本書是專門為文科大學生編寫的一部基礎數(shù)學教材,隨著科技及社會事業(yè)的發(fā)展,教育對文科學生掌握數(shù)學的要求也越來越高,本書深入淺出地介紹了文科大學生應掌握的數(shù)學基礎知識,并且引導學生聯(lián)系實際,利用所闡述的數(shù)學知識去解決現(xiàn)實生活中的具體問題,以提高文科學生理解數(shù)學和應用數(shù)學的能力。本書共分為八個章節(jié),分別是緒論,第一章極限與連續(xù),第二章導數(shù)與微分,第三章導數(shù)應用,第四章不定積分-微分的逆運算,第五章定積分-總量問題,第六章隨機事件及其概率,第七章隨機變量的規(guī)律分布,第八章隨機變量的數(shù)字特征。
隨著社會的發(fā)展與技術的進步,數(shù)學在經(jīng)濟、政治、法律、文學、歷史、人文、考古等學科的發(fā)展中發(fā)揮著越來越大的作用。社會學科和人文學科中的專業(yè)問題,也已從單純的定性研究轉變?yōu)榕c定量分析相結合的研究方式。因此,數(shù)學素質(zhì)應成為當代文科大學生必須具備的一種基本素質(zhì),高等數(shù)學的思想、方法也應成為文科專業(yè)的大學生必須掌握的一門工具。
數(shù)學思想、數(shù)學方法在各學科領域的重要性已有目共睹,各高校也都適時地在文科專業(yè)開設了相應的高等數(shù)學課程。中國政治大學自2010年起更是將《文科高等數(shù)學》作為政法、人文等文科專業(yè)的自然科學類通識主干選修課程,還是法學實驗班的通識必修課程。在文科專業(yè)開設高等數(shù)學課程,應考慮文科專業(yè)的學科特點及學生實際,需要基于文科高等數(shù)學課程的定位,精心組織、安排教學內(nèi)容。否則,不但起不到數(shù)學教育的真正作用,相反還會增加學生的負擔,不利于數(shù)學思想、數(shù)學方法對人文學科領域的滲透及應用,也不利于文科專業(yè)學生數(shù)學素質(zhì)的培養(yǎng)。
經(jīng)過近三十年的教學實踐,編者認為,將《文科高等數(shù)學》課程作如下定位比較恰當,即以高等數(shù)學知識為載體,一方面注重培養(yǎng)學生以理性的方式認識自然世界,思考人類與自然之間的關系,另一方面培養(yǎng)具有科學素養(yǎng)的公民,使學生可以參與社會性科學議題的討論,并能夠以日?茖W思考的方式解決生活中的問題;诖耍目茖I(yè)高等數(shù)學課程的教學重點應放在“掌握概念,強化應用,培養(yǎng)能力,提高素質(zhì)”上。經(jīng)過多輪論證,編者最終將“以研究確定性現(xiàn)象的一元微積分”和“以研究隨機現(xiàn)象統(tǒng)計規(guī)律性的概率論”的經(jīng)典理論作為《文科高等數(shù)學》課程的教學主線,比較系統(tǒng)地介紹了一元微積分和概率論的基本內(nèi)容,除緒論外,全書共分八章,內(nèi)容包括:極限與函數(shù)、導數(shù)與微分、導數(shù)的應用、不定積分、定積分、隨機事件及其概率、隨機變量的概率分布、隨機變量的數(shù)字特征。本書既注重介紹高等數(shù)學的基礎知識,又通過各種有價值的實例,著力于數(shù)學建模思想的滲透和人文精神的熏陶。由于《文科高等數(shù)學》課程的學時少(一般在32~64學時),這兩部分的內(nèi)容選擇與組織,在必須精簡的條件下,要盡量避免繁瑣的數(shù)學計算及深奧的理論證明,還要注意學科的嚴謹性和系統(tǒng)性;诖,《文科高等數(shù)學》教材的編寫自然應沿該主線展開,并同教學中的這樣設計相吻合。
在本書的編寫過程中,編者參考國內(nèi)外已有的特別是近十年出版的多部優(yōu)秀教材,也參考了從國外翻譯過來的一些著作中的精華(見本書的參考文獻),吸收、借鑒了這些教材、著作中好的講法和具體實例,同時還匯集了編者多年教學研究的結晶。本書的內(nèi)容體系和現(xiàn)有的教材相比雖無大異,但在整體框架安排上略有創(chuàng)新,在相關章節(jié)增加了無限魅力一瞥、概率推理案例分析、期望和方差魅力一瞥,并將可分離變量微分方程模型建立及求解作為不定積分應用來介紹,這樣編寫安排注重了數(shù)學方法的實用性與趣味性,貫徹了理論聯(lián)系實際的原則。并形成了以下特色:
