The Fundamental Theorem of Calculus: History, Intuition, Pedagogy, Proof

55
The Fundamental Theorem of Calculus: History, Intui9on, Pedagogy, Proof V. Frederick Rickey West Point

Transcript of The Fundamental Theorem of Calculus: History, Intuition, Pedagogy, Proof

The  Fundamental  Theorem  of  Calculus:  History,  Intui9on,  Pedagogy,  Proof    

V.  Frederick  Rickey  West  Point  

Go4ried  Wilhelm  von  Leibniz  

(1646  –  1716)  

From  the  Law  of  IdenGty  we  obtain  

•  A  –  A  =  0  •  A  –  A  +  B  –  B  +  C  –  C  +  D  –  D  +  E  –  E  =  0  •  A  +  (-­‐A  +  B)  +  (-­‐B  +  C)  +  (-­‐C  +  D)  +  (-­‐D  +  E)  –  E  =  0  •  Chrisening  these  differences  L,  M,  N  and  P,  we  have:  

•  L  +  M  +  N  +  P  =  E  –  A.    – “The  sum  of  the  differences  is  the  difference  between  the  first  term  and  the  last”  

An  Easy  Example  

  0                1                4                9                16              25  

               1                  3                5                7                  9  

So              1+  3  +  5  +  7  +  9  =  25  –  0.  

The  sum  of  the  first    n    odd  numbers    is    n2.      

ChrisGaan  Huygens  asked  for  the  sum  of  the  reciprocals  of  the    

triangular  numbers,      n  (n+1)/2  

1         1/2              1/3                1/4                1/5                    1/6        1/2              1/6              1/12            1/20            1/30  

So      1/2  +  1/6  +  1/12  +  1/20  +  1/30  +  .  .  .  =  1  –  0  

Leibniz  doubled  this  and  got  his  result.    

Leibniz’s  ConcepGon  of  the  Integral  

y∫ dx

The area is a sum of rectangles of height y and infinitesimal width dx.

The integral sign is a long s which stands for sum.

The  Sideways  Chalk  Model  

•  This  is  the  intuiGon  that  Leibniz  had  for  the  Fundamental  Theorem  of  the  Calculus  

•  It  is  clear  how  to  differenGate  an  integral.    

The  Nova  methodus    of  1684  –  the  first  paper  on  the  differenGal  calculus.    

Isaac  Newton    1642  -­‐  1727  

•  1702  portrait  by  Kneller    

•  The  original  is  in  the  NaGonal  Portrait  Gallery  in  London  

  Took  Descartes’s  Geometry  in  hand,  tho  he  had  been  told  it  would  be  very  difficult,  read  some  ten  pages  in  it,  then  stopt,  began  again,  went  a  liile  farther  than  the  first  Gme,  stopt  again,  went  back  again  to  the  beginning,  read  on  Gl  by  degrees  he  made  himself  master  of  the  whole,  to  that  degree  that  he  understood  Descartes’s  Geometry  beier  than  he  had  done  Euclid.    

Descartes’s  Geometry,  1637,  1659  

Descartes  adopted  Aristotle’s  dictum  

  The  raGos  between  straight  and  curved  lines  are  not  known,  and  I  believe  cannot  be  discovered  by  human  minds.  

La  proporGon,  qui  est  entre  les  droites  &  les  courbes,  n’estant  pas  connuë,  &  mesme  ie  croy  ne  le  pouuant  estre  par  les  hommes.  

La Geometrie (1637), 340.

van  Heuraet  on  Arc  Length,  1659  

van  Heuraet’s  recGficaGon,  1659  Define  CI,  the  auxiliary  curve,  by  

Then    

Thus  arc  length  is  reduced  

to  area!  

dsdx

=MIk

k ds∫ = MI dx∫

RecGficaGon  Destroyed  

• Aristotle’s  dictum          and    • Descartes’  program  

• But  the  story  ends  well.    

