Данные эксперимента говорят о том, что нет прямой зависимости между ориентацией на физико-математические науки и физической интуицией в исследуемой области и на исследуемом уровне. Так, данные для экономистов (специальность "бухгалтерский учет") показывают, что они сопоставимы с результатами математиков и даже физиков (см. строки с правильными ответами и две последние строки).
Интересно, что респонденты не связывали задаваемые им физические вопросы с математическим материалом, о чем свидетельствовали собеседования, проводимые с аудитори-ей.
Достоверность полученных результатов оценивалась с помощью критерия "хи-квадрат". Подсчет показал следующее: вероятность того, что данные цифры получены в результате случайного (равновероятного) выбора одного из возможных априорных ответов, много меньше 0,001.
Итак, данные эксперимента говорят о том, что физическая интуиция студентов представляет собой значимую величину, активное использование которой в процессе преподавания является вполне естественным. Ниже мы покажем, что ее использование не только естественно, но и весьма эффективно.
2. Логика доказательств и физическое происхождение условий некоторых математических теорем
Выведем из физических соображений некоторые ограничения на функцию, которая может служить законом движения макроскопического тела, а затем сравним их с условиями основных теорем дифференциального исчисления.
(А) Начнем с простого соображения о том, что реальный физический эксперимент имеет свое начало и конец, т.е. протекает за конечный отрезок времени. В силу этого можно считать, что закон движения тела представляет собой функцию, определенную на отрезке [a, b].
(Б) Рассмотрим более глубокий вопрос о том, всякая ли числовая функция числового аргумента может служить законом движения для некоторого физического тела. Наивный, но любопытный студент может задать такой вопрос в отношении многих хорошо известных ему функций: s(t) = t2, s(t) = t, s(t) = sint, s(t) = tgt, s(t) = sgnt и т.д. При этом в некоторых случаях ответ хорошо известен (равноускоренное и колебательное движение в первом и третьем случае соответственно), а в других отнюдь не очевиден.
На самом деле ответ на поставленный вопрос является отрицательным, поскольку закон движения макроскопического тела является непрерывной функцией. Докажем это на е − δ-языке с помощью эйнштейновского постулата о постоянстве скорости света c. Пусть функция s(t) выражает закон движения тела. Если она разрывна в точке u, то справедливо следующее утверждение:
(Зе > 0)(V5 > 0)(3t, | t − u |< δ) | s(0 - s(u) |≥ ε. (3)
Рассмотрим числа ε и t, фигурирующие в утверждении (3). Подберем число δ достаточно малым для того, чтобы дробь ε оказалась больше скорости света в вакууме:
ε>c. (4)
8 V '
Вычислим теперь модуль средней скорости на промежутке от u до t. Пользуясь двумя неравенствами в соотношении (3) и неравенством (4), получаем, что
. | s(0 - s(u) | ε ε
|t−u | |t−u | δ
а это противоречит положению о недостижимости скорости света физическим телом. Если обращение к эйнштейновскому постулату по каким-либо причинам нежелательно, непрерывность закона движения тела можно пояснить с помощью наглядных соображений, касающихся разрывов того или иного типа. Например, закон движения тела не может иметь "бесконечный" разрыв, поскольку в этом случае материальное тело пройдет бесконечное расстояние за конечное время. Аналогичные рассуждения можно провести в отношении разрывов типа "скачок" и типа "колебание".
Сравним в физическом контексте две функции: функцию s: [0,1) →> R, заданную равенством s(t) =1, и функцию s : [0,1 ] →> R, заданную равенством s(t) =1. Очевидно, что функция s является сужением функции s на некоторое подмножество области определения, или, другими словами, функция s является продолжением функции s на более широкое множество. Хорошо известно, что под действием операции продолжения (сужения) функция может терять некоторые из своих свойств или приобретать новые свойства. В данном случае различие в свойствах имеет физическую природу: функция s может служить законом движения некоторого тела, а функция s не может, поскольку в противном случае тело удалилось бы на бесконечность за конечное время. Функции s и s можно рассматривать в контексте теории рядов, поскольку выражение является суммой бесконечно убывающей геометрической прогрессии
1 +t +t2 +t3 + L. Известно, что областью сходимости этого степенного ряда является интервал (−1,1). Таким образом, для данного примера получаем, что сходимость степенного ряда тесно связана со способностью его суммы служить законом движения тела. (В) Покажем, что среди функций, описывающих движения макроскопического тела, всегда можно выбрать дифференцируемую функцию.
