應該說,微分和積分為什么互為逆運算,而且為什么通過反求導就能求出區域面積,這大概是在學習微積分的時候,很多人最難理解的一個點。
甚至曾經在很早之前,大家都把微分和積分看作是兩個互不關聯,毫不相關的東西去看待,直到后面出現了牛頓和萊布尼茨。
考慮到證明的過程是很難直觀去理解的,所以李縱才舉了這么一個或許并不太嚴謹,但卻意外好懂的例子,把求積分的圖,當成是瞬間速度變化的圖。
然后求從a到b時間之內,到底走過了多少路程,這是不是就是反求導之后,用大寫的F代表原函數,黃色區域的面積就等于F(b)-F(a)。
這正是計算積分十分重要的一個公式,將連續的需要求和的一條條鉛垂線的過程,轉變成了只需要代入邊界的值,一減就能求出面積。
見兩人還在猶豫,李縱也是把路程等于速度乘以時間,面積等于底邊乘以高,兩者都是乘法的這么一個過程寫了出來,道:“其實我們不必糾結于為什么路程可以看成是面積。”
“我們只需要知道他們都同樣是乘法運算,而且,都是函數關于一滴滴的單位之內,會得到某個值就行了。”
“而且,如果反過來理解,求積分的這個圖,用微分去表述,就可以是,在一滴滴的時間之內,面積的變化率。”
見兩人還在沉思,李縱便繼續道:“那么,假設這種想法是對的,我們已經得知,這兩種運算存在著一種互逆的關系,那么,我們可以怎么使用這種關系?”
“是不是就可以求積分了,積分原本是要把很多很多的鉛垂線的面積加起來,正常來說,我們人是辦不到的,但是如果能把它轉換為微分時的原函數,積分是不是就可以計算了。”
“直接代入兩個邊界的點,一減,答案不就出來了。b點的里程,比如說15里,減去a點的里程,比如說10里,一減,中間的5里,就是我們走過的路程。”
“那么問題來了!這個積分的函數,跟它微分時的原函數,到底存在著一種什么樣的關系。”
“或者說,我現在已經知道了積分的函數了,就是等于y=2x,那么,微分時的原函數,是什么?所以是不是就是一次從微分的結果,反推微分的開頭的這么一個過程。”
“那接下來我們便嘗試著拿一個例子,來求一次微分。”
“比如說原函數y=x²,根據剛剛微分的定義,是不是就可以有以下這個式子:”
“此式子怎么理解,剛剛我們是用t-a的方式,但這樣顯然是算不出來的,所以我們把t換成x+Δx,代表t比a多了那么一滴滴增量,但是這個增量又是無限小,我們定義無限小不等于0,但是它無限趨近于0。”
“接下來便可以對式子進行運算。”
“正如同前面我們說讓t就是等于a,那么很短很短的時間,也就沒有爭議。這個的Δx,我們把他視為是沒有增量,那么這條式子最后,微分出來,等于2x也就沒有爭議了。”
“當然,前提是,我們定義了無限小,是趨向于0。”
“這正好就是微分的結果跟原函數。”
“接下來,我們可以代入一些數字來測試一下。”
“首先明確,y=x²是路程關于時間的函數,y=2x是路程變化率,也就是速度關于時間的函數。”
“現在我要求y=2x在某一段時間內走過的路程,即這個函數在給定邊界范圍的面積。”
“就可以變成求出原函數,然后代入邊界,最后y=1²=1。”
“而反應在y=2x的這個與x、y邊界所圍成的面積,是不是也是,按照三角形的面積公式,底是1,高是2,1×2÷2=1,也等于1。”
“再代入別的數字,x=2,原函數答案是4,y=2x圍成的面積是,2×4÷2=4,也等于4。”
“下面的以此類推,答案完全一樣。”
“甚至就是算梯形的面積,其實也是一樣的。”
李縱用一個很巧合的例子,來說明在給定邊界后,的確可以通過原函數的式子來算出圖形的面積。并且計算出來的面積是完全吻合的,這恰恰印證了前面李縱的假設。
雖說這只是個例,但是,此法足以讓兩人耳目一新。
三角形的面積原來還能這么算,這誰能想到!
然后李縱便道:“其實還有更為嚴格的證明過程,只是便于你們好理解,我也就拿這個作為例子。”
“假設這就是對的!”
“那么,以前我們是不是寫了一條關于圓的方程的式子,是不是也有xy,而且當時我們還算出了邊界,如果我沒有記錯的話,是b點的坐標是四分之一。”
“要是我們也能知道那條圓的方程的式子的原函數,是不是就能夠通過直接代入四分之一,當然,起點是0,所以不用算,去算那個小區域S(ABD)的面積。”
兩人聽完,簡直覺得李縱就是鬼才!
這都能讓李縱想到!
但是……
接下來,等李縱把圓的方程式子寫下來后,這個要怎么求原函數,卻是把所有人都難倒了。
“這個式子,要怎么求原函數。”
“方才,我們是瞎貓碰上死耗子,正好通過微分,算出來是2x,那么接下來什么原函數的微分等于(x-x²),再開根號。”
張公綽兩人立刻都傻眼了。
甚至,看完了這條式子,前面什么微分、積分好像都忘了,這就是所謂的,你看完,你覺得你自己懂了,其實,你什么都不懂。(圖)
“這的確是一條相當復雜的式子,而且微分的過程雖說我們從頭到尾都是知道的,但是我們卻又不可能從后面往前推。”
“尤其還是這種又有減法,甚至還有開平方的式子。”
“這怎么辦?”
“我們化簡一下。”
“這就是結果。”
“然后我們先不管前面的x的二分之一方,我們就看后面的這個,(1-x)的二分之一方,是不是就跟我們之前提到的,那個f(m)的公式長得很像。”
“那我們是不是就可以把這個式子,按照f(m)的式子來展開。”
“最后得到。”
“我們再對這個式子求原函數。”