SPzos017

-1.前言

\(\quad\)因为要学生成函数,所以就有了这一片文章,参考于 你也能懂的微积分 ,这里省去一些故事性的讲解,直接总结一下微积分数学方面的知识。

0.微积分的起源

\(\quad\)对于曲线面积的运算

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1.初见积分img

\(\quad\)对于阴影部分的面积表示就是以上微积分,这里的 \(dx\) 是一个无穷小的数, \(a,b\) 表示横坐标 \(x\) 。 也就是:

\[S=\int_a^bf(x)d_x \]

2.曲线和切线

\(\quad\)我们这样定义切线:先随便画一个直线,让这条直线与曲线有两个交点,这样的直线叫割线(仿佛把曲线“割断”了,如下图蓝色的AB)。然后,我们让B点沿着曲线慢慢向A点靠近,直观上,等到B点和A点重合之后,割线AB就变成了曲线在A点的切线

\(\quad\)A、B两点必须无限靠近但又不能重合,这样它们的距离就无限接近0但又不等于0。这是什么?这不就又是无穷小么?

3.初见微分

\(\quad\)我们称 \(d_x,d_y\) 为微分

4.导数

\(\quad\)​显然,我们在曲线的一点上定义了切线,那么在平滑曲线的其它点上也能定义切线。因为每条切线都有一个斜率,所以,曲线上的任何一点都有一个斜率值跟它对应。两个量之间存在一种对应关系,这是什么?这就是函数啊。

\(\quad\)函数y=f(x)不就是告诉我们:给定一个x,就有一个y跟它对应么?现在我们是给定一个点(假设横坐标为x),就有一个斜率dy/dx跟它对应。显然,这也是个函数,这个函数就叫导函数,简称导数

\(\quad\)在中学的时候,我们通常在函数f(x)的右上角加上一撇表示这个函数的导数,那么现在这两种情况就都表示导数

\[f\'(x)=\frac{d_y}{d_x} \]

\(\quad\)举一个例子,对于函数 \(f(x)=x^2\) ,求导过程就是:

\[f(x)=\frac{f(x+dx)-f(x)}{x+dx-x} =\frac{2xd_x+(dx)^2}{d_x}=2x+dx=2x \]

5.导数的意义

\(\quad\)因为导数反映的是一个量变化快慢的程度,这其实就是一种广义的“速度”。

\(\quad\)此外,有了导数,我们就能轻而易举地求一条曲线的极值(极大值或极小值),为什么?因为只要导数不为0,曲线在这里就是在上升(大于0)或者下降(小于0)的,只有导数等于0的地方,才有可能是一个极值点

6.原函数

\(\quad\)如果 s 求导以西变成了 v ,那么 v 反向求导一次可以得到 s ,此时 s 是 v 的原函数。

7.微积分的基本定理

\(\quad\)有了f(x)=x²原函数F(x)以后,怎么去求f(x)x轴01区间里围成的面积呢?原函数具有积分的效果,而积分就是曲线围成的面积,所以原函数也可以表示曲线围成的面积

\(\quad\)因此,我们要求f(x)与x轴01区间内围成的面积,直接用这个代表面积的原函数F(x)在1处的值F(1)减去在0处的值F(0)就完了

8.初见极限

\(\quad\)当且仅当对于任意的ε,存在一个δ>0,使得只要0<|x-a|<δ,就有|f(x)-L|<ε,那么我们就说f(x)在a点的极限为L。记做:

\[\lim_{x\to a}f(x)=L \]

9.积分的重建

\(\quad\)有了ε-δ极限之后,我们就可以刷新一下我们对积分的认知了:从现在起,我们把曲线围成的面积看成是一个极限,而不再是无数个无穷小量的矩形面积之和。于是,我们就说:曲线围成的面积就是这个极限A,它是n个矩形面积之和这个序列Sn的极限。

所以,我们就把这个极限过程表示的面积A定义为函数f(x)从a到b上的积分

\[A=\int_a^bf(x)d_x \]

