微積分的故事(11):v-t圖像

中學學物理的時候,老師一定會畫速度-時間(v-t)圖像。v-t圖像就是在一個座標系裡,用縱軸表示物體運動的速度v,橫軸表示時間t,然後分析物體的運動情況。如下圖:

然後老師就會告訴你:v-t圖像裡它們圍成的面積s就是物體運動的位移的大小(位移是有方向的距離,是一個矢量)。

你們想啊,這個座標裡橫軸是時間t,縱軸是速度v,你要算它們的面積,那肯定是要用乘法的。物體做勻速運動的軌跡就是一條平行於t軸的直線,速度v1乘以時間t0剛好就是它們圍成的矩形的面積s,而速度乘以時間的物理意義就是它的位移。所以,面積代表位移,剛剛好。

當物體不是勻速運動(軌跡是曲線)的時候,我就可以把時間切割成很多小段,在每一小段裡把它們近似當作勻速運動,這樣每一個小段的面積就代表每一個小段裡的位移。

然後我把所有小段的面積加起來,得到的總面積不就可以代表總位移了麼?所以,曲線圍成的面積s一樣代表位移。

大家想想,處理曲線的時候,我們把時間切成很多塊,用每一個小塊的面積(位移)之和去逼近總面積(位移),這不就是積分的思想麼?反過來,如果你把這個黃色的面積S,把這個整體的位移看作一個隨時間t變化的函數,對它求導自然就能得到速度t。

也就是說,我們對速度v做一次積分能得到位移s;反過來,對位移s求一次導數(微分)就能得到速度v。這樣它們的互逆關係就非常清楚了:

這部分邏輯並不難理解,大家只要好好琢磨一下,就會發現“積分和微分是互逆運算”這個事情是非常自然的。它在日常生活中到處都有體現,只不過我們平常沒有太注意,而牛頓和萊布尼茨注意到了,下一篇我們來講原函數的概念。