15/10/2021
مرر للأسفل للغة العربية 🖱⬇️
------------------------------
The History of Calculus:
Calculus is one of the scariest subjects for lots of people! Some people quit math when they get up to calculus. However, calculus is just intermediate mathematics!! There are more advanced math topics other than calculus. Beyond that, I will not exaggerate if I said that calculus is one of the main reasons for the industrial revolution in Europe and the progress of many scientific fields, esp. physics. This post will provide you two things:
1- How calculus began
2- Intuition of its importance.
Without further ado, let’s start with our trip!
Calculus, like all other branches of science, developed over ages. Our trip begins with the Greeks in 240 BC. The Greeks were fond of geometry! They could calculate the area of polygons by dividing them into triangles as they know the area of one triangle. Yet, that was different with curved shapes such as the circle. “Archimedes” developed a new way to calculate the area of curved shapes, called (Method of exhaustion). This is where they would inscribe a polygon into the circle and then gradually increase the number of sides of this polygon. The more polygons we add, the better appreciation of the area of the circle we get. This is how “Archimedes” developed the formula for the area of the circle: A = pi*r^2.
However, to get a perfect calculation for the area of a curve, the polygon should have an infinite number of solutions to cover the whole curve’s area, but “Archimedes” and the Greeks didn’t understand how is that possible. For instance, a philosophical problem devised by Greek philosopher “Zeno” of (Elea) called (Zeno’s Paradox) . Imagine that there is distance, say one kilometer, between you and a wall, while moving towards the wall, you move half the distance (0.5 kilometers). Then, you move half of the remaining distance, this time 0.25 kilometers. Then another half of the remaining one and so on. Then, you will never reach the wall! However, we know that it is possible to reach the wall, i.e., we can do something infinitely many times and get a finite answer.
Over the following hundreds of years, there were some developments to solve these problems, but the major one was in the 17th century. In 1667 in England, (Trinity) college was closed due to the precautions from the plague, under circumstances, a bit similar to Covid-19 precautions. A 22-year-old teenager called “Isaac Newton” tried to solve some physics problems, one of which was the falling apple. He noticed that the apple falling to the ground was increasing its velocity gradually, but he did not know how to calculate this instantaneous velocity. Here we were introduced to the two main branches of calculus: differentiation, which measures the rate of instant change, and integration, which measures the area under the curve. “Newton” developed calculus to solve his physics problems. In another place of Europe, specifically in Germany, a man called “Gottfried Leibniz” did a similar word independently of “Newton”. The notation we use today in calculus was made by “Leibniz”. They are both credited for inventing calculus, although there is some argument about who invented calculus first, “Newton” or “Leibniz”. However, this is not the end of the story.
In their development of calculus, both “Newton” and “Leibniz” used infinitesimals, quantities that are infinitely small and yet nonzero. Of course, such infinitesimals do not exist as they are in contrast to some of the basic properties for the real numbers, but “Newton” and “Leibniz” found it convenient to use these quantities in their computations and their derivations of results, and in fact, they got great results. Although one could not argue with the success of calculus, this concept of infinitesimals bothered mathematicians. Lord “Bishop Berkeley” made serious criticisms of the calculus referring to infinitesimals as the (ghosts of departed quantities).
Ultimately, “Cauchy”, “Weierstrass” and “Riemann” reformulated Calculus in terms of limits rather than infinitesimals. Thus, the need for these infinitely small (and nonexistent) quantities was removed and replaced by a notion of quantities being "close" to others. The derivative and the integral were both reformulated in terms of limits. This is a brief of the long history of how calculus was brought for us!
-----------------------------
يعتبر التفاضل والتكامل من أكثر المواضيع رعبا بالنسبة لناس كتير! لدرجة إن في ناس بتسيب و بتترك الرياضيات لما يوصلو لدراسة حساب التفاضل والتكامل. ومع ذلك ، حساب التفاضل والتكامل مجرد مستوى متوسط من الصعوبة في الرياضيات!! دا في مواضيع رياضيات أكثر تقدمًا وصعوبة من حساب التفاضل والتكامل. وكمان حساب التفاضل والتكامل هو أحد الأسباب الرئيسية للثورة الصناعية في أوروبا وبسببه تقدمت العديد من المجالات العلمية ، وبالأخص الفيزياء.
في البوست دا احنا هنركز على حاجتين:
1- كيف بدأ حساب التفاضل والتكامل
2- أهميتها.
من غير ما نطول ، تعالى نبدأ رحلتنا!
تطور حساب التفاضل والتكامل زي أي فرع علم عادي على مر العصور. تبدأ رحلتنا مع الإغريق عام 240 قبل الميلاد. الإغريق كانوا مغرمين بالهندسة! كانوا بيقدروا يحسبوا مساحة المضلعات بتقسيمها إلى مثلثات مع العلم بمساحة المثلث الواحد. ومع ذلك ، كانت الطريقة دي مختلفة مع الأشكال المنحنية، زي الدائرة. طور "أرخميدس" طريقة جديدة لحساب مساحة الأشكال المنحنية وبتسمى (طريقة الاستنفاد). في الطريقة دي كان بيقوم بطبع مضلع في الدائرة وبعدين يزود عدد جوانب المضلع تدريجيًا. وكل ما نضيف المزيد من الجوانب ، كل ما حصلنا على تقدير أفضل لمساحة الدائرة. هي دي الطريقة اللي طور بها "أرخميدس" صيغة مساحة الدائرة: A = pi * r ^ 2.
