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通俗演義微積分基本定理和公式的推導

怎樣求曲線x²和直線x=0、x=10、x軸圍成的面積?

1 近似、暴力的方法:先分割、後求和

就是把不規則的圖形分割為n個小的規則(梯形或矩形)的圖形,

計算n個小的規則的圖形的面積, 累加起來去近似整體的面積。

如果是這樣的一塊田地, 測量人員要去測量的話, 他們會怎樣做呢?一般會通過一個三角形去近似。 會量一個底為10, 高為70左右的一個三角形, 面積大概是350左右。

如果將區間[0,10]分成10個小區間,

每個小區間的長度dx為1, 在每個小區間[ti,tj]取點ξi(等於ti+0.5), 每個dy=(ti+0.5)², 則將整個面積劃分為10個長方形:

小區間求和的Σ的形式就是:

=0.5²+1.5²+2.5²+3.5²+4.5²+5.5²+6.5²+7.5²+8.5²+9.5²=332.5

2 極限或無窮的方法

引用極限或無窮的概念, 如果上述的dx→0(n→∞), ξi取每個小區間的右端點:

當n→∞, 上述=1000/3

3 定積分的方法

也可以用定積分的形式表示:

dx表示引數在區間[0,10]的微分, x²dx表示整個面積的微分, 符號∫是英文“sum"首字母“s”的拉長, 表示面積微分的累加。

下面我們就一般情形來討論定積分的近似計算問題。

若函數f(x)在區間[a,b]上連續, 則下式定積分存在。

我們將區間[a,b]分成n個長度相等的小區間

每個小區間的長度均為dx=(b-a)/n,

每個小區間任取ξi, 則有

(上限無窮分割或定積分的方法不一定能求出極限值。 )

4 由定積分變上限積分的面積函數

上面的定積分所計算出的都是一個特定的值(注意“定”這個字), 不是一般的函數關聯運算式。 我們需要研究一般規律的函數關聯運算式(不包含符號∫, 這樣就可以不是每次都用極限的方法而用代入的方法可以直接求出)。 能不能找到一個關於x的面積函數, 也就是曲線x²和直線x取任意值、x軸圍成的面積函數, 給出x的值, 即可求出面積。

這樣的面積函數的積分運算式可以表示為:

面積函數F(x)如何用沒有∫符號的運算式表示?可以考慮的思路是, F(x)肯定與曲線函數x²有相關關係。

我們可以考慮x²曲線以外的一般情形y=f(t),

面積函數為A(x), 如下圖:

關鍵在於找出F(x)或A(x)的一般運算式, 這個運算式是積分運算式的替代, 從積分運算式可以看出, 與面積微分f(t)dx或f(x)dx肯定有關係, 是什麼關係呢?

5 由變上限積分的面積函數到一般運算式的面積函數

當積分的上限為x, 在此基礎上, 做引數x和面積函數的微分, 引數x增加一個極小值h(dt):

上圖淡紅色的陰影部分, 當 h 很小的時候幾乎為小豎條, 所以可以用計算長方形面積的方法來估算該豎條的面積, 它的底從x 到x+h, 高從0 到f(x), 所以面積是 h*f(t) , 也就是:

運算式h·f(x)就是面積函數F(x)的微分,函數的微分/引數的微分稱為微商,也稱為導函數或導數,用F‘(x)表示。導數的形式在一定情形比微分的形式更簡潔,微分也可以由導數迂回求得,如上式可有如下推導:

由此可見,曲線函數f(x)的反導數就是面積函數F(x),這就是微積分的基本定理。

上述黑色部分的面積可以表示為:F(x)-F(a),這就是微積分的基本公式。

函數的導數是一個函數的因變數相對於引數變化的快慢,即“變化率”。可以用來求函數的最值、曲線在某一點的切線的斜率、變速運動的瞬時速度。

導數中引入了無窮小與極限的概念,但近似的運算式中卻可以去掉無窮小與極限的符號,讓運算式變得更簡潔,如:

