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微積分能解決哪些問題?

2023年09月10日

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我們總聽說微積分啊微積分,好像非常高大上。
但根據人的天性,我們在學習之前,往往會有一個疑問:
微積分能解決哪些問題?
求瞬時速度(導數)
所謂速度,就是我們跑步時候「快慢」的那個速度。
假設,小明沿直線勻速向前跑步,第1秒離出發點3米,第2秒離出發點6米,依此類推。
那麼,顯然,小明的速度是3米每秒。
之所以如此容易計算,是因為小明是勻速奔跑,距離和時間的關係是:
s = 3t
顯然,直線的斜率是很好求的。
然而,如果小明跑步不是勻速直線,而是變速直線呢?比如:
s = t²
那麼,距離和時間的曲線就變成了這樣:
這時,顯然,每一「瞬間」都有一個速度。
但是,怎麼計算出這個速度呢?
另外,更基礎的是,如何定義「瞬間」呢?
本專欄會給出答案。
求位置(不定積分,或稱為反求導)
這個問題是上文求瞬時速度的逆問題。
假設,已知小明沿直線跑步每時每刻的速度是:
v = t²
那麼,如何計算小明每時每刻的位置(起跑時t = 0,起跑點s = 0)。
本專欄給出了答案。
求里程、求面積(定積分)
這個問題與以上的問題有微妙的差別和聯繫。
同樣,假設,已知小明沿直線跑步,每時每刻的速度是:
v = t²
那麼,小明在5秒至6秒間跑了多遠?
這個問題等效於求一個曲邊圖形的面積,本專欄也會為大家深入剖析。
求弧長
所謂弧長,聽起來高大上,通俗地說就是「線段的長度」。
比如,對於函數:
y = 3,x≥0
其函數圖像是一條水平的射線。
那麼,假設我們要計算0≤x≤1這一段的弧長:
不用算了,顯然,弧長s=1。
又例如,對於函數:
y = 3x,x≥0
其函數圖像是一條傾斜的射線。
假設,我們要計算0≤x≤1這一段的弧長:
也很顯然:
s² = 1² + 3²
因此:
s=√10
上面兩個例子之所以這麼好算,是因為它們都是「直」的。
但是,如果線段是「彎」的呢?比如,對於函數:
y = x²,x≥0
假設,我們要計算0≤x≤1這一段的弧長:
怎麼算?它是彎的啊。
微積分可以算這種彎曲的弧的長度,本專欄將給出方法和背後的原理。
求質量
假設一根鐵絲,密度不是均勻的,即有的部分比較「緻密」,比如鉛;而有的部分比較「輕盈」,比如塑料。
那麼,如果已知每一處的密度,如何求其質量?
這就是「曲線積分」的概念,本專欄也會介紹。
近似平方
假設,我們手上沒有計算器。
現在需要筆算:
1.02334² = ?
如果直接計算,似乎比較複雜、比較耗時。但是,如果用微分,我們就可以直接看出近似的結果。
口算開方
又比如,1附近的開方運算:
如果直接計算,也是比較複雜。
但是,我們可以用微分簡化計算,直接看出結果。
總結
微積分的應用遠不止這些,還有梯度、旋度、散度等多元函數微積分中的概念,都是非常精彩的。
如果感興趣,無論你是高中生還是本科生,無論工科生還是文科生,都能從本專欄的實例中獲益,微積分將為你提供另一個看待世界的角度。
訂閱本專欄,一起開始這段輕鬆而又富有內涵的數學之旅吧!微積分從此不再是一個冰冷的名詞。

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