、对应关系、量化关系、定量关系、当量关系、量纲关系、映射关系、投影关系、迭代关系(递推)、拓扑关系、辩证关系或对立统一关系或超对称关系(supersymmetry)。
迭代函数(iteration)是尤其用于在分形学和动力学中深入研究的软件系统工具,是重复的与自身复合的周期函数,本质上依然是对立统一法则。
例4. 全面质量管理理论的PDCA循环单元,是一个从设计(plan)到行动(do)到控制(control)到实现(action)的抽象过程。设计与实现是对立统一的节点(P*A):PDCA→PDCA→PDCA......
例5. Fibonacci Sequence斐波那契数列是数0、1、1、2、3、5、8、13...可做迭代函数化的操作,定义为: f(0)=0,f(1)=1; f(n)=f(n-1)+f(n-2) (n≥2,n∈N)。
拓扑关系是基于连通性的抽象性的投影关系,是把“万变不离其宗”解读为函数关系,尤其是把高维关系投影为低维关系,高维与低维也可以理解为一种对立统一关系。
▲就拓扑关系而言,魔鬼与神仙与各色人等,没什么两样。SO EVERYBODY IS AN ACTOR ON THE WORLD.
例6.我们看到的太阳,总是三维的太阳发射的光在肉眼中的二维投影,感觉的“圆盘”与真实的“圆球”是一种超对称的投影关系。
例7. 把三维的电子云分布,拓扑(投影)为二维的电子云分布,进而大大简化复杂性。
超对称关系,当然包括迭代关系与拓扑关系,也是把“对立统一规律”解读为函数关系。
对立统一规律泛指:互为因果、相辅相成、相互制衡。超对称思维是物理逻辑的最高境界。
例8. 万有引力F(m,R)=Gm₁m₂/R²中,分子(m₁m₂)与分母(R²)是质量乘积效应与真空场的超对称。G是超对称系数。
例9. 在库仑定律F(q,R)=kq₁q₂/R中,分子(q₁q₂)与分母(R²)是电荷效应与真空场效应之间的超对称。k是超对称系数。
例10. 在热力学第一定律Ek(=½mv²)=1.5kT中,左边动能½mv²与右边温度(T)是超对称,k是玻尔兹曼常数或超对称系数。
例11. 复函数z(r,θ)=re^iθ,同样蕴含了超对称关系。在用复平面z(r,θ)描述欧氏二维空间某个元素时,复函数的模变量r的几何意义是该元素的径向伸缩(简称伸),复函数的角变量θ的几何意义是该元素的切向扭转(简称扭)。
复函数的伸与扭是一种超对称关系。这不禁使我们联想到,电子自旋(扭)由于轴向转动惯量不均衡必然导致轴倾斜而发生进动(伸);
与此同时,电子的切向运动反映电子惯性离心力(伸)与电子的绕核运动(扭),是一种相互制衡的超对称关系,蕴含的是对立统一法则。
▲如果这是一个星系空间元素分布的全局性景观,那么我们可以写出一个简明扼要的函数。
结语
人类认识事物的结构分布与运动变化,归根结底,是在寻找一种关系。对关系量化处理的形式就是函数。
在数学家眼里,函数是自变与应变之间的一一对应的关系;在物理学家眼里,函数是描述效应的方程;在哲学家眼里,函数折射的是超对称关系或对立统一法则。