home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #18 / NN_1992_18.iso / spool / sci / math / 10449 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-08-20  |  8.2 KB  |  188 lines

  1. Newsgroups: sci.math
  2. Path: sparky!uunet!zaphod.mps.ohio-state.edu!sol.ctr.columbia.edu!destroyer!wsu-cs!usenet.ins.cwru.edu!po.CWRU.Edu!bxi
  3. From: bxi@po.CWRU.Edu (Bruce Ikenaga)
  4. Subject: Re: Calculus and Mathematica
  5. Message-ID: <1992Aug20.181052.24195@usenet.ins.cwru.edu>
  6. Sender: news@usenet.ins.cwru.edu
  7. Nntp-Posting-Host: thor.ins.cwru.edu
  8. Reply-To: bxi@po.CWRU.Edu (Bruce Ikenaga)
  9. Organization: Case Western Reserve University, Cleveland, OH (USA)
  10. References: <1992Aug19.163805.3972@cs.rose-hulman.edu> <347@moene.indiv.nluug.nl>
  11. Date: Thu, 20 Aug 92 18:10:52 GMT
  12. Lines:      175
  13.  
  14.  
  15. In a previous article, goddard@NeXTwork.Rose-Hulman.Edu (Bart Goddard) says:
  16.  
  17. >I have been using MMa in the classroom, but the choice of package was
  18. >not mine.  I would have chosen Maple, since it is more powerful and  
  19. >flexible, runs on a smaller machine (so more students could have it  
  20. >running in their dorm rooms and wouldn't have to come to the labs to do  
  21. >their homework), and runs faster (at least on our network) than MMa.
  22.  
  23.    In our case, the decision was made in sort of grass roots
  24. fashion ... but it was constrained by the requirement that
  25. the package run on Macs and DOS boxes. Mma did that, had nice
  26. graphics, and the promising Notebook interface, so ...
  27.  
  28. >The incorporation of Computer Algebra Systems into math classroom  
  29. >changes the game quite a bit.  Two years ago, I taught all my calc  
  30. >students several integration techniques: parts, substitution, partial  
  31. >fractions, trig substitutions, etc.  Last year, with the introduction  
  32. >of MMa, I was forced to think hard about whether integration by parts  
  33. >was a worthwhile topic.  After all, the machine will do most of the  
  34. >book problems, and in real life, one can "always" do an integral  
  35. >numerically.  So not doing parts would free up some time to spend  
  36. >studying more theoretical things (When CAN'T you do an integral  
  37. >numerically?).  On the other hand, parts is derived from the product  
  38. >rule for differentiation, and students who understand this relationship  
  39. >have learned something about how functions behave, and I think this  
  40. >might be important, whether any of them ever actually evaluates an  
  41. >integral with this technique. So I ended up teaching the techniques I  
  42. >named above, (but no others).  
  43.  
  44.    What other techniques do people normally teach?
  45.  
  46.    I would say that if you're going to lean on a CAS to do integrals
  47. (numerical integrals, for instance), perhaps the time to do it is
  48. when you're looking at applications of integration. Arc length comes
  49. to mind.
  50.  
  51. >However, I didn't give an assignment  
  52. >that asked them to evaluate a "mixed bag" of integrals, wherein they  
  53. >would have to choose a technique and hope it worked.  This sort of  
  54. >assignment is a "by hand" skill which (I think) is largely obsolete  
  55. >except for it's pedagical value (one learns about funtions by playing  
  56. >with them.)
  57.  
  58.    Mmmm ... I dunno about this. First, it seems to me that the
  59. first things which get automated are the mechanical things. Hence,
  60. it's important to teach people to decide what tool or technique
  61. to use in a given situation.
  62.  
  63.    Moreover, the heuristics one uses are interesting because they
  64. illustrate the idea of *control* --- keeping track of one's
  65. progress in solving a problem. For example, suppose we have
  66.  
  67.       \int x e^x\, dx.
  68.  
  69. How do you decide what technique to use? Someone says "parts".
  70. Why parts? Suggestion: "Try parts if the integrand contains
  71. functions of different types." Now we can ask how well this
  72. heuristic works --- can we think of any counterexamples? ...
  73.  
  74.    (An interesting question here is: How is Mma really doing
  75. something like
  76.  
  77.       \int e^x \sin x\, dx?
  78.  
  79. It probably isn't using the do-parts-twice-and-solve-for-the-
  80. integral trick ... so what is it doing? I don't know, but it
  81. might be interesting to discuss in class --- Why does the
  82. program do this differently than I would do it?)
  83.  
  84.    Suppose we decide we want to try parts. Do we do it this
  85. way?
  86.  