(1)精心組織、設計了大量契合經(jīng)典內(nèi)容的有新意的實例。例如,緒論中的強盜分贓、報數(shù)游戲、當事人是否在說謊、技術使用費支付方式的選擇等。又如,第一章極限概念之后的希爾伯特旅館、芝諾悖論、疊牌游戲等。再如,第六章的概率推理與證人識別、測謊證據(jù)的概率分析、利用CAT掃描結果對被告進行精神病的無罪辯護等。通過這種設計,將數(shù)學素質(zhì)的培養(yǎng)有機地融合在實例的講解中,突出數(shù)學思想、數(shù)學方法的應用,使讀者感受到用數(shù)學知識、數(shù)學方法解決實際問題的樂趣,增加讀者廣泛應用數(shù)學方法解決問題的意識和能力。
。2)采用問題驅動式,滲透數(shù)學建模思想。例如,緒論中感性詞匯的重要性排序問題、公平席位分配問題。又如,第四章的原子衰變模型與馬王堆一號墓的年代認定、冷卻模型及刑案現(xiàn)場死亡時間鑒定、單種群模型與人口預測。再如,第六章的敏感性問題的調(diào)查設計、“狼來了”誠信的缺失分析等。這些問題都以問題引出——模型建立——問題解決——結果分析為主線,有利于對學生思維的啟發(fā)與引導,提高文科專業(yè)學生的數(shù)學人文素養(yǎng),使數(shù)學思維延伸至一般的思維。
。3)教材正文與習題相配,理論與方法相宜。為理解、鞏固所介紹的數(shù)學方法及其應用,書后附有大量習題,并且為配合讀者的學習需要,理解數(shù)學的概念及方法,針對各章的習題都配有詳細解答,并以二維碼的形式附在各章后面供讀者方便參考。
總之,本書在內(nèi)容取舍、結構安排、概念敘述和定理證明上,力求簡潔明了,同時盡可能注意系統(tǒng)性和嚴謹性,盡力通過列舉有應用價值的實例,從各個角度自然地引入微積分和概率論的基本知識,既展示數(shù)學知識的來龍去脈,又示范性地保持這兩部分內(nèi)容所特有的形式化本質(zhì)特征。從而在強調(diào)培養(yǎng)學生的抽象思維能力、邏輯推理能力和運算能力之外,更注重培養(yǎng)學生運用所學的數(shù)學方法去分析問題和解決問題的能力。相信讀者在閱讀此書后,能開闊思路,增強分析問題、解決問題的意識和能力。
本書可作為政、法、文、史、哲等人文類專業(yè)高等數(shù)學課程教材,也可作為理工類專業(yè)學生拓展數(shù)學應用的數(shù)學參考書,還可作為高校教師和其他專業(yè)高等數(shù)學課程的教輔材料。
盡管編者有良好的愿望,但編寫這樣一本合適的高等數(shù)學教材有一定難度,加之編者水平有限,肯定會存在各方面的問題。為體現(xiàn)文科高等數(shù)學教學的一種改革模式,編者希望能拋磚引玉。對書中不當之處,懇切希望廣大讀者和各位同仁批評指正,以期不斷完善。
本書的編寫得到了中國政法大學教務處的大力支持與資助,中國政法大學出版社編輯馬旭、唐朝對本教材的編輯出版工作都給予了精心的建議和大力支持,書后的部分習題解答由我校2014級成思危金融菁英實驗班的本科生王金曉同學提供,在此一并致謝。
劉淑環(huán),女,副教授,雙學士為本校本科各專業(yè)及雙學位學生講授《應用數(shù)學》、《高等數(shù)學》《高等數(shù)學一》《高等數(shù)學二》《高等數(shù)學三》《微積分》《線性代數(shù)》《概率與數(shù)理統(tǒng)計》,在核心刊物上和其他刊物上發(fā)表過多篇文章。2002年獲“中國政法大學教學優(yōu)秀獎”;2004年獲“中國政法大學優(yōu)秀教師獎”;2005年獲“政法大學科學技術教學部先進個人”稱號;2006年獲政法大學師德先進個人稱號;2000年、2003年、2004~2005學年考核被評為校級優(yōu)秀。2005~2006學年評為校優(yōu)秀教師、校師德先進個人。
緒論課前動動腦
一、邏輯推理分析
二、數(shù)學計算
三、簡單的數(shù)學建模分析
第一章極限與連續(xù)
第一節(jié)極限的概念
一、數(shù)列極限
二、函數(shù)極限