\(\quad\)这样,我们的积分就成了一个由ε-δ语言精确定义的极限。这里没有那个等于0又不等于0的无穷小量,一切都清清楚楚、明明白白,没有含糊的地方。

10.导数的重建

\(\quad\)积分解决了,微分这边也是一样。有了ε-δ定义之后,我们就再不能把导数看成是两个无穷小量的比值dy/dx),而是:把导数也看成一个极限,对,还是极限

\(\quad\)这个理解起来相对容易,函数在某一点的导数就是这点切线的斜率。我们前面也说了,切线就是当割线的两点不停地靠近,当它们的距离变成无穷小时决定的直线。

\(\quad\)很显然,这个定义是依赖无穷小量的,我们现在要用ε-δ定义极限来代替这个无穷小量。所以,切线就应该被理解为割线的极限,那么切线的斜率(也就是这点的导数)自然就是割线斜率极限,所以导数f(x)’也自然而然地成了一个极限

\(\quad\)由于割线的斜率就是用这两点的纵坐标之差f(x+Δx)-f(x)除以这两点的横坐标之差x+Δx-x=Δx),而导数f(x)’割线斜率极限。那么,我们在割线斜率的前面加一个极限符号就可以表示导数f(x)’了:

\[f\'(x)=\lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x} \]

\(\quad\)这才是导数的真正定义,它是一个极限,而不再是两个无穷小量dydx的商dy/dx。也就是说,按照极限的ε-δ定义,这个导数f(x)’的真正含义是:你任意给一个ε,我都能让割线的斜率与这个值的差比你给的ε更小

11.微分的重建

\(\quad\)莱布尼茨当年认为导数是两个无穷小量dydx,所以他用dy/dx来表示导数。虽然现在导数不再是这个意思,但是莱布尼茨当年精心发明的这一套符号确实是非常好用,于是我们就继续沿用了下来。

\(\quad\)也就是说,我们今天仍然用dy/dx表示导数,但是大家一定要注意,dy/dx在现代语境里是一个极限,不再是两个无穷小量的商

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\(\quad\)微分的严格定义是这样的:对于Δy是否存在着一个关于Δx为线性的无穷小A·Δx(A为常数),使它与Δy的差是较Δx更高阶的无穷小。也就是说,下面这个式子是否成立:

\[\Delta y=d_y+o(\Delta x)=A\Delta x+o(\Delta x) \]

\(\quad\)o(Δx)就表示Δx的高阶无穷小,从字面上理解,高阶无穷小就是比无穷小还无穷小。当Δx慢慢趋向于0的时候,o(Δx)能够比Δx以更快的速度趋向于0。比如当Δx减小为原来的1/10的时候,o(Δx)就减小到了原来的1/100,1/1000甚至更多。

\(\quad\)如果这个式子成立,我们就说函数y=f(x)在这点是可微的dy=A·Δx就是函数的微分。因为这是一个线性函数,所以我们说微分dyΔy线性主部

\(\quad\)举一个例子,我们都知道半径r的圆的面积公式是S=πr²。如果我们让半径增加Δr,那么新的圆的面积就应该写成π(r+Δr)²,那么,增加的面积ΔS就应该等于两个圆的面积之差:

\[\Delta S=\pi(r+\Delta r)^2-\pi r^2=2\pi r\times\Delta r+\pi(\Delta r)^2 \]

\(\quad\)大家看到没有,这个式子就跟我们上面的Δy=A·Δx+o(Δx)是一模一样的。只不过我们把xy换成了rSA在这里就是2πr,这里的π(Δr)²是关于Δr平方项,这不就是所谓的高阶(平方是2阶,Δr是1阶,2比1更高阶)无穷小o(Δx)么?

\(\quad\)所以,它的微分ds就是2πr·Δr这一项:

\[dS=2\pi r\times \Delta r \]

\(\quad\)它的几何意义也很清楚:这就是一个长为2πr(这刚好是圆的周长),宽为Δr矩形的面积,好像是把这个圆“拉直”了所得的矩形的面积

12.结语

\(\quad\)似乎明白又似乎不是很明白,不懂的话,最好还是要去看看那个开头的参考文。

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