跳到正文
格致开物MATHWIKI

微积分:修订间差异

Calculus

AIContentBot留言 | 贡献
扩充定义、推导、算例、边界条件与原创 SVG 配图(AI 辅助整理,算例已复算)
AIContentBot留言 | 贡献
重编数学讲解:连贯例题、逐步推导与多幅过程图;更新写作规范
 
(未显示同一用户的1个中间版本)
第1行: 第1行:
微积分是研究连续变化与累积的数学分支,主要由微分学和积分学组成。微分学从函数研究局部变化率,积分学把局部量累积为整体量;极限为这两种过程提供严格的定义。
'''微积分'''(calculus)研究变化率与累积量。[[导数]]从一条函数曲线求出局部变化率,[[积分]]把各小段的贡献相加;微积分基本定理说明,这两种运算为什么能够互相连接。


== 三个概念怎样联系 ==
== 同一段运动,可以怎样计算 ==
[[极限]]回答“不断逼近时会发生什么”;[[导数]]通过差商的极限刻画瞬时变化;[[积分]]通过分割求和的极限刻画总量。这不是三个孤立的计算规则,而是一套互相联系的描述方式。
设位置函数为 <math>s(t)=t^2+5</math>,位置以米计,时间 <math>t</math> 以秒计。1秒时位置为6米,3秒时为14米,位置变化为8米。这是直接比较端点得到的答案。


[[File:Gezhi-calculus-accumulation.svg|frame|center|alt=左图速度函数2t在零到一时间段的面积为一,右图对应累计位移函数t平方|速度曲线下的面积给出位置变化;位置曲线的切线斜率又给出速度。]]
也可以先算速度。时间 <math>t</math> <math>t+h</math> 的平均速度为
例如物体位置为 <math>s(t)=t^2</math> 米(<math>t</math> 以秒计)时,速度为 <math>v(t)=2t</math> 米每秒。从 <math>t=1</math> <math>t=3</math>,位移是 <math>9-1=8</math> 米,也可以由 <math>\int_1^3 2t\,dt=8</math> 求得。速度的数值不是位移,连接两者的是时间积分。
<math display="block">\frac{s(t+h)-s(t)}h=\frac{2th+h^2}h=2t+h.</math>
让非零间隔 <math>h</math> 趋于零,得到瞬时速度 <math>v(t)=2t</math>。若反过来只知道速度,怎样重新得到这段8米的变化?


== 微积分基本定理 ==
把1至3秒等分为 <math>n</math> 段,每段长 <math>h=2/n</math>。第 <math>k</math> 段的左端时间为 <math>1+(k-1)h</math>,用该时刻速度估计这一段位移,总和是
设 <math>f</math> <math>[a,b]</math> 连续,定义累计函数
<math display="block">\begin{aligned}
S_n&=\sum_{k=1}^n2(1+(k-1)h)h\\
&=2nh+2h^2\frac{n(n-1)}2=8-\frac4n.
\end{aligned}</math>
速度在增加,所以左端点低估;右端点和同理为 <math>8+4/n</math>。分段越来越细,两者都趋于8,正好等于位置的端点差。我们分别使用位置比较、差商、速度求和,最后得到相容的结果。
 
[[File:Gezhi-calculus-accumulation-theme.svg|frame|center|alt=左图速度2t的曲线下面积,右图相应的累计函数t平方|左图的高度为速度,面积表示累计位移;右图累计函数的斜率又给出原来的速度。]]
 
图右侧从0开始累计,画出的是 <math>t^2</math>;实际位置 <math>t^2+5</math> 在它上方5米。共同的速度只决定位置变化,初始位置决定这项常数。这正是下面基本定理所解释的两层关系。
 
== 基本定理第一部分:累积的变化率 ==
设 <math>f</math> 在有限闭区间 <math>[a,b]</math> 连续,定义
<math display="block">A(x)=\int_a^x f(t)\,dt.</math>
<math display="block">A(x)=\int_a^x f(t)\,dt.</math>
基本定理的一部分说明,在区间内部有 <math>A'(x)=f(x)</math>。其原因可由增量理解:
这里 <math>t</math> 是被积分的哑变量,<math>x</math> 是决定累计范围的上限。基本定理断言,对区间内部的每个 <math>x</math>,有 <math>A'(x)=f(x)</math>
<math display="block">\frac{A(x+h)-A(x)}h=\frac1h\int_x^{x+h}f(t)\,dt.</math>
 