類似的

再回到下式:

x²的反導數為1/3x³,所以上述所需求出的面積為:F(10)-F(0)=1000/3。

當然如果想求曲線x²和直線x=5、x=10、x軸圍成的面積:F(10)-F(5)=1000/3-125/3=875/3=291.6。

6 從變速直線運動中路程函數與速度函數再看導數與積分的關係

設物體沿一直線做變速運動,在時間t時,其路程函數為s(t),速度函數為v(t),則在時間段[T1,T2]內,由定積分定義可知,物體經過的路程為

另一方面,S也可用路程函數s(t)的增量ΔS=S(T2)-S(T1)來表示,從而有關係式


由於S‘(t)=v(t),即路程函數是速度函數v(t)的反導數,定積分由無限求和變成了求差。

如v(t)=t(8-t)

由(t(8-t))'=8-2t=0,求得當t=4m時,物體的最大速度是16m/s。速度v∈[0,16],時間[0,8],路程S粗略估計應該小於16*8=128m。

S(t)=F(t)=∫(t(8-t)dt=4t²-1/3t³

上式符號∫表示不定積分,運算式∫(t(8-t)dt表示求函數t(8-t)的反導數或不定積分。

S=4t²-1/3t³=4*8²-1/3*8³=85.33m

reference:

「微積分基本定理」圖解普林斯頓微積分讀本14

3blue1brown.com:微積分的本質,積分,導數的基本定理

3blue1brown.com:積分與微積分基本定理,積分是什麼?

微積分基本定理(一)

之微積分基本定理(二)

單維彰:微積分入門

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引數x增加一個極小值h(dt):

上圖淡紅色的陰影部分, 當 h 很小的時候幾乎為小豎條, 所以可以用計算長方形面積的方法來估算該豎條的面積, 它的底從x 到x+h, 高從0 到f(x), 所以面積是 h*f(t) , 也就是:

運算式h·f(x)就是面積函數F(x)的微分,函數的微分/引數的微分稱為微商,也稱為導函數或導數,用F‘(x)表示。導數的形式在一定情形比微分的形式更簡潔,微分也可以由導數迂回求得,如上式可有如下推導:

由此可見,曲線函數f(x)的反導數就是面積函數F(x),這就是微積分的基本定理。

上述黑色部分的面積可以表示為:F(x)-F(a),這就是微積分的基本公式。

函數的導數是一個函數的因變數相對於引數變化的快慢,即“變化率”。可以用來求函數的最值、曲線在某一點的切線的斜率、變速運動的瞬時速度。

導數中引入了無窮小與極限的概念,但近似的運算式中卻可以去掉無窮小與極限的符號,讓運算式變得更簡潔,如:

類似的

再回到下式:

x²的反導數為1/3x³,所以上述所需求出的面積為:F(10)-F(0)=1000/3。

當然如果想求曲線x²和直線x=5、x=10、x軸圍成的面積:F(10)-F(5)=1000/3-125/3=875/3=291.6。

6 從變速直線運動中路程函數與速度函數再看導數與積分的關係

設物體沿一直線做變速運動,在時間t時,其路程函數為s(t),速度函數為v(t),則在時間段[T1,T2]內,由定積分定義可知,物體經過的路程為

另一方面,S也可用路程函數s(t)的增量ΔS=S(T2)-S(T1)來表示,從而有關係式


由於S‘(t)=v(t),即路程函數是速度函數v(t)的反導數,定積分由無限求和變成了求差。

如v(t)=t(8-t)

由(t(8-t))'=8-2t=0,求得當t=4m時,物體的最大速度是16m/s。速度v∈[0,16],時間[0,8],路程S粗略估計應該小於16*8=128m。

S(t)=F(t)=∫(t(8-t)dt=4t²-1/3t³

上式符號∫表示不定積分,運算式∫(t(8-t)dt表示求函數t(8-t)的反導數或不定積分。

S=4t²-1/3t³=4*8²-1/3*8³=85.33m

reference:

「微積分基本定理」圖解普林斯頓微積分讀本14

3blue1brown.com:微積分的本質,積分,導數的基本定理

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單維彰:微積分入門

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