微分、差分和變分的概念


作者:知乎用戶
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微分:是當自變量x變化了一點點(dx)而導致了函數(f(x))變化了多少。

比如,國民收入Y=f(c),c是消費,那c變化了dc時,會導致Y變化多少呢?變化dY,這就是微分,而dY/dc就是這個單變量函數的導數。把微分dY視為dx的線性函數,那么導數就是這個線性函數的系數:注意,這個視角甚至可以推廣到微分流形、泛函,等你以后深入學習到更高的層次就會知道,現代數學對於微分的認識是:算子“d”代表着從流形上的n-1-形式場到n-形式場的一種線性映射。這里作個解釋:流形,你就理解為彎曲/扭曲空間,二維流形直觀上你可以理解為曲面,但還是有區別,因為我們說曲面總是想着三維空間中的一張曲面,也就是說,我們默認是把曲面嵌入到三維歐式空間中去的,但流形意味着我們把曲面本身當作空間去研究。流形理論里的“微分”有很多很多:我們說的算子d叫外微分,除此之外還有協變微分/協變導數,李導數,等等。這里就不扯那么遠了。

差分:粗糙地講,就是離散化的微分,即[公式]y。當變化量很微小時,就近似看成dy。差分的概念還是比較初等的,高中就應該接觸不少了。

變分:無限維空間上的微分,我們一般稱之為Frechet微分,其實就是微分在無限維空間的推廣(照搬)。Frechet微分作用於泛函就叫變分。這里就不扯什么泛函分析里的Banach空間微分理論了,簡單說下,泛函是將函數空間(無限維空間)映射到域,就是,把一個函數映射成一個數。打個比方,從A點到B點有無數條路徑,每一條路徑都是一個函數吧?這無數條路徑,每一條函數(路徑)的長度都是一個數,對吧?那你從這無數個路徑當中選一個路徑最短或者最長的,這就是求泛函的極值問題。有一種老的叫法,函數空間的自變量我們稱為宗量(自變函數),宗量變化了一點點而導致了泛函值變化了多少,這其實就是變分。變分,就是微分在函數空間的拓展,其精神內涵是一致的。求解泛函變分的方法主要有古典變分法、動態規划和最優控制


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