ومع ذلك ، علشان نحصل على حساب مثالي لمساحة المنحنى ، لازم يحتوي المضلع على عدد لا نهائي من الجوانب لتغطية مساحة المنحنى بالكامل ، لكن "أرخميدس" واليونانيون مقدروش يفهموا إزاي يقدروا يعملوا كدا. على سبيل المثال ، مشكلة فلسفية ابتكرها الفيلسوف اليوناني "زينو" من (إليا) تسمى (مفارقة زينو). تخيل كدا معاية إن في مسافة ، تعالى نقول كيلومتر واحد ، بينك وبين الحيطة ، وأنت عايز توصل للحيطة دي ، وجيت تتحرك نص المسافة (0.5 كيلومتر). وبعدين اتحركت نص المسافة المتبقية ، والمرة دي 0.25 كيلومتر. بعدها نص المسافة كمان، وهكذا. لو فضلت تمشي بالطريقة دي يبقا كدا يا حبيبي مش هتوصل خالص للحيطة! ومع ذلك ، احنا عارفين إنه من الممكن الوصول إلى للحيطة ، أي من الممكن إن احنا نقوم بشيء لا نهائي مرات عديدة وهنحصل على إجابة محدودة.
على مدى مئات السنين التالية ، كان في بعض التطورات لحل المشاكل دي ، لكن أهمها كان في القرن السابع عشر. في عام 1667 في إنجلترا ، تم إغلاق كلية (ترينيتي) بسبب الاحتياطات من الطاعون ، في ظل ظروف شَبَه احتياطاتCovid-19 . حاول مراهق عنده 22 سنة اسمه "إسحاق نيوتن" إنه يحل بعض المشكلات الفيزيائية ، من بينها مشكلة سقوط التفاحة. لاحظ إن سقوط التفاحة على الأرض كانت بتزيد سرعتها تدريجيًا، لكنه معرفش إزاي يحسب السرعة دي.و هنا اتعرفنا على الفرعين الرئيسيين لحساب التفاضل والتكامل: التفاضل ، اللي بيقيس معدل التغيير الفوري ، والتكامل ، اللي بيقيس المساحة الواقعة أسفل المنحنى. طور "نيوتن" حساب التفاضل والتكامل علشان يقدر يحل مشاكله الفيزيائية. في مكان آخر من أوروبا ، وتحديداً في ألمانيا ، في راجل اسمه "جوتفريد لايبنيز" قام بعمل كلمة مماثلة بشكل مستقل عن "نيوتن". الترميز اللي احنا بنستخدمه اليوم في حساب التفاضل والتكامل كان قام وضعه بواسطة “لايبنيز”. يُنسب كلاهما إلى اختراع حساب التفاضل والتكامل ، على الرغم من وجود بعض الجدل على مين اخترع حساب التفاضل والتكامل أولاً ، "نيوتن" أم "لايبنيز". مع ذلك، فدي مش نهاية الحكاية.
في تطويرهم لحساب التفاضل والتكامل ، استخدم كل من "نيوتن" و"لايبنيز" اللامتناهيات في الصغر ، وهي كميات صغيرة بشكل لانهائي ولكنها غير صفرية. وأكيد مفيش حاجة زي الكميات اللامتناهية في الصغر لأنها تتناقض مع بعض الخصائص الأساسية للأرقام الحقيقية ، ولكن "نيوتن" و"لايبنيز" لقو إنه من الملائم استخدام هذه الكميات في حساباتهم ومشتقاتهم للنتائج ، وبالفعل حصلوا على نتائج رائعة. على الرغم من إنه لا يمكن للمرء إنه يجادل في نجاح حساب التفاضل والتكامل ، إلا إن مفهوم اللامتناهيات في الصغر دا أزعج علماء الرياضيات. اللورد "بيشوب بيركلي" وجه انتقادات جدية لحساب التفاضل والتكامل وقال على اللامتناهيات في الصغر (أشباح الكميات الراحلة).
في النهاية ، أعاد "كوشي" و "ويرستراس" و "ريمان" صياغة التفاضل والتكامل من حيث الحدود بدل اللامتناهيات في الصغر. وبكدا تمت إزالة الحاجة إلى هذه اللامنتهيات في الصغر (والغير موجودة) وتم استبدالها بمفهوم إن الكميات "قريبة" من الكميات الأخرى. تمت إعادة صياغة المشتق والمتكامل من حيث الحدود. وهو دا موجز للتاريخ الطويل لكيفية جلب حساب التفاضل والتكامل لينا!
-----------------------------