01 微積分的本質 (1)


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要了解微積分的本質,我們從一個大家都知道的公式說起。這個公式就是求圓的面積公式:A=πr²

 

我們將用微積分的方式來推導這個公式,在這個過程中,我們將利用到微分,積分,和兩者的互逆


首先我們先將一個圓如下圖切分成數個圓環。我們獲得每個圓環的面積,然后將他們相加不就得到圓的面積了。

所以我們以相同的距離dr將圓切分成若干個同心圓環。

比如圓環的半徑是3,dr取0.1 那么我們就將一個圓換分成了30個寬度都是0.1的同心圓環:

每一個圓環拉直會得到一個新的形狀,我們將這個形狀近似看做一個矩形

那么這個矩形的面積就是這個圓環的周長乘以dr,圓環的周長為圓環到圓心的距離*2π

那么每個圓環的近似面積面積就為:2πr*dr(這里的r是每個圓環到圓心的距離)

你會發現我們的dr 取值越小,那么我們計算出來的圓的面積也就越精確。

現在如果我們把所有近似矩從小到大一個接一個的排列在一起,我們會有一些全新的發現:

注意,為了方便觀察我們y軸與x軸的比例為5:1

現在我們去的dr是0.1,而我們取的dr值越小,獲得的圓環的數量就越多,而這些圓環的近似矩形面積相加起來的面積就靠近原來的圓的面積。

若是無限多個圓環,那么我們獲得的近似值越來越靠近真實值。

 

可是我們取的圓環越多,那么計算量不就越大,無限多的就代表根本沒法計算。

但注意,當dr取值無限小的時候,我們將所有圓環的面積加起來與下圖三角形的面積是相同的。

這個三角形的底是3 而高最大圓環的周長,也就是圓的周長:2π*3

如果圓的半徑是r,那么它對應的三角形就是一個底為r,高為2π*r的三角形。根據三角形面積公式,我們得到

圓的面積為:πr²

對於數學家來說,你不光要找到答案,你還想要能發展處解決一般問題的工具和技巧

我們回想一下剛剛發生了什么。為什么這樣做是可行的。這個從近似值到精確值的過程,通過這個過程,我們可以了解微積分的本質。

 

最開我們將問題化解為許多微小值的和,來獲得一個近似的結果。

首先我們取每間隔dr值,取一個圓環。我們將一個圓換分成若干個小圓環,將其近似看成若干個矩形,我們就能獲得近似的圓形面積。

這里的dr 不僅是圓環的寬度,也是每個圓環半徑的間距。

我們將這個這個dr越縮小,dr值取的越小,所有矩形相加的面積就越接近於一個三角形的面積。

我們可以得出結論,原來的原型的面積恰好就是這個三角形的面積。

注意此時已經不是近似值,而是完全准確。

 

用這種方法,我們還可以解決一些其他的問題。

下一小節,我們看看這個方法是如何在其他問題上應用的。

 


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