第二節(jié)無窮大量與無窮小量
一、無窮大量
二、無窮小量
三、無窮小量與無窮大量的關系
四、無窮小量的階
第三節(jié)無限魅力一瞥
一、希爾伯特旅館
二、芝諾悖論
三、疊牌游戲
第四節(jié)極限的運算
一、極限四則運算法則
二、極限存在準則
三、兩個重要極限
第五節(jié)函數(shù)的連續(xù)性
一、函數(shù)連續(xù)的概念
二、函數(shù)連續(xù)的運算法則
三、函數(shù)間斷
四、閉區(qū)間上函數(shù)連續(xù)的性質(zhì)
習題一
第二章導數(shù)與微分
第一節(jié)導數(shù)的概念——函數(shù)的局部變化率
一、兩個引例
二、導數(shù)概念
三、左、右導數(shù)
四、可導與連續(xù)的關系
第二節(jié)導數(shù)的運算法則
一、基本初等函數(shù)求導公式
二、四則運算求導法則
三、復合函數(shù)求導法則
四、隱函數(shù)求導法則
五、取對數(shù)求導法
六、分段函數(shù)求導
七、高階導數(shù)的定義
第三節(jié)函數(shù)微分
一、微分的概念
二、微分運算法則
三、微分形式不變性
四、微分的近似計算
習題二
第三章導數(shù)應用
第一節(jié)微分中值定理
一、羅爾(Rolle)中值定理
二、拉格朗日(Lagrange)中值定理
三、柯西(Cauchy)中值定理
第二節(jié)洛必達法則
一、洛必達法則
二、其他未定型的極限計算
第三節(jié)函數(shù)性態(tài)分析
一、函數(shù)單調(diào)性與函數(shù)極值
二、曲線的凹向與拐點
第四節(jié)曲線圖形繪制
一、曲線漸近線
二、曲線繪圖
第五節(jié)導數(shù)在經(jīng)濟學中的應用
一、邊際分析——函數(shù)的絕對變化
二、函數(shù)優(yōu)化分析
三、彈性分析——函數(shù)的相對變化率
習題三
第四章不定積分—微分的逆運算
第一節(jié)不定積分的概念與性質(zhì)
一、原函數(shù)與不定積分
二、不定積分基本公式
三、線性運算法則
第二節(jié)矛盾轉化法求不定積分
一、第一換元法(湊微分法)
二、第二換元法
三、分部積分法
第三節(jié)不定積分魅力一瞥——微分方程模型求解初探
一、微分方程預備知識
二、原子衰變模型與馬王堆一號墓的年代認定
三、冷卻模型及刑案現(xiàn)場死亡時間鑒定
四、單種群模型與人口預測
習題四
第五章定積分—總量問題
第一節(jié)定積分的概念
一、兩個引例
二、定積分的定義
第二節(jié)定積分的性質(zhì)
第三節(jié)微積分學基本定理
一、變上限積分函數(shù)及其導數(shù)
二、牛頓—萊布尼茲公式
第四節(jié)定積分計算的一般方法
一、換元積分法
二、分部積分法
第五節(jié)定積分應用
一、平面圖形的面積
二、旋轉體的體積
三、已知平行截面面積的立體的體積
四、經(jīng)濟總量問題
第六節(jié)廣義積分(反常積分)
一、問題的提出
二、無窮區(qū)間上的廣義積分
三、無界函數(shù)的廣義積分
習題五
第六章隨機事件及其概率
第一節(jié)隨機事件及其運算
一、隨機事件及其關系
二、隨機事件運算規(guī)律
第二節(jié)概率定義及其確定方法
一、預備知識——排列與組合
二、確定概率的頻率方法
三、確定概率的古典方法——古典概型
四、幾何概型
五、概率的公理化定義
第三節(jié)條件概率與乘法公式
一、條件概率
二、乘法公式
三、全概公式和貝葉斯公式
第四節(jié)隨機事件獨立與二項概型
一、事件獨立
二、n重貝努利試驗與二項概型
第五節(jié)概率推理案例分析
一、歸納推理與法庭證明
二、被告有罪、無罪的概率分析
三、概率推理與證人識別問題
四、測謊證據(jù)的概率分析
五、利用CAT掃描結果對被告進行精神病的無罪辯護
習題六
第七章隨機變量的概率分布
第一節(jié)隨機變量的概念
第二節(jié)離散型隨機變量的概率分布
一、概率分布(分布列)
二、幾種常見的離散型分布
第三節(jié)連續(xù)型隨機變量的概率密度
一、概率密度
二、幾種常見的連續(xù)型分布