Начнем с примера. Пусть легкий упругий шарик падает на массивную плиту и отскакивает от нее. Для изучения движения шарика построим две модели. Первая модель базируется на следующих допущениях: 1) шарик представляет собой материальную точку; 2) отскок происходит мгновенно. Вторая модель базируется на двух других допущениях: 1) шарик представляет собой тело конечного объема, а закон движения описывает положение центра тяжести шарика; 2) отскок происходит за конечное время за счет деформации шарика. Нетрудно видеть, что первая модель представляет собой функцию, не дифференцируемую в те моменты времени, которые соответствуют моментам отскока. В то же время вторая модель является функцией, дифференцируемой при любых значениях аргумента.
Мы оставляем в стороне вопросы об адекватности данных моделей физическому явлению, об удобстве использования каждой из них, о целесообразности выбора той или иной модели при исследовании движения шарика в разные моменты времени. Здесь мы хотим лишь подчеркнуть, что каждая пара допущений является вполне естественной. Поясним возможность выбора дифференцируемой модели в точных терминах. Известно, что для каждой функции s(t), непрерывной на отрезке [a, b], можно построить интерполяционный многочлен Лагранжа Ln(t) с помощью n узлов интерполирования. Более того, можно выбрать такую последовательность систем узлов, что выражение
I s(t) − Ln(t) | будет равномерно сходиться к нулю при и n → ∞ [3. C. 265]. Это означает, что какова бы ни была точность измерения с помощью физических приборов, существует номер N, такой, что при всех n> N величина | s(t) − Ln(t) | меньше точности измерения. Отсюда следует, что многочлен Лагранжа Ln(t), который является дифференцируемой функцией, можно принять за закон движения тела, причем расчеты с помощью многочлена Ln (t) и измерения при данной точности будут соответствовать друг другу.
К сожалению, приведенное рассуждение не может быть предъявлено в тот момент, когда происходит изучение основных теорем дифференциального исчисления, поскольку теория интерполяции изучается значительно позднее.
Обратимся теперь к основным теоремам дифференциального исчисления. Теорема Лагранжа [3. C. 226] и многочисленные следствия из нее справедливы для функций, которые удовлетворяют ряду условий: функции определены на замкнутом отрезке, непрерывны на нем и дифференцируемы внутри него. Очевидно, что эти условия полностью совпадают с теми свойствами законов движения тел, которые выведены в пунктах (А)-(В) из чисто физических соображений. Тем самым выявляется двойственная природа условий теорем дифференциального исчисления. С одной стороны, введение этих условий вызвано потребностями логики, поскольку каждое из них используется при доказательстве теорем, а невыполнение любого из них приводит к тому, что теоремы перестают быть справедливыми. С другой стороны, мы обнаружили, что эти чисто логические ограничения на функции оказались детерминированы свойствами окружающего нас физического мира.
В рамках данной статьи будем пользоваться следующим определением. Назовем функцию f(x) подобной закону движения тела, если она определена на отрезке [a, b], непрерывна на нем и дифференцируема на интервале (a,b).
Не всякая функция, подобная закону движения тела, может служить законом движения реального физического тела. Двумя простыми примерами являются функции
f(x) = arcsin(x) и f(x) = x , определенные на отрезке [0,1]. Обе они подобны закону движения тела, однако не могут служить законами движения для реального физического тела, поскольку достигают бесконечных скоростей, первая в момент окончания
движения, а вторая даже в момент его начала. Таким образом, между множеством функций, являющихся законами движения, и множеством функций, подобных закону движения, существует отношение включения: первое множество включается во второе. 3. Специальная методика изложения основных теорем дифференциального исчисления
Идея предлагаемой методики проста и естественна. Она состоит в том, чтобы побудить студентов к обоснованному переносу свойств функций из класса законов движения тела на более широкое множество - класс функций, подобных закону движения тела.
1) Как показал эксперимент, большинство студентов понимают, что для закона движения тела существует момент времени t0, для которого справедлива формула (2). Если распространить это утверждение на более широкое множество, то мы можем сформулировать следующую гипотезу. Гипотеза 1 (Лагранж). Если функция f(x) подобна закону движения тела, то существу-
г„ ч f(b)−f(a) ет такое значение аргумента x0 , что / (jc0) = ^-^) .
Нетрудно увидеть в этой гипотезе теорему Лагранжа. Нетрудно также заметить, что преподаватель может использовать дополнительное рассуждение для пояснения естественности рассматриваемой гипотезы. Действительно, в процессе движения скорость варьируется между своим минимальным и максимальным значением. Естественно предположить, что в какой-то момент времени ее значение совпадет со средней скоростью тела.