2019-2020年高中數(shù)學(xué) 1.1 集合的含義及其表示 第一課時(shí)5.教案 蘇教版必修1.doc

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2019-2020年高中數(shù)學(xué) 1.1 集合的含義及其表示 第一課時(shí)5.教案 蘇教版必修1 教學(xué)目標(biāo)：（1）使學(xué)生初步理解集合的概念，知道常用數(shù)集的概念及其記法 （2）使學(xué)生初步了解“屬于”關(guān)系的意義 （3）使學(xué)生初步了解有限集、無(wú)限集、空集的意義 教學(xué)重點(diǎn)：集合的基本概念 教學(xué)過(guò)程： 1．引入 （1）章頭導(dǎo)言 （2）集合論與集合論的創(chuàng)始者-----康托爾（有關(guān)介紹可引用附錄中的內(nèi)容） 2．講授新課 閱讀教材，并思考下列問(wèn)題： （1）有那些概念？ （2）有那些符號(hào)？ （3）集合中元素的特性是什么？ （4）如何給集合分類? （一）有關(guān)概念: 1、集合的概念 （1）對(duì)象：我們可以感覺(jué)到的客觀存在以及我們思想中的事物或抽象符號(hào)，都可以稱作對(duì)象. （2）集合：把一些能夠確定的不同的對(duì)象看成一個(gè)整體，就說(shuō)這個(gè)整體是由這些對(duì)象的全體構(gòu)成的集合. （3）元素：集合中每個(gè)對(duì)象叫做這個(gè)集合的元素. 集合通常用大寫的拉丁字母表示，如A、B、C、……元素通常用小寫的拉丁字母表示，如a、b、c、…… 2、元素與集合的關(guān)系 （1）屬于：如果a是集合A的元素，就說(shuō)a屬于A，記作a∈A （2）不屬于：如果a不是集合A的元素，就說(shuō)a不屬于A，記作 要注意“∈”的方向，不能把a(bǔ)∈A顛倒過(guò)來(lái)寫. 3、集合中元素的特性 （1）確定性：給定一個(gè)集合，任何對(duì)象是不是這個(gè)集合的元素是確定的了. （2）互異性：集合中的元素一定是不同的. （3）無(wú)序性：集合中的元素沒(méi)有固定的順序. 4、集合分類 根據(jù)集合所含元素個(gè)屬不同，可把集合分為如下幾類： （1）把不含任何元素的集合叫做空集Ф （2）含有有限個(gè)元素的集合叫做有限集 （3）含有無(wú)窮個(gè)元素的集合叫做無(wú)限集 注：應(yīng)區(qū)分，，，0等符號(hào)的含義 5、常用數(shù)集及其表示方法 （1）非負(fù)整數(shù)集（自然數(shù)集）：全體非負(fù)整數(shù)的集合.記作N （2）正整數(shù)集：非負(fù)整數(shù)集內(nèi)排除0的集.記作N*或N+ （3）整數(shù)集：全體整數(shù)的集合.記作Z （4）有理數(shù)集：全體有理數(shù)的集合.記作Q （5）實(shí)數(shù)集：全體實(shí)數(shù)的集合.記作R 注：（1）自然數(shù)集包括數(shù)0. （2）非負(fù)整數(shù)集內(nèi)排除0的集.記作N*或N+，Q、Z、R等其它數(shù)集內(nèi)排除0的集，也這樣表示，例如，整數(shù)集內(nèi)排除0的集，表示成Z* 課堂練習(xí)：教材第5頁(yè) 練習(xí)A、B 小結(jié)：本節(jié)課我們了解集合論的發(fā)展，學(xué)習(xí)了集合的概念及有關(guān)性質(zhì) 課后作業(yè)：第十頁(yè) 習(xí)題1-1B第3題 附錄： 集合論的誕生 韓雪濤 集合論是德國(guó)著名數(shù)學(xué)家康托爾于19世紀(jì)末創(chuàng)立的.十七世紀(jì)數(shù)學(xué)中出現(xiàn)了一門新的分支：微積分.在之后的一二百年中這一嶄新學(xué)科獲得了飛速發(fā)展并結(jié)出了豐碩成果.其推進(jìn)速度之快使人來(lái)不及檢查和鞏固它的理論基礎(chǔ).十九世紀(jì)初，許多迫切問(wèn)題得到解決后，出現(xiàn)了一場(chǎng)重建數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng).