宏觀的世界滿布崎嶇,微觀的盡頭沒有彎曲

在用微積分的方法,求一個曲線四邊形的面積時,我們會將它進行了無限分割。每一個無限小的分割單元,我們把它看作是一個無限近似的矩形。進而,求得一個矩形的面積:

f'(x)Δxf'(x)會對應一個原函數y=f(x),那麼,f'(x)Δx就是原函數y=f(x)的微分。

我們以函數曲線y=x^2+1為例在區間x∈[0,2]上,圍合成一個曲線四邊形,如下圖:


宏觀的世界滿布崎嶇,微觀的盡頭沒有彎曲

圖一

x 處,我們求得微分(x^2+1)*Δx。然後,進行積分,就求得:

S= ∫(x^2+1)*dx,x∈[0,2]=1/3*2^3+2=14/3。

我們回頭再仔細看一遍圖一。有眼力好的,一定看到了那塊藍色的細小圖形。在計算微分時,它是被忽略掉的。

那麼問題來了,它是更像三角形,還是長方形?

圖形太小,我們放大了來看,如下圖:


宏觀的世界滿布崎嶇,微觀的盡頭沒有彎曲

圖二

我要說它是個長方形,你信嗎

好吧,我們換個簡單好計算的圖形,來分析一下。


宏觀的世界滿布崎嶇,微觀的盡頭沒有彎曲

如上圖,同樣的區間x∈[0,2]上,函數曲線

y=x圍合成一個等邊直角三角形

我們先用微積分的方法,在宏觀維度強行推演一下計算過程。

我們把x∈[0,2]分成10等分,那麼一共有10Δx,每個Δx=0.2。

在微積分的方法下,綠色小三角是要被忽略掉的面積,而藍色的長方形是另外增加的面積。因為在x=2的後面還有一個增量Δx,所以要被積分的微分x*Δx,其實有11個。

我們分別計算一下,綠色小三角形面積之和s1與藍色長形的面積s2

s1=1/2*Δx*Δx*10=5Δx^2=0.2;

s2=2*Δx=0.4; 結果s2=2s1。

微積分的方法告訴我們,只要往無限小的維度推進,綠色小三角形面積之和一定要等於藍色長方形的面積

而現在,兩者的面積比例恰好是1:2。如果,我們把綠色小三角形把當正方形算,那s1是不是就可以等於s2

回到圖一,我們作一次嚴格點的計算。

再次強度一下,雖然區間x∈[0,2]被分割成了N等分,但總體被積的微分單元是N+1個,如下圖:

宏觀的世界滿布崎嶇,微觀的盡頭沒有彎曲

n+1個微分單元(紫色)的面積:a=(x^2+1)*Δx=(2^2+1)*Δx=5Δx。

被忽略掉的圖形(藍色),我們暫時按三角形看待,它的面積通式:Δb=1/2{[(x+Δx)^2+1]-(x^2+1)}*Δx。

我們從起點x=0開始算,第1個三角形面積:

Δb1=1/2{[(x+Δx)^2+1]-(x^2+1)}*Δx=1/2{[(Δx)^2+1]-1}*Δx。

保留通項形式完整,我們不作進一步計算。因為X軸上的微分增量是Δx,我們得到從第2個到第n三角形的面積如下:

Δb2=1/2{[(2Δx)^2+1]-[(Δx)^2+1]}*Δx;

Δb3=1/2{[(3Δx)^2+1]-[(2Δx)^2+1]}*Δx;

......

Δb(n-1)=1/2{[((n-1)Δx)^2+1]-[((n-2)Δx)^2+1]}*Δx;

Δbn=1/2{[(n*Δx)^2+1]-[((n-1)Δx)^2+1]}*Δx。

我們可以看出來,前一式子裡的被減數就是後一式子裡的減數,求和時相加為零,都會被消掉,所以有:

b=∑Δb=Δb1+Δb2+...+Δb(n-1)+Δbn=1/2{[(n*Δx)^2+1]-1]}*Δx=1/2*5Δx。(n*Δx=2)

結果:a=2b。N+1微分單元的面積,還是這些小三角形面積之和的兩倍。

我們換算一下式子,得a-b=5/2*Δx。這個5/2*Δx,能不能叫做“用微積分方法求面積所造成的誤差”?

顯然不是!

要知道,

5/2*Δx依然是一個無窮小的量。小到不能再小哦!

什麼樣的計算,才會造成這麼小的、完全可以忽略不計的誤差?

到此,我們有理由相信,對於求那些被忽略掉的微小圖形的面積,我們仍然用傳統的方法作計算是錯誤的,這很不”微積分“!。

在無究小的微觀世界裡,遵從著與宏觀世界不一樣的法則。宏觀上看到的”小三角形',在微觀上看就矩形。

所以,b應該等於5Δx!於是,a=b,完美!

也或者,在微觀視角下,它們都不能被叫做”圖形“,微分x*dx也不是在表達乘積關係,而只是描述兩個微觀向量。

用微分描述完整的微觀向量,再用積分轉換成宏觀計算式,所得的結果是精準的,並不是近似計算。

在學習微積分時,一定要拋棄傳統的觀念。因為,在等號的兩端,存在著不一樣的維度空間。


宏觀的世界滿布崎嶇,微觀的盡頭沒有彎曲

不同於滿布崎嶇的宏觀世界,在微觀的盡頭真的沒有彎曲!


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