The  Fundamental  Theorem  of  Calculus    

  A  Method  whereby  to  square  such  crooked  lines  as  may  be  squared.    

•  van  Heuraet  swapped  arc  length  for  area  

•  Newton  swapped  area  for  a  tangent  

For  Newton  

•  MathemaGcal  quanGGes  are  described  by  ConGnuous  MoGon.  

–  E.g.,  Curves  are  generated  by  moving  points  

•  In  Modern  Terms:  All  variables  are  funcGons  of  Gme  

•  Newton  said  that  quanGGes  flow,  and  so  called  them  fluents.  

•  How  fast  they  flow  –  or  flex  –  he  called  fluxions.  

•  As  Bourbaki  would  write,       “Par  abuse  de  langu,”    

      d/dt  (  fluent  )  =  fluxion  

Intuition: Windshield wipers

Given an equation involving any number of fluent quantities to find the fluxions and vice versa.

In  1700  there  were  two  intuiGons  for    The  Fundamental  Theorem  of  Calculus    

Leibniz:  

Sideways    Chalk  Model  

Newton:  

Windshield  Wiper  Model  

The  Isochrone  Problem  

•  Find  a  curve  along  which  a  body  will  descend  equal  distances  in  equal  Gmes  

•  Johann  Bernoulli  reduces  it  to  the  DifferenGal  EquaGon            √a    dx    =    √y    dy.    

•  Et  eorum  integralia  !  

•  The  curve  is  a  semi-­‐cubical  parabola,    

                               y3  =  9/4  a  x2  

Johann  Bernoulli  in  1743     Son  Esprit  vit  la  vérité  

  Et  son  coeur  connait  la  jusGce     Il  a  fait  l’honneur  de  la  Suisse     Et  celui  de  l’humanité  

  His  spirit  lives  for  truth     His  heart  knows  jusGce  

  He  is  an  honor  to  the  Swiss     And  to  all  of  humanity  

•  Voltaire                              

We  seek  the  curve  where  the  square  of  the  ordinate  BC  is  the  mean  proporGonal  between  the  square  of  the  given  length  E  and  the  curvilinear  figure  ABC.  

E2  /  BC2  =  BC2  /  Area  ABC  

Area  ABC  =  y4  /  a2    

By  FTC,       y  dx  =  4  y3  dy  /  a2  

Divide  by  y  and  integrate  

To  get  a  cubical  parabola  

                     y  =    (stuff)    x3  

Let  BC  =  y  and  E  =  a.    

Johann  Bernoulli’s    definiGon  of  an  integral    

  We  have  previously  shown  how  to  find  the  differenGal  of  a  given  quanGty.  Now  we  show  inversely  how  to  find  the  integral  of  a  differenGal,  i.e.,  find  the  quanGty  from  which  the  differenGal  originates.    

E2  /  BC2  =  BC2  /  Area  ABC  

Area  ABC  =  y4  /  a2    

By  FTC,       y  dx  =  4  y3  dy  /  a2  

Divide  by  y  and  integrate  To  get  a  cubical  parabola  

I misread this text. Bernoulli does NOT use FTC but only the notion that an integral is an antiderivative. He uses a definition, not a theorem.

•  Johann  Bernoulli’s  best  student  !  

•  Leonhard  Euler      

•  1707-­‐1783  

Euler  about  1737,  age  30  

•  PainGng  by  J.  Brucker  •  1737  mezzoGnt  by  Sokolov  

•  Black  below  and  above  right  eye  

•  Fluid  around  eye  is  infected  

•  “Eye  will  shrink  and  become  a  raisin”  

•  Ask  your  ophthalmologist  

•  Thanks  to  Florence  Fasanelli  

Euler’s  Calculus  Books  

•  1748   IntroducGo  in  analysin  infinitorum  399      

402  

•  1755   InsGtuGones  calculi  differenGalis  676  

•  1768   InsGtuGones  calculi  integralis  462  

542  

508  

_____  

2982  

•  Defines  the  integral  as  an  anGderivaGve.  

