What is Calculus?

What is Calculus?



While many people believe that calculus is supposed to be a hard math course, most don't have any idea of what it is about. The good news is that if you remember your algebra and are reasonably good at it then calculus is not nearly as difficult as its reputation supposes. This article attempts to explain just what calculus is about--where it came from and why it is important.

First, a little history leading up to the discovery of calculus, or its creation, depending on your philosophy.

The word "calculus" comes from "rock", and also means a stone formed in a body. People in ancient times did arithmetic with piles of stones, so a particular method of computation in mathematics came to be known as calculus.

Arithmetic and geometry are the two branches of mathematics originating in ancient times. Mathematicians attempted to do algebra in those days but lacked the language of algebra, namely the symbols we take for granted such as +, -, X, ÷ and =. Much of the world, including Europe, also lacked an efficient numbering system such as that developed in the Hindu and Arabic cultures. (Try long division, for example, using Roman numerals.) Algebra as a branch of mathematics can be said to date to around 825 A.D. when a Persian, al-Khwarizmi, wrote the earliest known algebra text. (The word "algebra" comes from a Persian word in the title, "al'jabr", which means "to restore". The English term for a systematic mathematical method, algorithm, was derived from al-Khwarizmi's name by way of a Latin translation.)

For over seven hundred years algebra and geometry coexisted but were not well linked. Geometry describes the physical nature of our world while algebra is a sophisticated tool for mathematical analysis. Due to the Greek influence on Persian (or Islamic) mathematics geometry was successfully used to verify some of their algebraic methods, but there was no known way to harness the analytical power of algebra to analyze geometry. In the late 1500's the French philosopher and mathematician, Rene Descartes, had a profound breakthrough when he realized he could describe position on a plane using a pair of numbers associated with a horizontal axis and a vertical axis. By describing, say, the horizontal measurement with x's and the vertical measurement with y's, Descartes was able to give geometric objects such as lines and circles representation as algebraic equations. This seminal construction of what we call graphs is, arguably, the cornerstone without which our modern technology would not be possible. Descartes thus united the analytical power of algebra with the descriptive power of geometry into a branch of mathematics he called analytic geometry. This term is sometimes seen in textbooks with titles such as "Calculus with Analytic Geometry."

Descartes, as philosopher, is also the author of the famous line, "Cogito, ergo sum," or, "I think, therefore I am." He was attempting to settle an argument about whether we exist independently of God's imagination.

The next major breakthrough in mathematics was the discovery (or creation) of calculus around the 1670's. Sir Isaac Newton of England, and a German, Gottfried Wilhelm Leibnitz, deserve equal credit for independently coming up with calculus. Each accused the other of plagiarism for the rest of their lives, but for what it's worth, the world largely adopted Leibnitz's calculus symbols. Calculus did allow Newton to establish physics principles which remained uncontested until the year 1900 and which in our ordinary scale world still suffice to explain physics to excellent accuracy.

Calculus was developed out of a need to understand continuously changing quantities. Newton, for example, was trying to understand the effect of gravity which causes falling objects to constantly accelerate. The speed of an object increases constantly every split second as it falls. How can one, for example, determine the speed of a falling object at a frozen instant in time, such as its speed when it strikes the ground? No mathematics prior to Newton and Leibnitz's time could answer such a question, which appeared to amount to the impossibility of dividing zero by zero. The solution to this type of issue came to be known as the derivative. Derivatives are slopes of particular lines called tangent lines, and the reader may recall that slope of a line is a concept from Descartes' graphing.

Differential calculus is one side of calculus, the part concerned with continuous change and its applications. By understanding derivatives the student has at his or her disposal a very powerful tool for understanding the behavior of mathematical functions. Importantly, this allows us to optimize functions, which means to find their maximum or minimum values, as well as to determine other valuable qualities describing functions. Real-world applications are endless, but some examples are maximizing profit, minimizing stress, maximizing efficiency, minimizing cost, finding the point of diminishing returns, and determining velocity and acceleration.

The other primary side of calculus is integral calculus. Integration is a process which, simplistically, resembles the reverse of differentiation. This amounts to efficiently adding infinitely many infinitely small numbers. This allows us, in theory, to find the area of any planar geometric shape, or the volume of any geometric solid. But the applications of integration, like differentiation, are also quite extensive.

