牛頓的微積分是用來計算些什麼的呢?在現實中是如何應用的呢?

時間史


有人說對於理工專業領域,微積分就像四則運算。微積分是研究函數的一個數學分支,函數是現代數學最重要的概念之一,函數描述變量之間的關係,淺顯的理解就是一個變了,另一個或者幾個怎麼變。這樣,用函數刻畫複雜多變的世界就是順理成章的了,數學成為理論和現實世界的一道橋樑。

微積分理論可以粗略的分為幾個部分,微分學研究函數的一般性質,積分學解決微分的逆運算,微分方程(包括偏微分方程和積分方程)把函數和代數結合起來,級數和積分變換解決數值計算問題,另外還研究一些特殊函數,這些函數在實踐中有很重要的作用。這些理論都能解決什麼問題呢?下面先舉兩個實踐中的例子。

舉個最簡單的例子,火力發電廠的冷卻塔的外形為什麼要做成彎曲的,而不是像煙囪一樣直上直下的?其中的原因就是冷卻塔體積大,自重非常大,如果直上直下,那麼最下面的建築材料將承受巨大的壓力,以至於承受不了(我們知道,地球上的山峰最高只能達到3萬米,否則最下面的岩石都要融化了)。現在,把冷卻塔的邊緣做成雙曲線的性狀,正好能夠讓每一截面的壓力相等,這樣,冷卻塔就能做的很大了。為什麼會是雙曲線,用於微積分理論幾分鐘之內就能夠解決。

你在看這篇文章的時候是在使用手機或電腦,cpu內部指令需要通過硬件表達,把信號轉換為能夠讓我們感知的信息。前幾天這裡有個探討算法的帖子,很有代表性。Windows系統帶了一個計算器,可以進行一些簡單的計算,比如算對數。計算機是計算是基於加法的,我們常說的多少億次實際上就是指加法運算。那麼,怎麼把計算對數轉換為加法呢?實際上就運用微積分的級數理論,可以把對數函數轉換為一系列乘法和加法運算。

這個兩個例子牽扯的數學知識並不太多,但是已經顯示出微積分非常大的力量。實際上,可以這麼說,基本上現代科學如果沒有微積分,就不能再稱之為科學,這就是高等數學的作用。


誠實的蜜獾


積分英文單詞是 Integral,也有集成、整體等含義。如果沒學過高等數學,會覺得比較深奧;但是理解了以後,發現積分就是“求和”、怎麼求和及一些衍生應用。


舉一個簡單例子。比如下圖來自 Wikipedia,求一條曲線下的面積,一種做法就是分成很多小條,每條又用長方形來近似,然後把小條的面積加起來就行了。分的越細,和真實情況的差別越小,無窮細,則差別無窮小,數學上可以證明這兩者相等。然後面積就有了。





再複雜一點,如何用積分算一個球的體積(假設我們不知道球體積公式),基本思路也是把球切層,切條,用長方體代替,然後再“求和”。求和是關鍵。


知道什麼是積分,用處就很容易列舉出:凡是複雜求和的場合,就可能用到積分。比如什麼邊是曲線的面積,體積,運動軌道;或者任何數學形式類似的問題都可以,比如概率。具體的計算可以用計算機,計算機程序中的大量算法,其實就是採用求和來做積分。誤差只要控制足夠小即可。


舉個更形象的例子。我們通常聽說“某人吃過的鹽比另一個人吃過的米還多”,這其實就是兩個積分的比較。雖然我覺得吃鹽的那個人的壽命會太短,無法超過吃米的那個人的米的積分總量,因為必須吃很多鹽才行。



而如何做積分,則是另一個問題,有一套完整的規則需要學習,我相信看高數書會更好些。認識的很多人當年就是中學自學的。


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