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初學微積分,最關鍵的點是導數。
有的同學是通過運動學認識導數的,瞬時速度v就是位移s=f(t)的導數。
有的同學是從切線的斜率入手學習導數的,如下圖。
對于曲線y=f(x)的割線MN,當MN繞N點轉動使得點M無限接近N點或∠φ無限接近∠ɑ,割線MN的斜率的極限值k=tg∠ɑ(過N點的切線的斜率)即為函數y=f(x)的導數。
由此,導數有這樣的定義:
當自變量的增量趨于零時,因變量的增量與自變量的增量之商的極限。一個函數存在導數時,稱這個函數可導或者可微分。記作y'或f'(x)。
即
從上面的式子可以看出來,導數是個極限值。可能是極限求值的過程天然地具有動态屬性,使得許多同學本能的将導數與“運動的”和“變化的”聯系起來。這當然是正确的,書上也是這樣講的嘛。
但是,導數也有靜态的一面,它可以幫助我們更好地理解微分與積分的互逆關系。
我們以一個簡單的函數y=x²為例,求它的導數:
我們用0來替代無窮小△x,并假定0可以被除(0當然是不能被除的,僅是假定)。那麼,不用極限運算,也可以得出它的導數:
看,結果是一樣的。
對于導數計算中的無窮小△x,我們可以有另一種理解,它是可以被除的0。從空間角度來講,求函數的導數這件事,就發生在一個點那麼小的空間裡,尺度大小接近于0,連局部線性化都算不上(微分f'(x)△x才是局部線性化的結果,而且這個△x并不接近于0)。
我們完全可以把一個函數的導數,看作是構成函數曲線的各點的狀态,而且是靜态的。這種狀态在平面坐标系是看不見的,我們需要給它增加一個維度。
将函數F(x)=x²放到三維坐标系中,在X0Y平面上繪制函數曲線F(x)=x²。然後,在曲線y=x²上向Z軸方向繪制直線,長度等于它的導數f(x)=2x的值。将這些直線投影到X0Z平面上,會得到一個三角形,如下圖:
為了方便觀察,我們再給一個Z軸朝上的:
這個三角形恰好是由導函數f=2x和X軸在區間x∈[0,3]上圍合出來。
可見,導函數f(x)和原函數F(x)是一一對應的關系。
這樣來看,微積分也很簡單的嘛。将微積分原理解構為三個部分:導函數f(x)負責描述過程,打通導函數f(x)與函數F(x)的對應關系,原函數F(x)負責運算。
學好高數第一步:讓我們愉快地求導吧!
有話要說...