正是在這場(chǎng)運(yùn)動(dòng)中，康托爾開(kāi)始探討了前人從未碰過(guò)的實(shí)數(shù)點(diǎn)集，這是集合論研究的開(kāi)端.到1874年康托爾開(kāi)始一般地提出“集合”的概念.他對(duì)集合所下的定義是：把若干確定的有區(qū)別的（不論是具體的或抽象的）事物合并起來(lái)，看作一個(gè)整體，就稱為一個(gè)集合，其中各事物稱為該集合的元素.人們把康托爾于1873年12月7日給戴德金的信中最早提出集合論思想的那一天定為集合論誕生日. 康托爾的不朽功績(jī) 前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家柯?tīng)柲曷宸蛟u(píng)價(jià)康托爾的工作時(shí)說(shuō)：“康托爾的不朽功績(jī)?cè)谟谒驘o(wú)窮的冒險(xiǎn)邁進(jìn)”.因而只有當(dāng)我們了解了康托爾在對(duì)無(wú)窮的研究中究竟做出了些什么結(jié)論后才會(huì)真正明白他工作的價(jià)值之所在和眾多反對(duì)之聲之由來(lái). 數(shù)學(xué)與無(wú)窮有著不解之緣，但在研究無(wú)窮的道路上卻布滿了陷阱.因?yàn)檫@一原因，在數(shù)學(xué)發(fā)展的歷程中，數(shù)學(xué)家們始終以一種懷疑的眼光看待無(wú)窮，并盡可能回避這一概念.但試圖把握無(wú)限的康托爾卻勇敢地踏上了這條充滿陷阱的不歸路.他把無(wú)窮集這一詞匯引入數(shù)學(xué)，從而進(jìn)入了一片未開(kāi)墾的處女地，開(kāi)辟出一個(gè)奇妙無(wú)比的新世界.對(duì)無(wú)窮集的研究使他打開(kāi)了“無(wú)限”這一數(shù)學(xué)上的潘多拉盒子.下面就讓我們來(lái)看一下盒子打開(kāi)后他釋放出的是什么. 　　“我們把全體自然數(shù)組成的集合簡(jiǎn)稱作自然數(shù)集，用字母N來(lái)表示.”學(xué)過(guò)集合那一章后，同學(xué)們應(yīng)該對(duì)這句話不會(huì)感到陌生.但同學(xué)們?cè)诮邮苓@句話時(shí)根本無(wú)法想到當(dāng)年康托爾如此做時(shí)是在進(jìn)行一項(xiàng)更新無(wú)窮觀念的工作.在此以前數(shù)學(xué)家們只是把無(wú)限看作永遠(yuǎn)在延伸著的，一種變化著成長(zhǎng)著的東西來(lái)解釋.無(wú)限永遠(yuǎn)處在構(gòu)造中，永遠(yuǎn)完成不了，是潛在的，而不是實(shí)在.這種關(guān)于無(wú)窮的觀念在數(shù)學(xué)上被稱為潛無(wú)限.十八世紀(jì)數(shù)學(xué)王子高斯就持這種觀點(diǎn).用他的話說(shuō)，就是“……我反對(duì)將無(wú)窮量作為一個(gè)實(shí)體，這在數(shù)學(xué)中是從來(lái)不允許的.所謂無(wú)窮，只是一種說(shuō)話的方式……”而當(dāng)康托爾把全體自然數(shù)看作一個(gè)集合時(shí)，他是把無(wú)限的整體作為了一個(gè)構(gòu)造完成了的東西，這樣他就肯定了作為完成整體的無(wú)窮，這種觀念在數(shù)學(xué)上稱為實(shí)無(wú)限思想.由于潛無(wú)限思想在微積分的基礎(chǔ)重建中已經(jīng)獲得了全面勝利，康托爾的實(shí)無(wú)限思想在當(dāng)時(shí)遭到一些數(shù)學(xué)家的批評(píng)與攻擊是無(wú)足為怪的.然而康托爾并未就此止步，他以完全前所未有的方式，繼續(xù)正面探討無(wú)窮.他在實(shí)無(wú)限觀念基礎(chǔ)上進(jìn)一步得出一系列結(jié)論，創(chuàng)立了令人振奮的、意義十分深遠(yuǎn)的理論.這一理論使人們真正進(jìn)入了一個(gè)難以捉摸的奇特的無(wú)限世界. 最能顯示出他獨(dú)創(chuàng)性的是他對(duì)無(wú)窮集元素個(gè)數(shù)問(wèn)題的研究.他提出用一一對(duì)應(yīng)準(zhǔn)則來(lái)比較無(wú)窮集元素的個(gè)數(shù).