•  Gives  a  careful  discussion  of  approximaGng  a  definite  integral  with  a  sum  of  rectangles.    

Read  Euler,    read  Euler,    he  is  our  teacher  in  everything.  

Laplace  as  quoted  by  Libri,  1846    

Lisez  Euler,    lisez  Euler,    c'est  notre  maître  à    tous.  

In  the  18th  century  there  was  no  FTC.  

  This  famous  work  of  1821  began  to  introduce  rigor  into  the  calculus  by  defining  limits,  conGnuity  and  derivaGves  and  proving  theorems  about  them.  

  It  was  never  used  as  a  text.    

AugusGn  Cauchy                1789  -­‐  1857  

AugusGn  Cauchy                  1823  

In  his  Résumé of 1823, Cauchy  

•  Gave  a  careful  definiGon  as  the  limit  of  a  sum  of  areas  of  rectangles  (evaluated  at  lew  endpoints).  

•  Proved  that  the  integral  of  a  conGnuous  funcGon  exists.    

•  Proved  the  First  FTC  in  a  rigorous  way.    

• Cauchy’s  definiGon  of  the  integral  is  a  radical  break  with  the  past!    

• Euler  used  lew  sums.  

• Lacroix  and  Poisson  tried  to  prove  the  sums  converge.    

• Fourier  needed  to  think  of  the  definite  integral  as  an  area.    

Rosenstein  and  Temelli,  2001  

At the end of the 19th century, authors had two choices regarding the introduction of the integral:

Either one might define the integral as the limit of a certain sum, or, alternatively,

integration is the inverse operation to differentiation.

If the former is chosen, then one must justify some form of the Fundamental Theorem of Calculus;

if the latter, then the use of the integral in applications becomes the sticking point.

The  Name  “FTC”    in  Research  Monographs.    

•  Eduard  Goursat  uses  the  term  “Fundamental  Theorem  of  Calculus“  in  his  Cours  d'analyse  mathema;ques    (1902).  

•  Ernest  W.  Hobson  in  his  Theory  of  Func;ons  of  a  Real  Variable  (1907)  has  a  chapter  enGtled  “The  fundamental  theorem  of  the  integral  calculus.”  

•  Vallee  Poussin  in  his  Cours  d'analyse  innitesimale  (1921)  uses  the  name  “relaGon  fondamentale  pour  le  calcul  des  integrals  "    

William  Anthony  Granville  

•  Text  used  at  West  Point  1907-­‐1948  and  1953-­‐1963  

Granville  1911  

•  Granville  and  Smith  define  indefinite  integraGon  as  anGdifferentaGon.    

•  The  definite  integral  is  defined  as  F(b)  –  F(a),  where  F’(x)  =  f(x).  

•  Thus  there  is  no  FTC  in  our  modern  sense.  

•  They  use  FTC  in  the  sense  of  du  Bois-­‐Reymond,  1876,  1880.  

The  Name  “FTC”  in  Textbooks  

•  Björling  (1877)  gives  the  name  “Grundsats”  to  the  second  fundamental  theorem  in  a  Swedish  textbook    

•  G.  H.  Hardy,  A  Course  of  Pure  Mathema;cs  (1908),  uses  the  phrase  and  provides  a  proof.  

•  George  Thomas  uses  the  phrase  in  his  Calculus  (1951).  

Randolph  and  Kac,  1946    

First use of the name 2nd FTC, 1958

Why  is  the  FTC  “Fundamental”?  

  It  connects  the  two  approaches  to  the  integral:  

    A  summaGon       An  anG-­‐derivaGve  

  The  first  is  vital  for  approximaGng  (mostly  physical)  problems.    

  The  second  is  vital  for  evaluaGng  the  resulGng  integrals.    

Leibniz  proves    FTC  in  1690