微积分思想,学微积分有什么用

首页 > 经验 > 作者:YD1662022-10-26 09:21:58

积分和微分是一对互逆运算,这是微积分最核心的思想。把这个思想用数学语言描述出来就会得到一个定理,这个定理叫微积分基本定理。

这也是牛顿和莱布尼茨在微积分里最重要的发现,因此,微积分基本定理又叫牛顿-莱布尼茨公式。一个定理能够被称为XX基本定理,能够让这个领域的两个发明者直接冠名,这意味着什么,相信大家心里都有数。

那么,这句话到底是什么意思呢?说求面积(积分)和求导(微分)是一对互逆运算到底是在说什么?甚至,什么叫互逆运算?为什么发现“积分和微分是互逆的”这个事情这么重要?

什么是互逆运算?这里我们不去细扣它的定义,就直观地感受一下。从名字来看,互逆互逆,那应该就是有两种运算,一种能够把它变过去,另一种又可以把它变回来。

最常见的就是加法和减法:3 2=5,5-2=3。3加上2可以变成5,反过来,5减去2又可以变回3,所以加法和减法是一对互逆运算,这很好理解。

微积分思想,学微积分有什么用(1)

那么,当我们在说“求面积(积分)和求导(微分)是一对互逆运算”的时候,那就是说如果有一个东西,我们对它进行积分操作(求面积)可以得到一个新东西,如果我们对这个新东西再进行微分操作(求导)又能得到原来的那个东西,这样才算互逆。

下面我给大家举一个简单的例子,让大家直观地感受下为什么积分和微分是互逆的。

微积分思想,学微积分有什么用(2)

大家发现没有:这其实就是积分的过程。前面求曲线围成的面积的时候,我们就是把曲线围成部分的x轴平均分成很多矩形,然后把每个矩形的面积都加起来。这里求家到学校的总距离,一样是把家到学校的时间平均分成很多份,然后把每个小份的距离都加起来。

都是把一个大东西(家到学校的总距离,曲线围成的总面积)平均切成很多份,然后每一小份都用一个新的东西(每一分钟的距离,每一个矩形的面积)去近似,最后再把所有的小份东西加起来去逼近原来的大东西。

求面积的时候,矩形的数量越多,矩形的面积之和就越接近真实面积。同样的,我们把家到学校的10分钟分得越细(例子里只分了10份,我们可以分100份,1000份甚至更多),得到的总距离就越精确。

另外,我们把时间段分得越细,每个小时间段里的平均速度就越接近瞬时速度,如果无穷细分,那么无穷小时间段里的平均速度就可以认为就是瞬时速度了

也就是说,如果知道整个过程中的瞬时速度(或者说是无穷小时间段内的速度),我们就能精确地求出无穷小时间段内的距离,然后把所有距离加起来得到精确的总距离,这就是积分。也就是说,通过积分过程,我们能从瞬时速度求出总距离。

微积分思想,学微积分有什么用(3)

另一方面,要证明微分(求导)是这个过程的逆运算,我们就得证明从总距离可以求出瞬时速度。也就是说,如果已知任意时刻你从家到学校的距离,你通过微分(求导)能把瞬时速度求出来。

这不是显而易见的事么?距离对时间求导,这就是速度啊,前面我们也说了“导数是一种广义的速度”。也就是说:距离除以时间,结果就是速度。你用平均距离除以平均时间得到平均速度,用瞬时距离(某一时刻的距离)除以瞬时时间(无穷小时间片段)自然就得到了瞬时速度。

这样不就完了么,通过积分,我们能从瞬时速度求出总距离来;通过微分,我们能从总距离求出瞬时速度,这就说明积分和微分是一对互逆运算。

微分积分互逆的思想是很自然的,因为整体和部分的辩证统一是自然界最普遍的特性。

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