微分的含義:在運動中捕捉靜止;積分的含義:在時間盡頭守株待兔

許多人在學習微積分的時候,總是懷著”動態帶來變化“的信念,特別執著地要將它跟“運動”聯繫在一起。似乎強調它的複雜與困難,學習者更能與有榮焉。

這多少跟恩格斯對微積分的那句評價有關:

只有微積分才能使自然科學有可能用數學來不僅僅表明狀態,並且也表明過程:運動。

這個評價不見得全對哦!

鳥鳴山空,不易入睡;火車咣咣,特別催眠。

研究運動,誰說不是為了追求靜止;直面複雜,何曾不是為了找尋簡單!

複雜的往往是我們要解決的問題,而微積分是我們解決問題的工具,誰會把工具造得難以操作!

而且,誰規定長一雙腿就得跑過劉翔,造一副拐就得賣給範偉?人人學點微積分,沒毛病!

其實,微積分的底層邏輯是“制動”,把動態的、非線性的邏輯關係轉換成靜態的、線性的邏輯關係。

下面我們拿“列車運行”這一動態事件,做一個簡單分析。

首先,我們一個用方程式來描述這一事件:s=vt

s-距離, v-平均速度, t-時間。

事實上,這是初等數學裡常見的方程式。實踐中,列車肯定不能一直勻速運行。由於起動、停止、坡度、風阻等許多的變量存在,速度v肯定也是一個變量。

所以,我們改用一個函數來表達:s=f(t)。至於st的關係式究竟要怎麼寫,我們先不管它。

那麼速度該怎麼描述呢?從上述可見,速度變量v也跟時間t有關,我們也用一個函數來表達:v=g(t)。s=f(t)一樣,我們先這樣寫了,寫完丟一邊,愛咋咋地!

一切計算的基礎是加減法,然後是乘除法。人類史上第一個遇到

2X2=?這個問題的人,一定是數完4個數才確定答案的。至於三角函數、對數、開根號等等,本質上都是方程式,歸到底,還是要用加減乘除來計算結果的。

從某種意義上說,數學不只是邏輯,也是經驗。

所以,要求得距離s,我們必須要找到它與速度v,在時間上的線性關係。

如果速度v始終隨著時間t的變化而變化呢(起動加速階段)?沒關係,我們來開一下腦洞:

只要在一個不能分割的、無限小的時間點Δt上,就能求得瞬時恆定的速度v

於是,得速度的線性表達式:v=Δs/Δt,記作f'(t),也就是函數s=f(t)的導數。

然後,f'(t)=g(t),那麼,s=f(t)是v=g(t)的原函數,v=g(t)是s=f(t)的導函數或被積函數。

知道s=f(t)的關係式,可以求導得到v=g(t)的關係式;知道v=g(t)的關係式,可以通過不定積分,得到s=f(t)的通項關係式。

我們變換一下v=Δs/Δt的表達式:Δs=f'(t)*Δt,f'(t)*Δt就叫做原函數s=f(t)的微分,也是被積表達式。

從整個過程看,我們在研究“列車運行”這一動態事件時,關鍵是找到了一個抽象時空點ΔtΔt不能再被分割且無限趨近於0,那麼Δs也無限趨近於0

如果位移Δs無限趨近於0,那列車在時間Δt上,是不是無限趨近於靜止?

但是我們終究不需要計算f'(t)*Δt,因為在時間區間t∈[t1,t2]上,有無限多個f'(t)*Δt。

通過積分,將無限多個微分單元f'(t)*Δt打個包,轉換成原函數s=f(t)的兩點間距:

得: ∫f'(t)*dt,t∈[t1,t2]=s(t2)-s(t1)

我們給出假定條件,再計算一下上述過程。

假設,已知導函數v=2t,求在t∈[0,10]內,列車行進的距離s

對函數v=2t,進行不定積分得:s=t^2+C(常數)。

則,s= ∫2t*dt,t∈[0,10]=s(10)-s(0)=10^2-0^2=100。

為求微積,我們將時間分成無限個靜止。通過積分,我們又穿越到時間的盡頭。一切源於微積分的樸素思想:將高維空間的混沌邏輯,轉換成低維空間的線性邏輯。粗暴點說,能簡單的就別搞複雜了!


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