微積分原理,即求面積和求斜率是互逆運算

2020-12-25 哲學往事

微積分原理

微積分原理,一言以蔽之,即,微分和積分是互逆的運算。在同濟版的高數教材中,有微積分基本定理,即∫f( x) dx= F(b)—F(a) (1)

它是什麼意思呢?就是一個函數求定積分,等於積分函數之差。

再看一個微分公式,即dF( x)/ dx= f(x) (2)

它的意思是積分函數的微分等於原函數。

比較這兩個公式,就可以看出,是有聯繫的。

微積分基本公式,即牛頓萊布尼茨公式

讓我們離開公式,積分就是求面積,這個積字就這麼來吧。早在阿基米德,就用他的方法,將圓內接和外切正多邊形,以其多邊形邊長趨向無窮時,其多邊形就認為是圓。當然這裡面還有哲學的含混不清。

所以積分就是求和,只不過求和的項有無窮多,稍微再多些哲學思考,這些無窮多項求和的結果並不導致無窮多,這和普通常識是有錯覺的。

求和的符號是∑,比如∑n=1+2+3+4+5+……+n

哲學家,萊布尼茨像

萊布尼茨將求和符號,即∑拉長,就變成了符號∫。所以求和與積分是有聯繫的,即求和可以說是積分的一個子集。或者簡單理解,求和是有限項求和,而積分是無限項求和。

所以對無限項求和,再取極限,就是積分。

最簡單的就是拋物線下的面積。在講其之前,我們來看一個更簡單的例子,即直線下的面積。這根射線將過原點和第一象限。所以該直線下的面積就是三角形面積。

那麼拋物線下的面積,要將拋物線分割成比如無限個近似梯形,然後求和,當然其解要用到∑n^2,需要一定的數學技巧,就是1^2+2^2+3^2+4^2+……

上面講的是積分的問題,而微分在概念上要簡單一點,就是求曲線的切線的斜率。如果有數值計算的經驗,不防計算割線的斜率,即(y2-y1)/(x2-x1),讓點(x2,y2)趨近點(x1,y1),如果你有耐心計算一系列割線的斜率,你會發現它趨向一個固定的值,這個值就是切線的斜率。

牛頓和萊布尼茨發現,一個函數先求積分,就是函數曲線下的面積,然後再求所得函數的微分,即斜率,你會發現又回到了原來的函數。

就像先做加法,再做減法,這樣不加也不減。微積分也是這樣,無論先做積分,再做微分,還是先做微分,再做積分,你總是回到原來的函數,這就提示我們本文開頭提出的答案,積分和微分是互逆的運算。

牛頓像

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