你也能懂的微积分,自学微积分智商要多高

首页 > 经验 > 作者:YD1662022-11-14 03:11:01

这条抛物线直线BC围成了一个弓形(形状像一把弓箭,涂了颜色的部分),这个弓形的面积要怎么求呢?阿基米德的想法是用无数个三角形去逼近这个弓形,就好像我们用很多三角形的瓷砖去铺满这块弓形的地板一样。


他先画了一个蓝色的大三角形ABC(这个三角形并不是随意画的,抛物线A点处的切线必须跟BC平行。这里我们不细究,只要知道能够画出这样一个三角形就行)。当然,这个三角形ABC的面积肯定比弓形的面积小,小多少呢?显而易见,小了左右两边两个小弓形的面积。


如果我们能把这两个小弓形的面积求出来,加上三角形ABC就可以求出原来大弓形的面积了。但是,如何求这两个小弓形的面积呢?答案是:继续用三角形去逼近


于是,阿基米德又使用同样的方法,在这两个小弓形里画了两个绿色的三角形。同样的,在这两个小弓形被两个绿色三角形填充之后,我们又多出了四个弓形,然后我们又用四个黄色的三角形去填充剩余的弓形……

你也能懂的微积分,自学微积分智商要多高(5)

很显然,这个过程可以无限重复下去。我们可以用1个蓝色,2个绿色的,4个黄色的,8个红色的等无穷多个三角形来逼近这个弓形。我们也能很直观地感觉到:我们使用的三角形越多,这些三角形的面积之和就越接近大弓形的面积。用三角形的面积之和来逼近这个弓形面积,这我没意见,但关键是你要怎样求这么多三角形(甚至是无穷多个三角形)的面积呢


这就是阿基米德厉害的地方,他发现:每次新画的三角形的面积都是上一轮三角形面积的1/4。也就是说,2绿色三角形的面积之和刚好是1蓝色三角形面积的1/44个黄色的三角形的面积之和刚好是2个绿色三角形的1/4,那么就是1个蓝色三角形面积的1/16,也就是(1/4)²……


如果我们把所有三角形的面积都折算成第一个蓝色三角形ABC(用△ABC表示)的面积,那么大弓形的面积S就可以这样表示:

S=△ABC (1/4)△ABC (1/4)²△ABC (1/4)³△ABC……


这东西放在今天就是一个简单的无穷级数求和问题,但阿基米德是古希腊人,那是秦始皇都还没统一中国的年代,什么高等数学更是不存在的,怎么办呢?


阿基米德计算了几项,直觉告诉他这个结果在不断地逼近(4/3)△ABC,也就是说你用的三角形越多,面积S就越接近(4/3)△ABC。于是阿基米德就猜测:如果我把无穷多个三角形的面积都加起来,这个结果应该刚好等于(4/3)△ABC


当然,光猜测是不行的,数学需要的是严格的证明,然后阿基米德就给出了证明。他证明如果面积S大于(4/3)△ABC会出现矛盾,再证明如果它小于(4/3)△ABC也会出现矛盾,所以这个面积S就只能等于(4/3)△ABC,证毕。


就这样,阿基米德就严格地求出了抛物线和直线围成的弓形的面积等于△ABC的4/3,他使用的这种方法被称为“穷竭法”。


02一千年以后



时光荏苒,再见已经是一千八百年后的十七世纪了。


穷竭法可以精确地算出一些曲线围成的面积,但是它有个问题:穷竭法对于不同曲线围成的面积使用不同的图形去逼近。比如上面使用的是三角形,在其它地方就可能使用其它图形,不同图形证明技巧就会不一样,这样就比较麻烦。


到了十七世纪,大家就统一使用矩形(长方形)来做逼近:不管你是什么曲线围成的图形,我都用无数个矩形来逼近你,而且都沿着x轴来做切割。这样操作上就简单多了。


还是以抛物线为例,这次我们考虑最简单的抛物线y=x²,它的图像大概就是下面这样(每取一个x的值,y的值都是它的平方),我们来具体算一算这条抛物线在01之间与x轴围成的面积是多少。

你也能懂的微积分,自学微积分智商要多高(6)

我们用矩形来逼近原图形,容易想象,矩形的数量越多,这些矩形的面积之和就越接近曲线围成的面积。这个思路跟穷竭法类似,但是更容易理解。


我们假设0到1之间被平均分成了n份,那么每一份的宽度就是1/n。而矩形的高度就是函数的纵坐标的值,纵坐标可以通过y=x²很容易算出来。于是,我们就知道,第1个矩形的高度(1/n)²,第2个为(2/n)²,第3个为(3/n)²……


有了宽和高,把它们乘起来就是矩形的面积。于是,所有矩形的面积之和S就可以写成这样:

你也能懂的微积分,自学微积分智商要多高(7)

这只是一段普通的化简,相信大家只要知道平方和公式是下面这样就秒懂了:

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