說微積分是圍繞着“極限”展開的。
這種說法不準确。
微積分真正的核心思想,當然也是數學的核心思想,是:
而這一切,跟一個叫作“極限”的東西有關。
什麼是極限?
首先我們想一想函數曲線在某點處切線的斜率問題。這個在中學裡是做不來的。我們會的是,找到過兩個點的直線的斜率,而切線隻過一個點。
微積分裡是這樣解決這個問題的。
我們仍然看過兩個點的直線斜率,要求其中一點是切線過的那個點,第二點則放在曲線上,隻是,要和第一個點很近。
這樣,起碼我們得到了一個切線斜率的近似值。
這裡的指導思想,是将做不到的事情,變成可以做的事,即使不那麼完美。
但是,如果故事僅止步于此,那就沒有必要開設微積分了,在中學就會了。
接下來,我們要做的事情,就是去追求“完美”。
我們讓兩個點不斷接近,直至成為一個點,可以想象,原先過兩個點的割線,最終會變成那個我們要找的切線。
割線變切線
同時,割線斜率的表達式在兩個點最終合攏成一個點之後,将最終達到一個值——切線的斜率。用數學的語言描述,設函數為f(x),兩個點的距離是h,則切線在點x處的斜率可以寫成一個極限:
如果這個極限可以計算的話,我們就可以求切線斜率了!
答案是:可以計算。
目前為止,我們把不能計算的,變成了可以計算的。
但故事到這裡才剛剛開始。因為,這樣的計算一般來說,非常複雜。
不過,我們的指導思想還有一條:可以想辦法把複雜的事情,化成簡單的事情來做。
所以,微積分接下來的事,就是怎麼去簡便的計算極限了。
更準确地講,就是我們如何用極限去算微分,算積分等等。
微分,定積分,泰勒級數
對于微分(導數)和積分,我們須找出計算的簡便而系統的方法,不然其極限将非常難以計算。尤其是定積分的計算,我們發現一個巧妙的方法,使得其關鍵步驟是微分的逆運算,這讓我們對于定積分的計算問題,解決了大半。而對于級數,主要是判斷其收斂性的方法。(級數不需要算極限,隻是需要算導數。)
最後,要理解微積分,你要知道微分,積分,級數都是幹嘛的:
微分是計算函數值的瞬時變化率;積分可以算面積,體積,曲線長度等等;級數則是把函數寫成一個無限項數的“多項式”或“三角函數”的組合形式,以便于函數的近似或分析。
如果這些你都理解了,可以說,你基本搞懂了微積分。
最後補充一下,微積分的工具,還可以從一個自變量的函數擴展到多個自變量的函數。比較類似,但内容更加的豐富。(多元函數的微積分需要一個學期甚至以上的時間來探讨。)
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