林群院士:極簡微積分

2021-01-17 和樂數學

編者按:我們曾推過林院士的一些文章,如 《找出酵母,由厚變薄|林群院士談數學教材減負的哲學》,《林群院士:我在廈大的老師李文清(附李文清傳)》。實際上,我們還推過林院士對漫天帽子飛亂象的批評(可惜後來刪除了)。現在國家領導人強調科研評價不惟論文。林群院士有個外號叫「微積分爺爺」。他近年來傾盡全身心血普及微積分。感謝林院士授權推出。



讓我們從微積分書堆爬出來,究竟它在幹什麼?多則惑,主題應集中到一點(即主要矛盾),那應是阿基米德開始抓的面積問題,也是當今日常話題,應屬大眾數學,應滲入中小學教材,列入義務教育。

回顧:

長方形面積=長×寬.

弧形地板(下左)面積怎麼算?若用長方條鋪地板(下右)怎麼也蓋不滿∴ 

弧形面積≠長方條面積之和

微積分破解這道難題,給出精準解法:利用轉換公式,將面積一下轉換到求高(一根高勝過萬根長方條)

油餅的面積 = 另一油條的高(萬物皆數) (1)

(行話:曲線下的面積=另一曲線的高)

這個微積分一個主題(面積)、一個定理(油餅=油條),將用最少概念(如角度)與最短證明(僅2句). 打的閃電戰、速戰速決,屬極簡主義

秘訣何在:究竟油餅轉到哪油條(或曲線下的面積轉到哪曲線的高)?

先猜後證(數學兩種本領:既會猜測,又會證明——這正我們提倡的教學方式)

1. 大眾數學大眾一起猜

第一步:生活體驗、真情實景:求樹高

發明有偶然,或天時地利:旅遊團參觀一棵老樹,導遊說它年年在長高,有測繪人員來測高。樹高怎麼測呢?砍樹量高?爬樹量高?


光明日報(1997-06-27)人民日報(1997-08-06)科普欄目

我用過三角板,知道構造直角三角形的方法,例如取45度角,便得:高=底,不用砍樹或爬樹(數學的力量:未知變已知,精神變物質)


沒想到,樹下的體驗,竟成了微積分的導火線. 這就是

第二步:由求樹高到微積分(量變)

什麼是微積分?千頭萬緒,不必過問細文末節,只要知道它研究曲邊三角形,就會聯想到將它剖分,使之還原為許多小三角板(陰影部分)或「微分的」直角三角形,讓它們緊貼相應的小曲邊三角形. 畫成像就是

再把這些微分(一個個三角板的高)全部加起來代替曲線全高。當剖分不斷在加密,猜想那些縫在迅速減小(如上右),「微分求和」應變成全高。 這時「求和」(已有確定的值)又說成「積分」(不必糾結於積分的囉嗦定義),於是猜出基本定理:

微分的積分=曲線的全高

(憑畫像來猜,看圖識字,終生難忘)。所以基本定理不過是曲線下的「求高術」託爾斯泰《戰爭與和平》的歷史觀正是依靠微積分基本定理:

「只有採取無限小的觀察單位,歷史的微分,並且運用積分的方法(就是得到這些無限小的總和,或微分的積分),我們才有希望了解歷史的規律。」

有人將我們的求高術引入教材與科普書。

微積分「爬山圖」,簡晰易懂,用看不用想

見張景中《不用極限的微積分》以及《全民科學素質學習大綱》(遊春光、謝滿庭執筆)。

以上「微積分求高圖」,想像為「爬山圖」:當山(或上山的纜繩)非常高,這高難算。單體彎彎曲曲,只能走一段再測一段,然後加起來就是總山高。但即使這樣,每一段的高仍然是未知的——把山體看作一個函數,它的具體形式並不知道。於是採取的辦法就是在當前位置作一條切線,然後以切線代替一小段彎曲的山體,進而計算後者的高。還可以看出一個情況:誤差的出現是因為每一小段上用切線代替曲線。如果小段取得特別小,那麼近似的切線就接近真實曲線。更進一步,從變化的角度看,如果小段越來越小,那麼近似山高就越來越接近真實山高。

HKTV《仁心解碼2》

CCTV1《思想的聲音》

https://v.qq.com/x/page/n05502x1u55.html


《科普中國》

https://v.qq.com/x/page/g0533s7rur5.html

第一步求樹高,第二步由樹高帶出山高(量變),但主題(或重點)是面積。

第三步:由山高帶出面積(質變)

求山高靠微分,既然微分=斜率×小底,兩個數相乘,那麼微分就引出一個小長方形面積=斜率×小底。

這裡斜率就是這個小長方形的高。所以每一個微分引出一個小面積.隨著小三角形不斷增多,微分也就不斷增多,小面積也就不斷增多,把這些小面積都加起來應該得到總面積。

或者直接用第二步的求高術:山高,或微分的積分,就是這些小長方形面積的積分,或斜率曲線下的總面積。

下面將山高曲線(上方)對應於斜率曲線(下方),如同一對「連體嬰」

放大後

 

所以,下方就是油餅,上方就是油條,油餅的面積=油條,便一目了然。

總結: 以上只用兩個中學公式:斜率=高/底,長方形面積=長×寬,當取:長=斜率,寬=小底,便使:小長方形面積=斜率×小底=微分,所以猜出總面積=億萬個小面積相加=億萬個微分相加=一條全高,即以一頂億。

:有許多人,一聽「微積分」三個字,就嚇住了……那是因為許多書塞滿了定理與證明,不講道理與發明.以上微積分之旅,由導遊一席話開始,最後又請導遊來講解,只用兩個中學公式,只有說理沒有定理,這應該就是新教學方式的價值所在!

以下細說,針對學過函數 f 與導數(或斜率)f』 的中學生:

曲線 f 的微分=斜率×小高=以斜率為高的小長方形面積

以上兩邊求和:微分相加=小長方形面積相加。

當剖分不斷在加密,左圖那些縫在迅速減小,猜出基本定理的另一解釋:

曲線 f 全高=斜率 f』 曲線下總面積,後者已有一個確定的值,就被表示成積分

或轉換公式(1):油餅 f』 的面積=油條 f 的高。

總結:斜率圖的面積=山高圖的高(所以求面積用斜率的概念)

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