他把元素間能建立一一對(duì)應(yīng)的集合稱為個(gè)數(shù)相同，用他自己的概念是等勢(shì).由于一個(gè)無(wú)窮集可以與它的真子集建立一一對(duì)應(yīng)――例如同學(xué)們很容易發(fā)現(xiàn)自然數(shù)集與正偶數(shù)集之間存在著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系――也就是說(shuō)無(wú)窮集可以與它的真子集等勢(shì)，即具有相同的個(gè)數(shù).這與傳統(tǒng)觀念“全體大于部分”相矛盾.而康托爾認(rèn)為這恰恰是無(wú)窮集的特征.在此意義上，自然數(shù)集與正偶數(shù)集具有了相同的個(gè)數(shù)，他將其稱為可數(shù)集.又可容易地證明有理數(shù)集與自然數(shù)集等勢(shì)，因而有理數(shù)集也是可數(shù)集.后來(lái)當(dāng)他又證明了代數(shù)數(shù)[注]集合也是可數(shù)集時(shí)，一個(gè)很自然的想法是無(wú)窮集是清一色的，都是可數(shù)集.但出乎意料的是，他在1873年證明了實(shí)數(shù)集的勢(shì)大于自然數(shù)集.這不但意味著無(wú)理數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于有理數(shù)，而且顯然龐大的代數(shù)數(shù)與超越數(shù)相比而言也只成了滄海一粟，如同有人描述的那樣：“點(diǎn)綴在平面上的代數(shù)數(shù)猶如夜空中的繁星；而沉沉的夜空則由超越數(shù)構(gòu)成.”而當(dāng)他得出這一結(jié)論時(shí)，人們所能找到的超越數(shù)尚僅有一兩個(gè)而已.這是何等令人震驚的結(jié)果！然而，事情并未終結(jié).魔盒一經(jīng)打開(kāi)就無(wú)法再合上，盒中所釋放出的也不再限于可數(shù)集這一個(gè)無(wú)窮數(shù)的怪物.從上述結(jié)論中康托爾意識(shí)到無(wú)窮集之間存在著差別，有著不同的數(shù)量級(jí)，可分為不同的層次.他所要做的下一步工作是證明在所有的無(wú)窮集之間還存在著無(wú)窮多個(gè)層次.他取得了成功，并且根據(jù)無(wú)窮性有無(wú)窮種的學(xué)說(shuō)，對(duì)各種不同的無(wú)窮大建立了一個(gè)完整的序列，他稱為“超限數(shù)”.他用希伯萊字母表中第一個(gè)字母“阿列夫”來(lái)表示超限數(shù)的精靈，最終他建立了關(guān)于無(wú)限的所謂阿列夫譜系 它可以無(wú)限延長(zhǎng)下去.就這樣他創(chuàng)造了一種新的超限數(shù)理論，描繪出一幅無(wú)限王國(guó)的完整圖景.可以想見(jiàn)這種至今讓我們還感到有些異想天開(kāi)的結(jié)論在當(dāng)時(shí)會(huì)如何震動(dòng)數(shù)學(xué)家們的心靈了.毫不夸張地講，康托爾的關(guān)于無(wú)窮的這些理論，引起了反對(duì)派的不絕于耳的喧囂.他們大叫大喊地反對(duì)他的理論.有人嘲笑集合論是一種“疾病”，有人嘲諷超限數(shù)是“霧中之霧”，稱“康托爾走進(jìn)了超限數(shù)的地獄”.作為對(duì)傳統(tǒng)觀念的一次大革新，由于他開(kāi)創(chuàng)了一片全新的領(lǐng)域，提出又回答了前人不曾想到的問(wèn)題，他的理論受到激烈地批駁是正常的.當(dāng)回頭看這段歷史時(shí)，或許我們可以把對(duì)他的反對(duì)看作是對(duì)他真正具有獨(dú)創(chuàng)性成果的一種褒揚(yáng)吧. 公理化集合論的建立 　　集合論提出伊始，曾遭到許多數(shù)學(xué)家的激烈反對(duì)，康托爾本人一度成為這一激烈論爭(zhēng)的犧牲品.在猛烈的攻擊下與過(guò)度的用腦思考中，他得了精神分裂癥，幾次陷于精神崩潰.然而集合論前后經(jīng)歷二十余年，最終獲得了世界公認(rèn).到二十世紀(jì)初集合論已得到數(shù)學(xué)家們的贊同.數(shù)學(xué)家們?yōu)橐磺袛?shù)學(xué)成果都可建立在集合論基礎(chǔ)上的前景而陶醉了.