  87.       u = e^x,   dv = x\, dx.
  88.  
  89. This doesn't work so well (How do you know this?). Why doesn't
  90. it work so well? We might suggest another heuristic: "If you
  91. have powers of x, it's better to put them into u rather than
  92. dv." Are there are counterexamples? What is the scope of this
  93. rule of thumb
  94.  
  95.    Likewise, you might ask why you try trig substitution in
  96.  
  97.       \int \sqrt{1 + x^2}\, dx
  98.  
  99. rather than (say) parts. (Or will parts work?) And if you
  100. decide to do trig substitution, why use x = \tan \theta
  101. (as opposed to x = \sin \theta)?
  102.  
  103.    One of the more amusing techniques is the one you use for
  104. things like
  105.  
  106.       \int \sin x^(1/3)\, dx.
  107.  
  108. It is interesting to try to articulate in words *why* x = u^3
  109. works.
  110.  
  111.    In all of this, I haven't said anything about actually
  112. *doing* the computation. In a sense, we take that part as
  113. "canned" --- concentrating on *what* to do, and *why* you
  114. do it, rather than *how*. In fact, it's nice to have people
  115. mess around and try to come up with a list of heuristics
  116. --- together with examples which show when the heuristics
  117. fail.
  118.  
  119.    One reason I like teaching integration techniques is that
  120. it's a good place to talk about heuristics, control and
  121. decision procedures. People come out of high school with a
  122. "try the first thing that comes to mind" approach to problem
  123. solving. (See some of Alan Schoenfeld's articles, for instance.)
  124. I think that helping to refine their problem solving skills
  125. is one of the more important things we can do.
  126.  
  127. >Having decided that my calc course would include the topic of  
  128. >integration by parts, I went to the next step:  How to make them see  
  129. >the topic the way I see it (this is what I think teaching is). Two  
  130. >years ago, I had them do several integrals that required parts.  They  
  131. >were able, then, to do integration by parts.  Several of them  
  132. >understood the connection with the product rule.  Last year, I gave the  
  133. >new class roughly the same list (but longer) and had them integrate  
  134. >them on the machine.  (I had to check that the maching could do all of  
  135. >them before I made the assignment.  If the machine can't, the problem  
  136. >isn't a good example for this exercise.)  Then they were to find a  
  137. >pattern in the  answers they were getting.  We discovered the  
  138. >integration by parts relationship, and it was more fun this way.
  139.  
  140.    This sounds like a good idea.
  141.  
  142.    (Another thought --- parts does occur elsewhere. For example,
  143. it's often used to find recursive formulas for integrals. The
  144. initial value formula for Laplace transforms [which many students
  145. will see when they take differential equations] is a conrete case.)
  146.  
  147. >PLUS, almost all of our students are engineering majors, and  
  148. >they have the added bonus of learning mathematics in the environment in  
  149. >which they will use it in their upper-level courses and in their  
  150. >careers.
  151.  
  152.    Yep. Tools like Mma are used by many of the engineers around
  153. here. We're starting to get questions about what we do with it
  154. (and could we use it in our courses, so they can assume their
  155. students have seen it). This can be an opportunity for math
  156. departments, if they take advantage of it.
  157.  
  158. >Calculus consists of just a couple easy ideas, upon which we build in a  
  159. >a straightforward manner.  Once a student finishes the course, he  
  160. >wonders what was so hard.  Now that his brain has abstracted and sorted  
  161. >everything out, all of calculus fits into just a couple brain cells.   
  162.  
  163.    Hmmm. "A couple"? I would mention linearity, convergence,
  164. continuity, rates of change, and adding-up-lots-of-little-
  165. things-to-get-a-big-thing :-).  Which ones were you thinking of?
  166.  
  167. >My job is to make my students see things this way. I can do it with or  
  168. >without a computer algebra system, but it's more interactive WITH. It  
  169. >doesn't matter if there is an occasional problem which stumps MMa, it  
  170. >still helps in other areas.  Besides, by the time you figure out  
  171. >exactly what you want to do and how to do it, the software has been  
  172. >updated and it WILL do those persnickety problems.
  173.  
  174.    Actually, I *like* problems that the software can't do or
  175. that it screws up. I make a point of showing these to my
  176. students.
  177.  
  178. >Sorry this is such a long tirade.  My "friends" say that talking to me  
  179. >is like drinking from a fire hydrant.
  180.  
  181.    Sorry this is such a long reply. :-)
  182.  
  183. -- 
  184. Bruce Ikenaga
  185. ---------------------------------------------------
  186. US mail: Dept. of Math, CWRU, Cleveland, Ohio 44106
  187. E-mail : bxi@po.CWRU.edu
  188.