第四節(jié)分布函數(shù)的概念與性質(zhì)
一、分布函數(shù)的定義
二、離散型隨機變量的分布函數(shù)及其性質(zhì)
三、連續(xù)型隨機變量的分布函數(shù)及其性質(zhì)
第五節(jié)正態(tài)分布及其應用
一、正態(tài)分布的概率密度
二、正態(tài)分布的分布函數(shù)
三、正態(tài)分布的概率計算
四、二項分布的正態(tài)近似
第六節(jié)隨機變量函數(shù)的分布
一、離散型隨機變量函數(shù)的分布律
二、連續(xù)型隨機變量函數(shù)的概率密度
習題七
第八章隨機變量的數(shù)字特征
第一節(jié)數(shù)學期望
一、引例——分賭本問題
二、離散型隨機變量的數(shù)學期望
三、連續(xù)型隨機變量的數(shù)學期望
四、數(shù)學期望性質(zhì)
五、隨機變量函數(shù)的數(shù)學期望
第二節(jié)隨機變量的方差
一、方差的定義及計算公式
二、方差性質(zhì)
三、常見分布的數(shù)學期望和方差
第三節(jié)期望和方差魅力一瞥
一、變異系數(shù)
二、切貝雪夫不等式
三、風險型問題的決策分析
習題八
附表一泊松分布的概率分布表
附表二標準正態(tài)分布函數(shù)值表
參考文獻
。ㄒ唬⿵姳I分贓
五個強盜共同搶得贓物金幣100枚,現(xiàn)在進行分贓經(jīng)過討論,強盜們決定,由甲至戊依次提出分贓方案,其他人舉手表決,半數(shù)以上(包括半數(shù),但是只有兩個人表決時,須全都同意才能通過)同意即為通過方案一經(jīng)通過,立即執(zhí)行但是,如果提出的方案遭到否決,那么提出該方案的人將立刻被殺死假設甲、乙、丙、丁、戊都是精明的理性人,請問甲應當如何提出分贓方案?
答案分析答案可能有些出乎意料:“甲97枚,乙0枚,丙1枚,丁2枚,戊0枚”這并非是唯一的標準答案,但是,是相當富有智慧的答案
先從分析丁入手如果丁否決甲、乙、丙的意見而使甲、乙、丙被殺的話,那么當輪到丁提方案時,丁只能提出自己一枚也不要,全部給戊因為戊作為純理性人,只會追求100枚金幣的最大利益,哪怕丁想獲得一枚,也會被戊否決,而使自己被殺為了保命,丁將一無所得所以,只要甲、乙、丙提出的方案能使丁獲利,即使是一點點,丁也會答應,因為“人總會對激勵做出反應”這樣,丙分析丁的心理之后會提出“丙99枚,丁1枚,戊0枚”的方案這樣,丙、丁都會同意,戊將會一無所獲
同樣,乙分析了丙、丁的心理,會提出“乙98枚,丁2枚,丙、戊0枚”的方案,因為乙的方案使丁多獲得了一枚金幣,丁當然會同意乙的方案,而不是殺掉乙,卻使自己少得一枚金幣這樣,輪到乙提方案時,會有乙、丁兩個人同意,獲得通過
甲在提方案前,應該考慮到剛才逆推的一切從丁入手,倒敘考慮每個人提出的方案甲在充分考慮后,會提出“甲97枚,乙0枚,丙1枚,丁2枚,戊0枚”的方案因為甲知道,丁的心理是得利即可,而該方案必須使丁獲得同乙提出方案一樣多的或者更多的金幣,丁才沒有理由反對而丙的心理是:“如果讓乙提方案,我將一無所得,因此只要甲給我利益我就同意”這樣,甲、丙、丁會同意該方案,方案獲得通過
。ǘ﹫髷(shù)游戲
在不被同桌知道的情況下,每個人寫一個1~100的數(shù)字,寫出的數(shù)最接近平均數(shù)的2/3的同學為贏家問最后為贏家的同學寫的數(shù)是多少?(這個實驗是耶魯大學公開課程“博弈論”里面的一個小游戲,據(jù)說是能看出誰比較聰明)
推理分析
第一個判斷:獲勝的數(shù)字是平均數(shù)的2/3,那么即使大家都選100,獲勝數(shù)也是67,所以獲勝數(shù)字肯定可以排除68~100(假如我是理性人)
第二個判斷:既然獲勝數(shù)字排除68~100,那么同學們選擇就是1~67,即使大家都選67,獲勝數(shù)字就是45,所以獲勝數(shù)字可以排除46~67(假如我的同學都是理性人)
第三個判斷:如果排除46~100,大家都選1~45,同理,獲勝數(shù)字只會是1~30(假如我知道你知道其他同學都是理性人)
第四個判斷……
如果按照這樣的推理判斷,假設你的同學都是比較聰明的人,那么獲勝的數(shù)字應該是1(想象不到吧?)
……