他們樂(lè)觀地認(rèn)為從算術(shù)公理系統(tǒng)出發(fā)，借助集合論的概念，便可以建造起整個(gè)數(shù)學(xué)的大廈.在1900年第二次國(guó)際數(shù)學(xué)大會(huì)上，著名數(shù)學(xué)家龐加萊就曾興高采烈地宣布“……數(shù)學(xué)已被算術(shù)化了.今天，我們可以說(shuō)絕對(duì)的嚴(yán)格已經(jīng)達(dá)到了.”然而這種自得的情緒并沒(méi)能持續(xù)多久.不久，集合論是有漏洞的消息迅速傳遍了數(shù)學(xué)界.這就是1902年羅素得出的羅素悖論.羅素構(gòu)造了一個(gè)所有不屬于自身（即不包含自身作為元素）的集合R.現(xiàn)在問(wèn)R是否屬于R？如果R屬于R，則R滿足R的定義，因此R不應(yīng)屬于自身，即R不屬于R；另一方面，如果R不屬于R，則R不滿足R的定義，因此R應(yīng)屬于自身，即R屬于R.這樣，不論何種情況都存在著矛盾.這一僅涉及集合與屬于兩個(gè)最基本概念的悖論如此簡(jiǎn)單明了以致根本留不下為集合論漏洞辯解的余地.絕對(duì)嚴(yán)密的數(shù)學(xué)陷入了自相矛盾之中.這就是數(shù)學(xué)史上的第三次數(shù)學(xué)危機(jī).危機(jī)產(chǎn)生后，眾多數(shù)學(xué)家投入到解決危機(jī)的工作中去.1908年，策梅羅提出公理化集合論，后經(jīng)改進(jìn)形成無(wú)矛盾的集合論公理系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱ZF公理系統(tǒng).原本直觀的集合概念被建立在嚴(yán)格的公理基礎(chǔ)之上，從而避免了悖論的出現(xiàn).這就是集合論發(fā)展的第二個(gè)階段：公理化集合論.與此相對(duì)應(yīng)，在1908年以前由康托爾創(chuàng)立的集合論被稱為樸素集合論.公理化集合論是對(duì)樸素集合論的嚴(yán)格處理.它保留了樸素集合論的有價(jià)值的成果并消除了其可能存在的悖論，因而較圓滿地解決了第三次數(shù)學(xué)危機(jī).公理化集合論的建立，標(biāo)志著著名數(shù)學(xué)家希耳伯特所表述的一種激情的勝利，他大聲疾呼：沒(méi)有人能把我們從康托爾為我們創(chuàng)造的樂(lè)園中趕出去.從康托爾提出集合論至今，時(shí)間已經(jīng)過(guò)去了一百多年，在這一段時(shí)間里，數(shù)學(xué)又發(fā)生了極其巨大的變化，包括對(duì)上述經(jīng)典集合論作出進(jìn)一步發(fā)展的模糊集合論的出現(xiàn)等等.而這一切都是與康托爾的開(kāi)拓性工作分不開(kāi)的.因而當(dāng)現(xiàn)在回頭去看康托爾的貢獻(xiàn)時(shí)，我們?nèi)匀豢梢砸卯?dāng)時(shí)著名數(shù)學(xué)家對(duì)他的集合論的評(píng)價(jià)作為我們的總結(jié). 　　它是對(duì)無(wú)限最深刻的洞察，它是數(shù)學(xué)天才的最優(yōu)秀作品，是人類純智力活動(dòng)的最高成就之一. 　　超限算術(shù)是數(shù)學(xué)思想的最驚人的產(chǎn)物，在純粹理性的范疇中人類活動(dòng)的最美的表現(xiàn)之一. 　　這個(gè)成就可能是這個(gè)時(shí)代所能夸耀的最偉大的工作. 　　康托爾的無(wú)窮集合論是過(guò)去兩千五百年中對(duì)數(shù)學(xué)的最令人不安的獨(dú)創(chuàng)性貢獻(xiàn)之一. 注：整系數(shù)一元n次方程的根，叫代數(shù)數(shù).如一切有理數(shù)是代數(shù)數(shù).大量無(wú)理數(shù)也是代數(shù)數(shù).如根號(hào)2.因?yàn)樗欠匠蘹2-2=0的根.實(shí)數(shù)中不是代數(shù)數(shù)的數(shù)稱為超越數(shù).相比之下，超越數(shù)很難得到.第一個(gè)超越數(shù)是劉維爾于1844年給出的.關(guān)于π是超越數(shù)的證明在康托爾的研究后十年才問(wèn)世.