提起数学,很多人都会觉得瑟瑟发抖。怎么才能学好数学?大家都知道,微积分是一切高级数学的基本功,你翻开一本教课书,讲解微积分要用好几百页。怎样才能学好微积分?不是读万卷书,不是走万里路,而是尽量“投机取巧”…
出品:"SELF格致论道讲坛"公众号(ID:SELFtalks)
以下内容为中国科学院院士林群演讲实录:
聊聊各个阶段的数学林群:各位听众,今天很有幸能跟各位谈论一点有关数学的事情。
数学知识太多了,我们不可能统统掌握,所以只能在众多的数学分支里面,挑选那些最重要的进行学习。
什么是最重要的呢?比如说我们小学学的算术,那是人类几万年智慧的结晶。小学念完念中学,中学是简单的代数,也相当于算术的发展,还有一些初等的几何学,这是人类几千年的智慧结晶,所以我们要学。
中学念完念大学,大学学什么呢?大学主要学微积分和线性代数,这个是人类几百年探索的结果。
总而言之,人类留下的财富需要我们站在巨人的肩膀上来吃透它,消化它。所以我们必须学习,否则就要回到黑暗中重新探讨,那太可怕了。
我想引用哈佛大学数学系教授邱成桐的讲话。听说他经常告诫学生,“要学好微积分和线性代数,归根结底一切高级的数学都是微积分和线性代数的各种变化。”
所以,我们学习必须有重点,不能够铺开学,太多了,反而学不好。“多则少”,你想学很多,你得到很少;反过来“少则多”,如果你学得很少,比如你就学一点小学数学,学一点中学数学,再学一点大学数学,大学数学就是指微积分和线性代数,这些学习内容对我们的一生都是非常有助益的。
我再重复一遍,多则少!大家不要什么都学,不要学得很多,也不要做很多。现在有各种活动吸引我们,但是我觉得对于学习来说,这些只能起到辅助的作用。
最重要的还是在课堂上学习,把正课学好。把小学的数学,最简单的算术学好,把中学数学最简单的代数和几何学好,把大学的数学学好,就是把微积分和线性代数学好,这是最重要的。
然后,在接下来的工作中再发展,继续学习,因为学无止境。这是第一点意见,供各位家长和学生参考。
怎样学习数学怎么学习数学呢?数学太难了,我是最怕数学的,我们一家人都怕数学,我认识很多朋友,包括各种各样工作场合,都最怕数学。
所以数学怎么学,是我很苦恼的问题。我是经常在心里面思考这个问题的。
刚才我说了,邱成桐先生认为,微积分是一切高级数学的基本功。但是,微积分怎么学呢?你翻开一本教课书,讲解微积分要用好几百页。
我从50年前就开始学微积分了,但是看一些教课书,我看得晕头转向,讲的内容太多了。
许多教科书很烦琐,大家要警惕。所以我们要把微积分学好,不是读万卷书,不是走万里路,而是尽量“投机取巧”。
我认为学微积分跟学别的数学一样,“假传万卷书,真传一案例”,把一个案例学好,你就把整个微积分的精神掌握了。
学习微积分用什么案例呢?应该用我们平常生活里经常见到、经常用到的案例。
比如我们经常坐高铁,高铁车厢里头有一个标志显示当前的时速是多少,也就是一小时走多远。速度就是路程除以时间。
我们经过天津站的时候,就显示时速多少,经过大连站时也会显示时速多少。时速是什么意思呢?就是指某一时刻的速度,某一时刻的速度是什么意思?
你看,那个时刻不动,时间等于零,没有时间,火车不能运行,所谓当时的速度,你仔细想想,是一个0除以0的问题,没有时间,就没有路程。那么路程比时间,速度就是0比0。0比0的问题是很严重的,使得牛顿这样的大物理学家都觉得伤脑筋。
但是牛顿很聪明,他想出了办法计算瞬时速度。他设想,火车在很短的时间里,走过很短的距离,因为时间很短,火车没有时间加速,所以它的瞬时速度应该是可以这么计算的,把它变换成一个在很短的时间里面走过的很短路程。
微积分说明书
大家好好想想看,时间很短,火车没有时间加速,所以,速度只有很小的变化,用这个办法来计算,我这里写的,小路程,由x点跑到x h点,很短的时间内,瞬时速度变化很小,因为没有时间变化,时间太短了,瞬时速度很小。
瞬时速度 小变化,再乘以短时间,小路程是这么算出来的,小路程是瞬时速度 小变化,然后再乘以短时间。把它分开,小学的算术学过了,(A B)×C=A×C B×C,瞬时速度×短时间 小变化×短时间,时间缩短以后,小变化就很小,基本上被消灭掉。
全路程就是小路程加起来,小路程加起来是什么意思呢?就是瞬时速度×短时间,加起来,再加上小变化×短时间,短时间加起就是总时间。
比如说北京到上海是一小时,一小时就是总时间。总时间是固定的,比如说一小时,总时间乘以小变化还是很小,因为时间是固定的,时间不变,就是一小时,乘以小变化,还是小变化。
总而言之,全路程是瞬时速度乘以短时间相加,再加上小变化乘以总时间,小变化乘总时间还是小变化,因为总时间是固定的。
比如说一小时,小变化乘一小时,还是小变化。通常是这样,如果瞬时速度不断走,短时间加起来,积累得很多,就是积分了。这个是等于把小学、中学的数学,到大学换了一个名词。
小学的数学跟大学的数学、初等数学和高等数学,本质的区别不大,但是要换一个称呼,把原来的相加变成积分了。
这样的话,就变成一个速度×时间的积分,然后加上小变化×总时间。如果时间不断缩短,小变化就没有了,整个就是速度×时间的积分,也就是路程是速度×时间的积分。这样子就是大学微积分的制高点了,有了这个制高点就好办了。
以火车的瞬时速度为案例讲这么多,是希望把整个微积分展开在你面前,面对案例要认真分析,认真思考,看以下附录。