用生活中通俗易懂的语言描述微积分为:
微分:圆角的桌角的局部放大后近似于平直的,于是膝盖撞上去不会很痛;
积分:土豆的体积近似等于其切出来的土豆条按照长方体计算的体积之和,土豆条切的越细,越准确。
更具体的描述如下:
微积分分为微分和积分两部分,首先,我们来讨论什么是微分?
考虑下面的两个曲线,
某些生活经验告诉我们,两个曲线在A点处的特性不同:
蓝色曲线A点处是圆润的;
绿色曲线A点处是棱角的;
进一步,我们在两个曲线A点处用直尺画一条直线,然后放大A点附近的局部:
观察发现,随着局部的不断放大,两种特性的差异表现明显,在A点处圆润的蓝色曲线和直线越来越贴近,而A点处棱角的绿色曲线则和直线毫不相干。
蓝色曲线在A点处的表现,就是微分,具体的数学描述如下:
设蓝色曲线的对应的函数是f,A点的坐标是),则可以再A处做一个局部坐标X'AY':
局部坐标X'AY'下,蓝色曲线的函数为:
Δf=f-f①
称其为函数f在A点处的变化率,而直线的函数为:
l=kΔx②
其中k为常数,表示直线的斜率。
根据,上面的分析,我们知道随着Δx的减小,Δf和l越来越贴近,也就是说,它们的差Δf-l也会越来越小。那么具体,如果描述这种贴近呢?
很自然我们会想到:
当Δx趋近于0时,Δf-l也趋近于0。③
但是,这用来描述贴近,显然不够,因为考虑绿色曲线,
发现Δf-l=Δx,也满足当Δx趋近于0时,Δf-l也趋近于0,但显然它们不贴近。于是我们对上面的描述,进行调整:
当Δx趋近于0时,-l)/Δx也趋近于0③‘
这样,对于绿色曲线-l)/Δx=显然是非零常数,就被排除了。
令o=Δf-l称为Δx的高阶无穷小量,并将,③‘写成极限形式为:
于是最终得到:
这个公式就是函数f在A点处的微分。
由④,①和②有:
等式两边取极限,再根据③'得到:
令,
称f'为f在A处的导数,当A点取满f的整个定义域时,称f'为f的导函数,f为f'的原函数。
至此,微分就讨论完毕,接着,我们讨论什么是积分?
积分又分为:不定积分和定积分,先说不定积分。
设f是函数F的导函数,即,f=F',现在已知f求原函数F,令,
称为不定积分。
也就是说,不定积分,就是求导的逆运算。
然后是,定积分也称为黎曼积分,我们看一则故事:
自从阿基米德发明排水法后,测量不规则物体的体积已经不是问题。有一天,阿基米德去餐馆吃午餐结果忘了带钱,刚好老板也是一个数学爱好者,于是老板对阿基米德说:“如果阿基米德先生可以只用带刻度的直尺测量出土豆的体积,这一顿就免费”。阿基米德最近正在用割圆法计算圆周率,于是很快找到了解决问题的方法:
只见他,迅速用直尺的将土豆切成土豆条,然后将每个土豆条近似当做长方体,用直尺量出其长宽高,进而计算出每个土豆条的近似体积,最后将所有土豆条的体积加起来就是整个土豆的体积。
餐馆老板,提出质疑,认为将土豆条近似的当做长方体,不准确。阿基米德,反问到:
如果,我将每个土豆条在改刀成更细的土豆条,是不是就更精确了?
餐馆老板,想了一想,土豆条不准确,就是因为两端是土豆的不规则表面,如果土豆条根细,那么规则表面的面积就会更小,误差就会更新。于是回答:是
阿基米德,接着解释:既然,将土豆条继续细分,就会得到更高的精度,那么无限细分下去,总可以得到准确的值。
餐馆老板虽然不得不承认这个结果,仍然不满意,他认为:这样无限细分下去,无法结束,因此最终还是得不到这个准确的值。
阿基米德,接着说:在现实中,当然不能,但是在数学中就可以了。
可是餐馆老板,依旧不买账,正当两人争执的不可开交时,旁边桌子上,一个年轻人站了起来,说:二位不要争论了,我愿意为这位阿基米德先生付钱。
于是,阿基米德吃完免费的吃午,回去继续计算他的圆周率去了。
而这个年轻人,也马上也返回了自己的住所,并按照阿基米德想法,用数学的方法对切土豆进行了描述,这就是:黎曼积分。这个年轻人就是黎曼。
最简单的黎曼积分可以用于计算函数f和X轴在区间[a,b]之间围成的曲边梯形面积,
我们在a和b之间插入一系列点:
a=x?
这样将一个大的曲边梯形Λ=ay?y_nb分割为一系列小的曲边梯形:
δ?,...δ_n
其中,任意小曲边梯形δ?=x???y???y?x?的面积近似于小矩形σ?=x???y’???y‘?x?的面积:
S?=fΔx?
这里,ξ?是x???和x?之间任意一点,Δx?=x?-x???。
于是Λ的面积S就近似为,这些小矩形的面积之和:
让,λ=max{Δx?,...,Δx_n},则当λ→0时,S'→S,记为:
这就黎曼积分。
注意:黎曼积分还可以扩展为勒贝格积分,但是这牵扯测度论,比较复杂,不适合这里讨论。
最后,是著名的牛顿-莱布尼兹公式:
它将不定积分和定积分关联在一起。
诚如故事所述的那样,黎曼积分不仅可以用于计算曲边梯形面积,还可以计算三维物体的体积,当然还可以计算,更高维度物体的体积,曲线的质量,物体沿曲线做的功,另外,微分也还可以扩展到多维函数和向量函数的情况,这些内容属于《多元微积分》其基本原理和上面所述的《一元微积分》类似,这里就不展开讨论了。