微积分到底是什么(微积分连续是什么意思)

微积分其实是两个运算,也就是微分和积分的统称,而微分和积分是逆运算。简单地说,微分就是求导数,表现出来就是函数曲线在某个点上切线的斜率,而积分把需要解决的问题无限细分,比如求面积,就用无......

微积分到底是什么?(微积分连续性是什么意思?)最近在给学生教微积分的时候,遇到了学生的各种问题:

导数不就是微分吗?怎么会有区别呢?

为什么换元求积分还是和导数有关?

求体积的方法这么多,我用哪一种?

..

其实这些问题是很多同学学习时都会有的疑问。毕竟微积分的5分容错率比较高,很大比例的问题可以通过“背”公式来解决。

基本概念的求和公式的含义可以是“不是很清楚”。但是一旦遇到复杂的问题,往往别无选择,只能选择性放弃。

为了解决上述问题,我们需要来弄明白最本质的问题,到底什么是微积分?微积分能用来做什么?

首先我们来看微积分这个词。当我们把它拆开时,它是微分积分。分化,顾名思义,就是把一个整体分割成微小的单元。积分,顾名思义就是把微小的单元累加成一个整体。

微分和积分是两个相反的过程。那么我们如何利用差异化和整合性呢?

1、举一个简单的例子

这是我家的乐高小人。他很帅,但我总觉得他的身体比例不协调(可能是脑袋太大了?)。所以我想测一下他的头和身体的比例,但是怎么测呢?

微积分到底是什么(微积分连续是什么意思)

从上图可以看出,它的身体部位并不是常见的规则图形,所以无法直接测出它的头部或身体的大小。出现这种情况,就需要用差异化,通俗地说就是“拆”!

微积分到底是什么(微积分连续是什么意思)

拆开后可以看到,如果忽略连接处的凸起,拆下来的每一小块都可以近似看成一个长方体,长方体的体积相信大家都很熟悉。

这时候我们就可以计算出每个长方体的体积了。最后把它们加在一起就是我们需要的每一部分的体积。这一步叫做整合。

当然这个小个子是有棱角的,我们可以把他劈成长方体。

但现实生活中的大多数物体的表面都是“圆滑”曲线,若还是把它们微分成方形,是否就失真了呢?

2、为解释以上问题,引入两个概念

概念一:像素

像素由图像的小方块组成。这些正方形有明确的位置和指定的颜色值。正方形的颜色和位置决定了图像的外观。例如,在下面的蜘蛛侠中,每个方块代表一个像素。

微积分到底是什么(微积分连续是什么意思)

概念2:分辨率

通常,图像的分辨率越高,包含的像素越多,图像就越清晰。我们现在每天使用的电脑屏幕都有不同的分辨率。

目前我用来编辑文章的电脑是4K分辨率,也就是说一个屏幕有将近40962160像素。

大部分电脑的分辨率都是1440x900或者2880x1800等等。现在我们可以直接看不同分辨率的效果图,可以和上面的马赛克蜘蛛侠对比。

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128*128

(轮廓流畅,细节模糊)

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2048*2048

(细节完美,光影变化流畅)

从这个对比图中我们可以发现,当我们有足够多的像素,或者说把一张图片微分到足够小的时候,有多少个像素,就相当于微分了多少个单元。

这些小方块的整体和实体会非常接近。其实在128*128的图中,看不出是由小方块组成的。

随着科技的进步,分辨率会逐渐提高。如果未来可以无限细分画面,像素数量将接近无穷大。

最后,小方块的总和将与实体完全相同,因此

解决了“失真”的问题。这就是微积分里近似和极限的思想。

3、从现实的例子回归到微积分题目

1.题目描述

怎么选择方法去计算一个物体的体积?我们来看下面的这个例子。这是16年AP微积分BC里的一道简答题,题目不难,需要计算这个漏斗的体积。

微积分到底是什么(微积分连续是什么意思)

微积分到底是什么(微积分连续是什么意思)

很多同学拿到题目就开始从脑海里检索背过的公式。但是最终不知道用哪个公式。那么正确的思路应该是什么?

2.正确的解题思路

根据前两个例子,我们第一步要想清楚如何去微分,微分的目的是把不熟悉的图形分割成熟悉可以处理的图形。

如果再分割成正方体其实也可以,但是过于复杂,我们学过的常见图形可不止立方体一种,比如在这里我们可以尝试把这个漏斗切分成小薄片。

如下图所示,微分之后我们会发现,每个小薄片都可以看做是一个小的圆柱体,圆柱也是我们非常熟悉的图形。

微积分到底是什么(微积分连续是什么意思)

为了能够看清,薄片画的比较厚

圆柱的体积是πr^2h。在这里h非常小,我们记做dh,每个薄片的体积就可以表示成πr^2dh。

最后,我们只需要将h从0到10的这些小圆柱加在一起,根据我们的经验,只要分割的足够细,这个总和就会与漏斗的体积完全相同。

那么在微积分里,总体积可以表示如下:

微积分到底是什么(微积分连续是什么意思)

最后一步,我们把题目中 r 和 h 的关系代入即可求得结果(此处省略计算结果)。

4、理解原理比背公式和套用公式更加重要

上面这道题是众多体积计算中比较简单的一类,还有很多其他体积计算的问题。AP微积分中需要掌握的是圆盘法,圆柱壳法,固定横截面积的体积计算等等。

除了计算体积,微积分也可以用在很多其他的地方。比如研究变速运动,函数的最值,物体的重心等,甚至有位清华的学生用微积分来研究薯片掉在地上是否还能吃。

微积分其实是两个运算,也就是微分和积分的统称,而微分和积分是逆运算。简单地说,微分就是求导数,表现出来就是函数曲线在某个点上切线的斜率,而积分把需要解决的问题无限细分,比如求面积,就用无......

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