微积分解说——函数,极限,连续概说

数理土豆饼课程 2024-03-25 14:16:31

现在非常多的微积分教材,第一章都是函数,极限,连续。

数图结合

这和微积分这门学科的起源,发展过程并不相同。 微积分起源于牛顿发表 自然哲学的数学原理,用数学方法和力学原理解释了天体的运行轨道。几十年以后,欧拉在他的著作中,首次使用 f(x) 表示函数,100多年以后,由法国数学家柯西 将现在广泛采用的 极限定义写入教材。现在教材中连续的概念,是建立在极限的基础之上的。

两个重要极限

先讲函数,极限,连续 可以使人们对这些术语有个相同的理解。

牛顿,欧拉 没有采用现在的极限定义,他们的计算结果也是对的,他们用无穷小来说明问题。后来发展出极限定义,主要是因为微积分的应用范围扩大,利用极限概念,方便说明一些概念。

当考虑一个具体问题时,考虑极限和考虑直接无穷小的区别是,极限比无穷小更加体现出细节过程,信息多了,在大多数场合,不容易看出问题的全貌,在实际微积分计算中,大多数情况下采用无穷小思维就可以了,只有少数情况下,才需要深入到极限细节。

各种函数

当一门学科不断发展,应用深入到各个领域时,一些细节问题,就需要考虑和说明。

比如说,某个法律体系规定18岁负完全法律责任,今年是2023年,一个律师遇到 出生于2004年以前的当事人 和 2006年以后的 当事人,不需要关系 年龄计算的细节问题。 但是当遇到2005年出生的当事人,就需要关注年龄计算的细节问题了,是只要2005年12月31日以前出生的 都算18岁,还是按具体生日算,结果就有可能不同。

由无穷小,发展到极限的概念,也是因为一些问题的触发,用极限更有利于说明问题。比如一致连续性相关的问题。

登山没有路,自己探路

这种先讲概念再讲应用的教材和讲解方法,类似于用偏旁部首识字,不是按课文识字,会影响到人们的学习兴趣。让初学者对微积分这门学科的第一印象就是一些奇怪的概念,人为规定的规则。再做一些看起来充满技巧的练习。

实际上,牛顿用无穷小思维,成功地解释和计算了天体的运行轨道,体现了数学方法的强大力量,其思维方式,才是微积分真正的精髓。应该重点体会牛顿是如何化不可能为可能的。

如果剥离了问题的具体应用场景,单纯做一些概念的描述,规则步骤的讲解和练习。会影响好多人的学习兴趣。

学习微积分的目的,除了会套公式进行一些计算以外,应该放在体会当遇到现实问题时,这些先辈数学家是如何找到问题的突破口的。他们当时思维的创新点在哪里,他们这些创新点现在发展成了什么概念和计算方法。后来的数学家又在他们的基础之上,做了什么样的修补,他们的这些创新思维是不是可以继续扩展和一般化,抽象化,用于解决更广泛,更复杂的问题。

从算盘到计算机

先讲概念,再做练习,最后讲应用,这一套流程下来。容易让人认为只要熟悉了概念,做好练习,现实问题就自然解决了。没有首先面对未知问题,没有体会到独立思考问题的过程。容易把学到的概念,计算规则 技巧绝对化。比如现在微积分教材广泛积分的黎曼定义,后来又发展出勒贝格的积分定义,和黎曼定义是不一样的,所以这些定义并不是绝对的。

实际上,数学上重要的创新,大多数是先有实际问题,后来有人想出来计算方法。再后来又由有人把他们的方法总结为概念和计算步骤,编写为教材,进行宣讲。在这个过程中,步骤是清楚了,但是当时真正的创新点和突破口也被掩藏和模糊化了。

履带车轮子不是圆的

第一章(考研数学一大纲第一章)的内容,对熟悉高中知识的朋友来说,实质性的新内容 就是 两个重要极限 sin x /x 以及 (1+1/n)的n 次方。其它都是高中知识的重新叙述。

如果一些初学的朋友 对为什么要考虑趋于无穷小这样的场景感到费解,非常正常。

可以跳过极限,先看导数的几何意义与物理意义。自己考虑一下如果遇到计算瞬时速度和曲线切线这样的问题,该采用什么样是计算方法。

如果对把间断点划分为第一类与第二类有什么意义感到疑惑,也非常正常,可以先掠过这部分内容,等到 学了 傅里叶级数以后,再返回来看这部分内容。

反正现在微积分力学,电磁学,电路计算,信号分析,人工智能。。。各方面都有广泛的应用。这些领域现在还有许多未解决的问题。在学习微积分的过程中,体会先辈数学家思想的深邃之处,或许各位之中,会有人找到问题的下一个突破点。

微积分本身的内容是优美的,具有强大的力量,享受这一个探索过程,也是一件美好的事情。

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