Until the mid-1800's mathematicians were content to use calculus-style computations under the heuristic evidence that they seemed to work very well. This was a fragile house of cards increasingly based on the faith that what they saw would always work. Largely under the influence of Karl Friederich Gauss (1777 - 1855) the mathematical world gradually returned to the ancient Greek ideal of mathematical proof by logic found in their [Euclidean] geometry. Gauss' student, Bernhard Riemann (1826 - 1866), and some of his contemporaries established a rigorous logical foundation for calculus now known as real analysis. Their definitions and theorems greatly influenced the language and teaching of calculus today.

It was only through calculus and the rigorous treatment it received in the 19th century that mankind could really begin to grasp the difficult concepts of infinity and infinitesimal. Calculus also completes the link of algebra and geometry by providing powerful analytical tools that allow us to understand algebra functions through their related geometry.

We now realize that great thinkers in ancient times ran into calculus concepts. Archimedes used calculus thinking, for example, to establish the area of a circle and the volume of a sphere, borrowing his methods of exhaustion--essentially limits--from Eudoxus of Cnidus. Zeno of Elea proposed four famous paradoxes which caused Aristotle, centuries later, to grapple with calculus ideas in his failed attempt to resolve them.

Calculus, by tradition, is usually a one-year course (four quarters or three semesters). The first half is concerned with learning and applying the techniques of differentiation and integration. The second half is concerned with further applications, using both sides of calculus, to vectors, infinite sums, differential equations and a few other topics. The last term of calculus is sometimes known as multivariate calculus, which is an application of calculus to three or more dimensions.

Calculus provides the foundation to physics, engineering, and many higher math courses. It is also important to chemistry, astronomy, economics and statistics. Medical schools and pharmacy schools use it as a screening tool to weed out weaker aspirants under the assumption that people who are unwilling or unable to handle the rigors of calculus stand little chance of surviving the hard work of studying medicine or pharmacology.

There are three main facets to being a successful calculus student:

--You must be good at algebra skills. It is not enough to have passed algebra, you must also remember what you learned! If you have to relearn algebra while learning calculus then the burden can overwhelm.

--Memorization of computational patterns is not enough. Some people can get by in algebra by memorization without understanding. In calculus it is quite necessary to pay attention and learn the concepts in order to apply them. This is learning at a mature level.

--You must be dedicated to study. Don't skip any classes except for the most dire reasons. Take notes. Above all, practice lots of problems, without which those concepts will not be reinforced and learned.

Students who enjoy intellectual stimulation and the power of abstract thinking tend to enjoy the beauty of calculus the most, but there is much to appreciate for those who are looking for powerful tools which which to understand and create in the physical world.

Finally, a good reason to take calculus is that you will be more competitive and have more career opportunities. Many people avoid demanding challenges; those willing to face them head on tend to go much further in life.


To contact the author by e-mail click on this link: Jon Davidsonhttp://www.sscc.edu/home/jdavidso/mathadvising/aboutcalculus.html


再生核研究所声明313（2016.08.01）　　良い数学教育の推進を

最近の世情は良いとは言えない。各地に続発するテロの発生、誹謗、中傷合戦の選挙戦、嫌いな者に対する殺傷事件、自己中心的な対外批判の高まりなど、など。これを大局的に見れば、人類未だ生物レベルを越えておらず依然として、万人の万人に対する争いの混沌たる状況にあると言える。これは、生命の共感、共生、哀しい定めを説かれたお釈迦様の教えも未だ実現できない野蛮な歴史を続けていると見られる。
そもそも、再生核研究所声明は、より良い社会を目指して、どのようにすれば美しい社会を築けるかと志向して、公正の原則を掲げて始められた：

再生核研究所声明 1　(2007/1/27)：　美しい社会はどうしたら、できるか、　
美しい社会とは

最近の世相として、不景気・政界・財界・官界・大学の不振、教育の混迷、さらにニューヨークのテロ事件、アフガン紛争、パレスチナ問題と心痛めることが多いことです．どうしたら美しい社会を築けるでしょうか。
一年半も前に纏めた次の手記はそれらのすべての解決の基礎になると思いますが、如何でしょうか。

平成１２年９月２１日早朝、公正とは何かについて次のような考えがひらめいて目を覚ました。

１）　法律、規則、慣習、約束に合っているか。
２）　逆の立場に立ってみてそれは受け入れられるか。
３）　それはみんなに受け入れられるか。　
４）　それは安定的に実現可能か。

これらの「公正の判定条件」の視点から一つの行為を確認して諒となれば、それは公正といえる。

現在、社会の規範が混乱し、不透明になっているように思うが、公正の原則を確認して、行動していけば　――　これは容易なことではないが　――　世の中ははるかに明るくなり、多くの混乱は少なくなると思いますが如何でしょうか。―　以下略。

