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微積分的本質(zhì)

 老生常談妙筆生花 2022-07-31 發(fā)布于上海

導(dǎo)論

這個筆記讓你看完了覺得自己也可以發(fā)明微積分,這話對不對我不知道,但是我覺得這個思想很棒,就好似我們面試中常常問到的HashMap的源碼,實際我們理解了精髓之后自己也可以實現(xiàn)我們自己的Map。

詳情可以見:自己寫一個Map

聽人說一件事情,和自己從頭到尾實現(xiàn)一件事情是很不一樣的。本文向你展現(xiàn)這些法則的來源,是很自然的規(guī)律,不要死記硬背,但是練習(xí)計算能力就只能靠你自己了。

你可以窺見 微積分的三個中心思想:積分、微分、兩者互逆。 不過故事開頭很簡單,人物是你和一個圓。你想找出圓的面積。

你在多次嘗試后將它切割成了多個同心圓:我們將厚度用符號 dr替代。這個 dr 越小,最后的結(jié)果就月準確。

當(dāng)這個 dr 越來越小后,整個就仿佛是一個三角形,其中的縫隙已不復(fù)存在。

如果你是一個數(shù)學(xué)家,還想著借此發(fā)展出能解決一般問題的工具和技巧。大量微小的數(shù)值之和來求近似。

積分

導(dǎo)數(shù)的悖論

數(shù)學(xué)法則只要與現(xiàn)實有關(guān),都是不確定的;若是確定的,都與現(xiàn)實無關(guān)。——阿爾伯特·愛因斯坦

悖論就是,先說現(xiàn)實問題,再說數(shù)學(xué)問題。 一瞬間的變化沒有什么道理,但卻是導(dǎo)數(shù)想表達出的含義。這是怎么回事?

現(xiàn)實問題是,汽車上機速度表是怎么計算出來的?瞬時速率 這個概念又是怎樣的?

假如說,一個汽車在行駛,我給他拍了一個照片,那么我可以通過這個照片看出來汽車的速度嗎?顯然不可以。

所以,其實我們還是取一個微小的時間間隔來計算汽車的 瞬時速率 ,也就引出了下圖我們的計算公式:

dt is not“infinitely small”,用了這個小技巧后瞬時速率就有意義了。

用幾何來求導(dǎo)

“他曾沒有足夠的想象力來當(dāng)數(shù)學(xué)家。不過他成了一名詩人,現(xiàn)在過得挺好?!? 一大衛(wèi).希爾伯特

為什么一個微積分的學(xué)生,在大部分時間里面都要糾結(jié)于抽象函數(shù)的導(dǎo)數(shù),而不是在實實在在的考慮變化率的問題,這是因為許多顯示世界中的現(xiàn)象,許多我們想用微積分來分析的實際問題,都需要用到多項式,三角函數(shù),指數(shù)函數(shù)或者其他的純函數(shù)來表達,因此如果你可以熟練的掌握這些技巧,那你就學(xué)到了可以精確的描繪事物變化率的語言。

導(dǎo)數(shù)的實質(zhì)是某個微小量的變化。

下面介紹幾個函數(shù),來加深你的思維理解:

f(x) = x^2

f(x) = x^3

f(x) = sinx

鏈式法則和乘積法則的形象解釋

當(dāng)你的腦海中有了清晰直觀的圖像,不過將世界模型化,你用到的大多數(shù)函數(shù),需要或多或少的混合,組合,微調(diào)這些函數(shù)。所以我們要理解一下復(fù)雜的組合是如何求導(dǎo)的。

我們遇到的函數(shù)一般只會有這三種方式的層疊,它們想變多大變多大,但是你總能得到它。

加法法則

乘積

函數(shù)復(fù)合

鏈式法則,結(jié)合上面的函數(shù)復(fù)合理解。一個一個往里面帶入,剝洋蔥呢。

指數(shù)函數(shù)求導(dǎo)

所以數(shù)學(xué)家們就在想有沒有一個底數(shù)可以使這個系數(shù)為1。

所以就有了這個特殊的常數(shù)e。正是有了這個常數(shù)帶給我們的便捷,任何2t,3t這樣的函數(shù),都可以寫成e的常數(shù)乘t次冪。

隱函數(shù)求導(dǎo)

例如下圖,dx都是我假設(shè)出來的,所以還怎么說dy呢?

所以這種曲線就叫做隱函數(shù)曲線,即滿足某種關(guān)于變量x,y的性質(zhì),所有(x,y)點的集合。而這種有多個變量的表達式求導(dǎo)究竟有什么意思呢?這個奇怪的過程就叫做隱函數(shù)求導(dǎo)。

極限

求導(dǎo)的正式化,極限的ε-δ定義,以及洛必達法則的原理。

處理 0 / 0 極限,1 / 1 極限。某些時候我們可以用一下伯努利法則。

積分與微積分基本定理

積分,求導(dǎo)的運算。給個例子,基于前面的理解這個很容易想明白。

積分可以用來求連續(xù)變量的平均值。我們可以通過這一點來解釋為什么積分和求導(dǎo)互為逆運算。

積分計算面積,微積分的基本定理,看圖也好理解。

高階導(dǎo)數(shù)

位移--》速度--》加速度 就是一個很好的例子。

泰勒級數(shù)

泰勒多項式是一種特別強大的尋找近似值的工具,而泰勒級數(shù)可以給出表示函數(shù)的新方法。

引入:高中物理問題:求單擺最低點表達式

這個cos在這里就很讓人費解,讓我們很難看出單擺和其他的振蕩現(xiàn)象之間的關(guān)系。但是如果你這樣將它近似:

可以將近似的函數(shù)設(shè)置成P(x)的樣子,通過一定會過某點可以確定常量C0,通過某確定點的斜率確定C1。

還可以在這個多項式上加幾個更高次冪的項,來近似更高階的導(dǎo)數(shù)。無論我們的高階項什么樣,都不會影響我們的低階項。(除階乘是因為求導(dǎo)后系數(shù)一次次遞減出來的)。

現(xiàn)在我們用幾何的方式來解釋泰勒多項式的二次項。

而當(dāng)我們計算無窮多項的時候我們就可以說這個泰勒多項式是泰勒級數(shù)了,如果它無限趨近某個值,我們就可以說它是收斂的。但是有的函數(shù)可能到了到高次冪后,部分區(qū)間是近似的,其他的部分會隨著高次冪的遞增 “搖擺”,我們就稱它是發(fā)散的。

擴展

變換的視角,它可以和更高級的微積分知識無縫的轉(zhuǎn)換,來一個例子:

連分數(shù)-趣味題

導(dǎo)數(shù)不能知識看做表示斜率的新函數(shù),而是反映函數(shù)對于輸入值微小變化的敏感程度,而斜率只是用圖像來分析函數(shù)時候的一種體現(xiàn)。

還有一種看導(dǎo)數(shù)的方式,輸入空間在各個區(qū)間內(nèi)被壓縮或者拉伸的程度,一種映射方式(類似倆個數(shù)軸),有點像 線代-行列式 的感覺。

回到上面的問題,我們一般可以替換之后取極限。

用映射的角度來看待這個問題(被驚艷到了)

更新中…………


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  • 本文作者: ML李嘉圖
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