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【微积分的本质|笔记】绪论——微积分中的核心思想

绪论

说明:相信很多看《本质》系列及阅读笔记的读者之前已经接触过微积分的课程,笔者亦同。

因此这一系列的笔记,我会着重记录一些直观理解以及启发性的观点,忽略公式的记忆和推导部分。


微积分体系中的三个核心知识点

微分、积分以及微分和积分之间的互逆关系
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从微元法和面积近似的角度看圆面积公式的推导

故事的开端从,你为了计算圆的面积,将圆剪成了若干个同心圆环来近似求解,开始。

p.s.将圆拆解的方式有很多种,选择将圆剪成若干个圆环,保留了圆的对称性,这在数学中是一个良好的性质。

如果能为每一个圆环找到一个合适的面积计算公式,通过将所有圆环面积求和即能计算得到整个圆的面积。
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将每一个圆环拉直,在厚度较小时,可以很好地近似成一个长方形——其长为圆的周长,宽为每一个圆环之间的厚度差,其大小取决于你剪裁的粒度。

接下来这个步骤可以很直观地解释“微元法”中——对ds微元面积函数“积分“”就可以得到总面积的观点。
p.s.虽然,作者在视频中讲述的时候并没有提到所谓“微元”、“积分”等概念,但这的确是一个很好的启蒙。

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将圆中每一个圆环单独拎出来,并将圆环拉直成一个类矩形,根据圆环取出的不同位置,可以在数轴上从0到r的位置上将这些矩形块进行排列。

得到上图的分布,因为每一个类矩形的高都是2πr,且横轴就是关于r的分布,因此在二维坐标系中画出y = 2πr的曲线,该曲线下每一个小矩形块的最高点延伸到该曲线上的某一点。

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当矩形块分割得足够细的时候,就可以用该曲线下的面积来等价替换得到圆形的面积。

可行的方法论

  1. 化繁为简,分而治之
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    将一个大的问题进行微小划分,当分割得无限细的时候,这个时候每一个部分就可以称为一个微元。
  1. 用图像下的面积来替代原来问题的解
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不规则曲线下面积的求解思想——引出微积分基本定理

以一个很直观的角度引出了“积分”的概念,也相当于是谈论了为什么数学家需要“积分”这个工具。

积分函数

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如图,若想要求某抛物线下的面积,通过移动x=k这条边界线,面积自然也会发生变化。

想要找到一个函数能够代表,随着x的不同,围成的不同的面积,把这样的函数就称为该曲线对应的函数的积分。

动机:之所以想要找出这样一个函数,不是为了仅仅提出一个数学难题,而是为了能够很好地将问题转化称为求解某图像下的面积。

积分函数的性质

求解积分函数的方法【依然分而治之】

考虑该曲线下围成的面积的变化量:当我把该直线往横轴上进行一点微小移动,来比较该面积的微小变化。

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dA依然可以用一个类矩形来近似代替,从而得到下图中的性质——dA/dx=f(x)
纵然我们不知道A(x)是什么,但是我们知道每一个A(x)具有如上性质。

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导数

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粗略来说,导数衡量的是函数对取值的微小变化的敏感程度。

  • 引出导数的概念,也是因为导数有其用途,尤其是在解决积分问题时——通过明确导数,从而还原出相应的原函数。

微积分基本定理

  • 描述:通过某个图像下方面积函数的导数,能够还原出定义这个图像的函数,就叫做“微积分基本定理”

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  • 意义:将积分和导数这两大概念联系起来。

后记

【官方双语/合集】微积分的本质 - 系列合集P1

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