これは　大事な原理になると考える。―　我々の存在を批判、否定するならば、我々は逆にあなたの存在が良いとは考えず、我々はあなたを批判し、応分に反撃するだろう。これは道理である。作用と反作用のようなものである。国防と安全のために国防軍を増長すれば、相手国がさらに軍備を拡充するのも道理である。
ここでは、上記お釈迦様の教えではなくて、数学の教育を通して、良い社会を築く基礎を広範に確立したいという考えを纏めたい。提案したい。
国際社会の秩序を整えるには、共通の言語と基礎が必要である。民族がバラバラの言語と異なる文化基盤を持てば、国際的な秩序の確立は困難で、秩序の確立には力や資金に頼らざるを得ないとなりかねない。今でも力、暴力が頼れると間違った考えが万延していると言える。
世の秩序の根幹は　世には道理というものがある、人々はその道理に従うべきだとなれば、
国際的に強力な基礎ができると考えられる。世の道理である。我々は有史以来、本質的に変更されたことのない数学、ユークリッド幾何学に人類共通の言語を見出すことができるだろう。数学はさらに人類も越えた、universeの、世の秩序を美しく表現している（――数学について、そもそも数学とは何だろうかと問い、ユニバースと数学の関係に思いを致すのは大事ではないだろうか。この本質論については幸運にも相当に力を入れて書いたものがある：

No.81, May 2012(pdf 432kb)
www.jams.or.jp/kaiho/kaiho-81.pdf
19/03/2012 - ここでは、数学とは何かについて考えながら、数学と人間に絡む問題などについて、幅. 広く 面白く触れたい。

簡潔に述べれば、数学は　時間にも、エネルギーにもよらずに存在する神秘的な　関係の論理体系であるが、ユニバースは　数学を言語として構成されているという、信仰のような信念を抱いている。基本的な数学はユニバースの基本的な様を表現しているのではないだろうか。）

数学を通して、人類が交流でき、世には道理、秩序が　存在すると理解できるだろう。分かり易いスポーツを通して、ドラマを見て、芸術を通して理解するは　世に多いが、数学の効用をここでは強調したい。道理、秩序に対する認識には　数学の効用は大きく、上記　公正の原則の理解にも　大きく寄与するのではないだろうか。数学教育の充実を国際的な視点で提案したい。
その留意点を纏めて置きたい：
１） 世には共通の論理があることを理解し、論理的な思考を学習する。
２） 数学の論理的な面には、美しさとuniverseの、世の秩序を述べていることを学ぶ。
３） 非ユークリッド幾何学の出現過程を良く学び、真理を追求する精神と感情と論理の関係を学ぶ。批判精神、理性、客観性について学ぶ。予断と偏見、思い込み、囚われやすい人間の精神を掘り下げる。
ここで、数学教育の充実とは、いわゆる数学の学力、問題解決に重点を置いた従来の学習ではなく、上記のような数学教育をとうして身に付く数学の精神に重点を置いた教育である。数学の学力を付けることに偏りすぎたり、学力を競争させたりして　世に多くの数学嫌いな人たちを育てていることを大いに反省したい。数学の美しさ、楽しさを教えることが第一であると心がけなければならない。
数学愛好者の増大は　かつて和算が広く民衆に普及していたように、環境にも優しく、人間の修行にも、精神衛生上も、また創造性を養い、考える力を育成するにも大いに貢献するのではないだろうか。囲碁や将棋、歌会、俳句会など良い趣味集団を構成しているが、数学愛好者クラブなど大いに進められるべきではないだろうか。新聞やテレビ、マスコミ、週刊誌などでもどんどん話題を取り上げ、また奨励されるべきではないだろうか。社会の浄化と低俗化防止にも貢献するのではないだろうか。
念のため次を付記するが、数学愛好者は好感を持たれる存在と言えるのではないだろうか：

