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複雜微積分公式大全

生活 更新时间:2024-09-16 17:49:33

知道了“積分和微分是互逆運算”能給我們帶來什麼呢?答案是:多一種選擇。因為既然積分和微分是互逆運算,那麼有些操作如果積分不擅長,我就可以把它丢給微分。

什麼意思?還是以最開始求曲線圍成的面積為例。我們是這樣求抛物線y=x²與x軸在0到1之間圍成面積的:如果用n個矩形去逼近,每個矩形的底就是1/n,n個矩形的面積之和就是這樣:

複雜微積分公式大全(微積分發展史12:原函數)1

當n趨向于無窮大的時候,後面兩項就等于無窮小,然後結果就隻剩下第一項1/3

用這種方法,面對不同的曲線就得有不同的求和公式,最後還得保證相關項可以變成無窮小丢掉。所以,這種方法的複雜度和局限性都非常大,無法推廣。

但是,在偉大的牛頓和萊布尼茨發現了“積分和微分是互逆運算”之後,這一切就改變了。因為我們有另一種選擇:積分之路如果不好走,我們可以走微分啊。

怎麼走呢?前面講微分的時候,我們計算過f(x)=x²的導數,最終的結果是這樣的:

複雜微積分公式大全(微積分發展史12:原函數)2

那麼反過來,如果我知道有一個函數是f(x)=2x,難道我就猜不出究竟是哪個函數求導之後變成了f(x)=2x麼?當然可以啊,我們完全可以根據f(x)=2x反推出原來的函數是f(x)=x² c。

為什麼這裡多了一個常數c?因為常數求導的結果都是0,所以就多了這樣一個尾巴。

也就是說,f(x)=x²,f(x)=x² 1,f(x)=x² 3等函數的導數都是f(x)=2x,隻憑f(x)=2x我們無法确定最開始函數具體是什麼樣子。但是,我們可以确定它一定就是x²加上一個常數c。于是,我們就把求導之前原來的函數f(x)=x² c稱為的f(x)=2x的原函數

好,下面是關鍵:積分是函數圍成面積的過程,速度v通過積分就得到了位移s,在v-t圖像裡速度v圍成的面積就是位移s;微分是求導的過程,對位移s求一次導數就能夠得到速度v。

有了原函數以後,我們也可以根據速度v把(求導之後等于速度v的)位移s給求出來,這時候位移s就是速度v的原函數(無非就是再加一個常數c)。而原函數表示的位移s就是速度v圍成的面積,于是,原函數就有了求面積(積分)的效果。

複雜微積分公式大全(微積分發展史12:原函數)3

也就是說,s求導一次就變成了v,那麼v反向求導一次就可以得到s,這時候s是v的原函數。另一方面,因為s求導一次能變成了v,那麼v積分一次也能變成了s(互逆運算)。于是,v通過求原函數和積分都能得到s,所以原函數s其實就有了積分(曲線v圍成面積)的效果。

再簡單地說,因為積分和微分是一對互逆運算,所以你反向微分(求原函數)的話,自然就“負負得正”,得到和積分一樣的效果了。

所以,現在求曲線f(x)=x²和x軸在0到1區間裡圍成面積這個原本屬于積分的事情,現在就可以通過反向微分(求原函數)來實現。

這是一次非常華麗的轉變,馬上你就會看到這種新方法會把問題簡化到什麼程度,而且,正是這種力量讓數學發生了根本性的改變

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