1665年8月,剑桥大学因瘟疫流行而关闭,牛顿离校返乡,随后在家乡躲避瘟疫的两年,竟成为牛顿科学生涯中的黄金岁月。制定微积分,发现万有引力和颜色理论,……,可以说牛顿一生大多数科学创造的蓝图,都是在这两年描绘的。
流数术的初建
牛顿对微积分问题的研究始于1664年秋,当时他反复阅读笛卡儿《几何学》,对笛卡儿求切线的“圆法”发生兴趣并试图寻找更好的方法。说在此时,牛顿首创了小o记号表示x的无限小且最终趋于零的增量。
1665年夏至1667年春,牛顿在家乡躲避瘟疫期间,继续探讨微积分并取得了突破性进展。据他自述,1665年11月发明“正流数术”(微分法),次年5月又建立了“反流数术”(积分法)。1666年10月,牛顿将前两年的研究成果整理成一篇总结性论文,此文现以《流数简论》(Tract on Fluxions)著称,当时虽未正式发表,但在同事中传阅。《流数简论》(以下简称《简论》)是历史上第一篇系统的微积分文献。
《流数简论》反映了牛顿微积分的运动学背景。该文事实上以速度形式引进了“流数”(即微商)概念,虽然没有使用“流数”这一术语。牛顿在《简论》中提出微积分的基本问题如下:
(a)设有两个或更多个物体A,B,C,…在同一时刻内描画线段x,y,z,…。已知表示这些线段关系的方程,求它们的速度p,q,r,…的关系。
(b)已知表示线段x和运动速度p、q之比 的关系方程式,求另一线段y。
牛顿对多项式情形给出(a)的解法。以下举例说明牛顿的解法。
已知方程 ,牛顿分别以 和 代换方程中的x和y,然后利用二项式定理,展开得
消去和为零的项 ,得
,以o除之,得
这时牛顿指出“其中含o的那些项为无限小”,略去这些无限小,得
即所求的速度p与q的关系。牛顿对所有的多项式给出了标准的算法,即对多项式 ,问题(a)的解为