再生核研究所声明285(2016.02.10)　　数学者の性格、素性について
以　上
再生核研究所声明312（2016.07.14）　ゼロ除算による　平成の数学改革を提案する
アリストテレス以来、あるいは西暦６２８年インドにおけるゼロの記録と、算術の確立以来、またアインシュタインの人生最大の懸案の問題とされてきた、ゼロで割る問題　ゼロ除算は、本質的に新しい局面を迎え、数学における基礎的な部分の欠落が明瞭になってきた。ここ７０年を越えても教科書や学術書における数学の基礎的な部分の変更は　かつて無かった事である。
そこで、最近の成果を基に現状における学術書、教科書の変更すべき大勢を外観して置きたい。特に、大学学部までの初等数学において、日本人の寄与は皆無であると言えるから、日本人が数学の基礎に貢献できる稀なる好機にもなるので、数学者、教育者など関係者の注意を換気したい。―　この文脈では稀なる日本人数学者　関孝和の業績が世界の数学に活かせなかったことは　誠に残念に思われる。
先ず、数学の基礎である四則演算において　ゼロでは割れない　との世の定説を改め、自然に拡張された分数、割り算で、いつでも四則演算は例外なく、可能であるとする。山田体の導入。その際、小学生から割り算や分数の定義を除算の意味で　繰り返し減法（道脇方式）で定義し、ゼロ除算は自明であるとし　計算機が割り算を行うような算法で　計算方法も指導する。―　この方法は割り算の簡明な算法として児童に歓迎されるだろう。
反比例の法則や関数y=1/xの出現の際には、その原点での値はゼロであると　定義する。その広範な応用は　学習過程の進展に従って　どんどん触れて行くこととする。
いわゆるユークリッド幾何学の学習においては、立体射影の概念に早期に触れ、ゼロ除算が拓いた新しい空間像を指導する。無限、無限の彼方の概念、平行線の概念、勾配の概念を変える必要がある。どのように、如何に、カリキュラムに取り組むかは、もちろん、慎重な検討が必要で、数学界、教育界などの関係者による国家的取り組み、協議が必要である。重要項目は、直角座標系で　ｙ軸の勾配はゼロであること。真無限における破壊現象、接線などの新しい性質、解析幾何学との美しい関係と調和。すべての直線が原点を代数的に通り、平行な２直線は原点で代数的に交わっていること。行列式と破壊現象の美しい関係など。
大学レベルになれば、微積分、線形代数、微分方程式、複素解析をゼロ除算の成果で修正、補充して行く。複素解析学におけるローラン展開の学習以前でも形式的なローラン展開(負べき項を含む展開)の中心の値をゼロ除算で定義し、広範な応用を展開する。特に微分係数が正や負の無限大の時、微分係数をゼロと修正することによって、微分法の多くの公式や定理の表現が簡素化され、教科書の結構な記述の変更が要求される。媒介変数を含む多くの関数族は、ゼロ除算　算法で統一的な視点が与えられる。多くの公式の記述が簡単になり、修正される。
複素解析学においては　無限遠点はゼロで表現されると、コペルニクス的変更（無限とされていたのが実はゼロだった）を行い、極の概念を次のように変更する。極、特異点の定義は　そのままであるが、それらの点の近傍で、限りなく無限の値に近づく値を位数まで込めて取るが、特異点では、ゼロ除算に言う、有限確定値をとるとする。その有限確定値のいろいろ幾何学な意味を学ぶ。古典的な鏡像の定説；原点の　原点を中心とする円の鏡像は無限遠点であるは、誤りであり、修正し、ゼロであると　いろいろな根拠によって説明する。これら、無限遠点の考えの修正は、ユークリッド以来、我々の空間に対する認識の世界史上に置ける大きな変更であり、数学を越えた世界観の変更を意味している。―　この文脈では天動説が地動説に変わった歴史上の事件が想起される。
ゼロ除算は　物理学を始め、広く自然科学や計算機科学への大きな影響が期待される。しかしながら、ゼロ除算の研究成果を教科書、学術書に遅滞なく取り入れていくことは、真智への愛、真理の追究の表現であり、四則演算が自由にできないとなれば、人類の名誉にも関わることである。ゼロ除算の発見は　日本の世界に置ける顕著な貢献として世界史に記録されるだろう。研究と活用の推進を　大きな夢を懐きながら　要請したい。
以　上
追記：
(2016) Matrices and Division by Zero z/0 = 0. Advances in Linear Algebra & Matrix Theory, 6, 51-58. 
http://www.scirp.org/journal/alamt　 　http://dx.doi.org/10.4236/alamt.2016.62007
http://www.ijapm.org/show-63-504-1.html
http://www.diogenes.bg/ijam/contents/2014-27-2/9/9.pdf DOI:10.12732/ijam.v27i2.9.

