微积分的本质

作者: 何同尘 | 来源:发表于2018-12-30 22:26 被阅读41次

四天的内容被我一天写了,有点难以言词。

微分

还记得我们刚接触高数时先学的是什么吗?极限。极限这个名词从字面意思十分简单,就是到最终的临近状态,只可意会不可言传。然而在数学中确实不容易理解。很多初学者并不是很明白那种状态,再加上国内教育就是堆公式、推定理,基本没有多少人真正的理解。

不过从微分开始学习也是不错的,什么是微分?微分就是一个微小的数,连续和离散可以描述我们整个世界,当我们把连续的东西划分为非常小离散的部分,就可以计算连续的东西。微分就是这种思想。当牛顿和莱布尼兹遇到天体运动上的连续运算时,就发明了微积分,当时命名为流数。

瞬间的状态是否有意义?从一张照片上你能看出那一辆车的速度更快吗?Oh,当然不能,从数学哲学的角度来看,瞬间的状态是没有意义的。只有联系到前后的状态才有意义。我们说小车某一刻的瞬时速度并不是一个真正的时刻速度(no mean),而是在那非常小的一段时间里速度。也就是v = \frac{dx}{dt} 汽车在非常短的时间里(dt)行驶的距离为dx。这就是所谓的微分。

导数

好像在说明微分的时候不小心把导数讲到了,导数有很多种理解,函数在某一处的斜率,函数在某一处的变化率。说到导数又联系到极限了,导数的定义就用到了极限如下:f(x)' = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(x+\Delta x) - f(x)}{\Delta x}
解释就是我们在x处的微分间隔趋紧于0。

积分

积分就是微分的相反,我们可以通过微分和导数、极限来计算连续状态中在任意一个瞬间时刻的状态,它的几阶变换率(行程---速度-加速度-冲击度),而积分我们是想要了解总体的状态,比如说面积,体积,总行程,释放量。总而言之,表示一种累积量。积分就是有限(并不是无限,至少在CS学科上不能是无限)个小量的加和。
like this : \sum_0^n v(t)_idt
n 是有限的正实数,有限分割的小段距离就可以近似为总行程。当时间分割的非常小时,我们需要更换一个更好的符号,表示这是积分.
like this : \int_a^b{v(t)dt} 表示从时间a到时间b的小量相加。

级数

对于一个曲线(函数),或许我们可以用多项式去拟合一下,我们得先考虑从哪里开始拟合,for example: e^x 从x = 0处如何? 为了保证在x=0点重合,我们需要多项式:f(0) = b_0 + b_1(0) + b_2(0) +b_3(0)...=1 因此 b_0=1为了保证在x = 0两侧函数的上升和下降趋势相同,我们需要多项式:f(0)' = 1b_1 + 2b_2(0)^1+3b_3(0)^2... =((e^x)' when \quad x = 0) = 1 因此:b_1=1
为了更高的拟合程度,保证更高阶的导数相同。
同理可推出:
b_2=\frac{1}{2} \\ b_3 = \frac{1}{6}\\ b_4 = \frac{1}{24}\\ b_n = \frac{1}{n!}
当这种展开推广到无限项时,就称之为级数
上述这种特殊的在0处展开的形式称之为麦克劳林级数
更一般的任意点展开称之为泰勒级数

有些函数任意点可以推广到整个函数空间。e^x就是其中一个,任一点展开的形式都是适用的,我们称之为收敛级数。相反,有些函数的展开点是有适用范围的,范围称之为 收敛半径,比如log(x),我们称之为发散级数.

其他

more and more 知识,微积分确实是科学研究中不可缺少的工具,我们不必避之如虎,深入理解其中道理,绝不会像高数课那样无聊,你会发现,一切都是那么自然!

参考:3blue1brown 感兴趣的去了解一下。

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