科普,微積分是個啥?

2021-01-14 惠通學子

「每所大學都有一種樹,叫高數,樹上掛了很多人。旁邊有座墳,叫微積分,裡面葬了很多人。」


不論你們學校的校訓是博學篤行,還是求實創新,不論你學的是理、工、商,還是農、醫,軍,高等數學是大部分大學生都繞不開的艱難課題。學文科的小編,曾經天真的以為選擇文科專業,高考完了就可以擺脫數學的魔爪了,上大學以後才發現我選的文科專業也要修《文科高等數學》……



我看數學,無語凝噎,這無法逃離的羈絆,就是命啊。

從小學開始我們就在學習數學,但是大學之前的數學只能算是思維訓練。而微積分才算是數學真正的起點,是很多學科基礎中的基礎。


下面,跟著小編一起來學習——微積分研究的是什麼?

人類文明從仰望星空那一刻起,就已經距離揭示宇宙奧秘僅有一步之遙了。


自古以來,人們都渴望揭示星空的秘密,似乎做到這一點,就可以從神的手中接過權杖。



第谷·布拉赫(1546 -1601),丹麥貴族,天文學家兼佔星術士和鍊金術士。他花了20多年在丹麥皇家天文觀察行星運行,臨死的時候把這個數據交給了他的助手克卜勒(但是貌似沒有書面文件說明克卜勒可以使用這個數據,所以後面還扯了些官司出來)。



約翰內斯·克卜勒(1571-1630),德國天文學家、數學家。他繼承了第谷的天文觀測數據之後,就以「日心說」為假設,花了好幾年的時間,日算夜算,歸納總結出了克卜勒三定律(是的,活生生的通過數據猜出來的),成功地預測了一個個天文現象,達到了中世紀天文的高峰。


來看看克卜勒第二定律,說的是,在相等時間內,太陽和運動著的行星的連線所掃過的面積都是相等的:



也就是說,上圖中:



因為要求每塊的面積,而且行星運動曲線往往不是規則的橢圓形,這就對數學提出了一個不好回答的問題。


先不算那麼複雜的面積,簡化一下,看看怎麼求這個曲線下的面積  吧:



2.1 線性近似的思想



阿基米德(前287年-前212年),古希臘數學家、物理學家、發明家、工程師、天文學家。他曾經說過:「給我一個支點,我可以舉起整個地球。」

為了計算圓的面積,阿基米德用內接等邊多邊形去逼近:



多邊形是直線組成的,圓是曲線,所以這種思想叫做「線性近似」,或者「以直代曲」。


2.2 通過矩形來逼近曲面面積


根據「線性近似」的思想,想用矩形來逼近曲線下面積。先把  均分為10份,每份的長度為:



對應的矩形面積之和為:



一般地,把  均分為  份,每份的長度為:



 越大, 越小,逼近效果越好:



可以想見,當  無限接近0時,矩形的面積和就與曲線下的面積相等。


數學家用微積分來命名這樣的計算方法。


其中,微分,指的是  無限接近0時,微小的矩形面積:



積分,指的是把無數這樣微小矩形的面積加起來,以得到曲線下面積:


那麼,什麼是:



在定義什麼是「  無限接近0」時,遇到了真正的困難:



喬治·貝克萊(1685-1753),著名英裔愛爾蘭哲學家,同時為聖公會駐愛爾蘭科克郡克洛因鎮的主教。


貝克萊主教可謂是微積分發展史上的著名「大反派」,他就嘲笑過  似0非0,仿佛一個幽靈,籍此攻擊當時稚嫩的微積分(不過仔細想想,作為一個主教,用數學的思維來攻擊數學,這明明是被神學耽誤了的數學家啊)。


 到底是什麼?什麼又是「  無限接近0」?


這是數學上非常關鍵的一個問題,要等到「極限」出現了才能被真正解決。


 

「如果你能考到60分,就可以當我男朋友。」/《小時代》 



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