再生核研究所声明296(2016.05.06)　　　ゼロ除算の混乱

ゼロ除算の研究を進めているが、誠に奇妙な状況と言える。簡潔に焦点を述べておきたい。
ゼロ除算はゼロで割ることを考えることであるが、物理学的にはアリストテレス、ニュートン、アンシュタインの相当に深刻な問題として、問題にされてきた。他方、数学界では６２８年にインドで四則演算の算術の法則の確立、記録とともに永年問題とされてきたが、オイラー、アーベル、リーマン達による、不可能であるという考えと、極限値で考えて無限遠点とする定説が永く定着してきている。
ところが数学界の定説には満足せず、今尚熱い話題、問題として、議論されている。理由は、ゼロで割れないという例外がどうして存在するのかという、素朴な疑問とともに、積極的に、計算機がゼロ除算に出会うと混乱を起こす具体的な懸案問題を解消したいという明確な動機があること、他の動機としてはアインシュタインの相対性理論の上手い解釈を求めることである。これにはアインシュタインが直接言及しているように、ゼロ除算はブラックホールに関係していて、ブラックホールの解明を意図している面もある。偶然、アインシュタイン以後１００年　実に面白い事件が起きていると言える。偶然、２０年以上も考えて解明できたとの著書さえ出版された。―　これは、初めから、間違いであると理由を付けて質問を送っているが、納得させる回答が無い。実名を上げず、具体的に　状況を客観的に述べたい。尚、ゼロ除算はリーマン仮説に密接に関係があるとの情報があるが　詳しいことは分からない。
１：　ゼロ除算回避を目指して、新しい代数的な構造を研究しているグループ、相当な積み重ねのある理論を、体や環の構造で研究している。例えて言うと、ゼロ除算は沢山存在するという、考え方と言える。―　そのような抽象的な理論は不要であると主張している。
２：同じくゼロ除算回避を志向して　何と0/0　を想像上の数として導入し、正、負無限大とともに数として導入して、新しい数の体系と演算の法則を考え、展開している。相当なグループを作っているという。BBCでも報じられたが、数学界の評判は良くないようである。―　そのような抽象的な理論は不要であると主張している。
３：最近、アインシュタインの理論の専門家達が　アインシュタインの理論から、0/0=1, 1/0=無限 が出て、ゼロ除算は解決したと報告している。―　しかし、これについては、論理的な間違いがあると具体的に指摘している。結果も我々の結果と違っている。
４：数学界の永い定説では、1/0　は不可能もしくは、極限の考え方で、無限遠点を対応させる. 0/0　は不定、解は何でも良いとなっている。―　数学に基本的な欠落があって、ゼロ除算を導入しなければ数学は不完全であると主張し、新しい世界観を提起している。
ここ２年間の研究で、ゼロ除算は　何時でもゼロz/0=0であるとして、　上記の全ての立場を否定して、新しい理論の建設を進めている。z/0 は　普通の分数ではなく、拡張された意味でと初期から説明しているが、今でも誤解していて、混乱している人は多い、これは真面目に論文を読まず、初めから、問題にしていない証拠であると言える。
上記、関係者たちと交流、討論しているが、中々理解されず、自分たちの建設している理論に固執しているさまがよく現れていて、数学なのに、心情の問題のように感じられる微妙で、奇妙な状況である。
我々のゼロ除算の理論的な簡潔な説明、それを裏付ける具体的な証拠に当たる結果を沢山提示しているが、中々理解されない状況である。
数学界でも永い間の定説で、初めから、問題にしない人は多い状況である。ゼロ除算は算数、ユークリッド幾何学、解析幾何学など、数学の基本に関わることなので、この問題を究明、明確にして頂きたいと要請している：

再生核研究所声明 277(2016.01.26)：アインシュタインの数学不信　―　数学の欠陥
再生核研究所声明 278(2016.01.27)： 面白いゼロ除算の混乱と話題 
再生核研究所声明279(2016.01.28) ： ゼロ除算の意義
再生核研究所声明280(2016.01.29) : ゼロ除算の公認、認知を求める

我々のゼロ除算について８歳の少女が３週間くらいで、当たり前であると理解し、高校の先生たちも、簡単に理解されている数学、それを数学の専門家や、ゼロ除算の専門家が２年を超えても、誤解したり、受け入れられない状況は誠に奇妙で、アリストテレスの２０００年を超える世の連続性についての固定した世界観や、上記天才数学者たちの足跡、数学界の定説に　まるで全く嵌っている状況に感じられる。

以　上


考えてはいけないことが、考えられるようになった。 
説明できないことが説明できることになった。
Matrices and Division by Zero z/0 = 0
http://file.scirp.org/pdf/ALAMT_2016061413593686.pdf