微积分的本质
借此了解微积分的本质,以此补全数学之源以及数学之用的空缺。参考《托马斯微积分》和b站《微积分的本质》
1 从圆的面积说起
1.1 问题
古时候,人们想要知道圆的面积是多少?那么可以由几种方案,一种是把圆铺开,一种是把一个圆分成很多很多个圆环再
求和。这种思想就是微积分的来源。
形如上图,我们把圆铺开,其长度就是圆周长,其宽是dr,dr取的越小,自然也就越精确。
而把圆变成很多个环的话,每个环铺开是一个长方形,将这些长方形的面积累加起来即可。如下图
当dr取的越小越精确,自然就得到了三角形面积为圆面积的近似。我们似乎解决求出圆的面积问题,是一个更近似的过程。但数学家不会,数学家借助解决一个问题,他们希望解决一类问题,发展处解决这一类的问题的工具微积分应运而生。它的思想就是一句话
将所要实际问题的东西切分成一个很小很小的块,然后求和。
比如非匀速汽车的行驶路程和时间关系,借助一个例子
我们想要知道这个函数的面积,那么利用微积分思想,其可以切分近似。
2 导数的悖论
当我们讨论导数时,我们不是在讨论"瞬时速率“,我们在讨论在一个极小的地方的变换率。比如汽车的行驶速度和时间以及路程的函数中
,
速度与时间的函数面积就是其路程,我们会遇到很多很多这样的问题。
比如在网络传播中,我们知道感染速度和感染时间的函数,那么其函数底下面积就是感染人数。感染速度越快,其感染人数越多,和上图是一样的逻辑,只不过在网络上比较不好近似得到其函数关系,只能够利用较强的假设得到。
导数的标准定义是:dr极小的变化率
3 求导的几何意义
利用导数的标准定义,再采取一个x平方的小例子。我们可以得到求导的几何直观理解,在上图中,x的增加成为x+dx,那么其函数值增加为两个小长方形+一个小正方形。小正方形因为包含dx而约去,两个小长方形面积为2xdx,约去dx,就是留下来的导数2x了。
4 求导的种类
所有的求导依据导数标准定义都有其几何方面的理解,求导主要由加,乘,复合三种基本运算直至所有的求导运算,只需要掌握这三种的本质几何解释,其它求导都是一样的。类似于线性代数,只需要理解向量及其加和数乘运算,其他都是一样的。
下面看下求导的加法法则几何理解,(从两个函数根据dx变化之和理解)
下面是求导的乘法法则几何理解。(从两个函数依据dx变化的面积考虑)
下面是求导的复合法则几何理解。(从两个函数依据dx变化的复合考虑)
7 极限
这就是导数的定义,导数帮我们得到极限,而极限可以帮助我们计算导数。极限,强调的是趋于该点周围附近的取值,而是该点取值。
8 微积分基本定理