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微积分三板斧

林群(中国科学院院士、计算数学专家)

微积分之所以重要,一是奇特,一是有用。它解决生活中难题,如高铁的瞬时速度、建筑的面积,这些本属“无穷”的计算,不可能实现,但微积分却创造出奇迹,将这些“无穷”的计算变成举手之劳。

而传统教材却将此惊天成果,表达为数百的定理与公式、无尽的证明与推理,令人望而生畏。我们抓纲放细,将之归结为三把斧或三步曲:

一、关键的第一步:瞬时速度怎么算——假传万卷书,真传一案例,一本万利

以高铁为例,若车速都是相同的,则速度=

,若车速在变化,要测瞬时(即每一时刻)速度,就出现

,怎么算?

只能变通为,由一小段路程的平均速度,来算,因为在短时间之内,瞬时速度与平均速度相差不大(没有时间去加速太多∴速度变化不会大)。

为此,大胆设想两者之间的

差别=|平均速度-瞬时速度|,与时间长短成比例

或               

差别≤时间的一个倍数

——(1)

(此情况在多例中发生,故靠得住——见后面例题。)

这时事情显得比较清楚:当时间很短,差别就很小。

二、功夫在第二步:曲边图形的面积怎么算

让(1)×时间

|路程-瞬时速度×时间|≤(时间)2的一个倍数              

——(2)

则相应会有

|路程-速度图的面积|≤(时间)2的一个倍数            

——(3)

(或速度图的面积≈某一时刻速度×时间

最后,反证法又导致基本定理

路程=速度图的面积                         

——(4)

由此能推出(不超四行)

三、奇特的第三步:泰勒公式,将非线性世界尽量“线性化”

以上三步,又称微积分三板斧,可译成以下三公式(5)(6)(7)。

我们提倡数学文风:先文字后符号,先解释后公式,先讲理后定理。

首先,文字译成符号:

路程译成f(x),时间增量h>0,瞬时速度译成g(x)。(2)译成

——(5)

由此会有(3)或 

——(6)

又导致(4)或

——(7)

它表明:面积既然都写出来了,那就是存在;此外,它必等于f(x+h)-f(x),那就是唯一。

结果,油饼面积(二维)变油条高(一维),奇特、有用!

作者:林群、张景中;中国科学院数学与系统科学研究院供稿

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