右边是小区间上的平均值;连续性保证区间缩小时它趋于 <math>f(x)</math>。
'''证明。''' 根据积分的区间可加性,增量 <math>A(x+h)-A(x)</math> 等于新加入的小区间上的积分。因此
<math display="block">\frac{A(x+h)-A(x)}h-f(x)=\frac1h\int_x^{x+h}(f(t)-f(x))\,dt.</math>
给定任意 <math>\varepsilon>0</math>,连续性保证存在一个邻域,其中 <math>|f(t)-f(x)|<\varepsilon</math>。当非零 <math>h</math> 足够小时,整个小区间都位于这个邻域内,无论 <math>h</math> 为正还是负,上式绝对值都不超过 <math>\varepsilon|h|/|h|=\varepsilon</math>。故差商趋于 <math>f(x)</math>,证毕。
 
在运动例子中,小区间内的速度都靠近当前速度,因此“位移增量除以时间增量”趋于当前速度。连续性保障了这个统一控制。标准陈述见 [https://openstax.org/books/calculus-volume-1/pages/5-3-the-fundamental-theorem-of-calculus OpenStax §5.3]。
 
== 基本定理第二部分:端点之差为何等于总积累 ==
仍设 <math>f</math> 连续,并设 <math>F</math> 在闭区间连续,在开区间内满足 <math>F'=f</math>。上一节构造的 <math>A</math> 满足相同导数,所以 <math>(F-A)'=0</math>。由中值定理,导数为零的函数在区间上为常数;于是
<math display="block">F(b)-A(b)=F(a)-A(a).</math>
又因为 <math>A(a)=0</math>,所以
<math display="block">\int_a^b f(t)\,dt=F(b)-F(a).</math>
这就是计算定积分常用的牛顿—莱布尼茨公式。对 <math>f(t)=2t</math>,原函数 <math>F(t)=t^2</math>,于是 <math>\int_1^3 2t\,dt=3^2-1^2=8</math>。前面矩形求和的结果现在可以通过端点相减直接取得。
 
不定积分写成 <math>F(x)+C</math> 是因为所有原函数相差一个常数;定积分中的常数在端点相减时消掉。若被积函数在区间内部存在奇点,不能直接用横跨奇点的端点差代替反常积分检查;相关反例见[[积分]]
 
== 上限变化时,累积量怎样变化 ==
令 <math>G(x)=\int_0^{x^2}e^{-t^2}\,dt</math>。被积函数连续,虽然它的原函数不能用通常有限个初等函数表达,累计函数仍然有意义。先设 <math>H(u)=\int_0^u e^{-t^2}\,dt</math>,由基本定理 <math>H'(u)=e^{-u^2}</math>,再对 <math>G(x)=H(x^2)</math> 使用链式法则,得到
<math display="block">G'(x)=2x e^{-x^4}.</math>
这项计算没有先找到闭式原函数。它说明“无法写出初等公式”与“无法研究函数”是不同判断。上限变化越快,累计范围变化也越快,链式法则中的 <math>2x</math> 正记录这一点。
 
== 给定流量,求水箱何时达到指定水量 ==
设一个理想水箱的净流入速率为 <math>q(t)=6-2t</math> 升每分钟,在 <math>0\le t\le3</math> 分钟内有效,初始存水为 4 升。由累计关系,
<math display="block">V(t)=4+\int_0^t(6-2u)\,du=4+6t-t^2.</math>
在模型时间范围内,流量非负,所以体积一直增加。求首次达到 12 升的时刻,解 <math>4+6t-t^2=12</math>,得到 <math>t=2</math> 或 <math>t=4</math>;后者超出指定区间,应剔除。2 分钟时流量仍为每分钟 2 升,累计进入了 8 升。
 
方程的两个根来自二次函数的对称性,但本题只规定了前三分钟的流量。也可检查 <math>V'(t)=6-2t=q(t)</math> 与 <math>V(0)=4</math>:导数恢复流量,常数恢复初始存水。
 
== 用变化率找到最大面积 ==
可导函数在一点附近满足 <math>f(a+h)=f(a)+f'(a)h+o(h)</math>。若还有更多连续导数,泰勒展开能继续保留二次、三次等项,并给出余项估计。一次近似把函数局部替换成直线;二次项则描述弯曲方向,并帮助分析驻点。
 
例如在固定周长为 20 的矩形中,边长为 <math>x</math> 与 <math>10-x</math>,面积为 <math>A(x)=x(10-x)</math>,定义域 <math>0\le x\le10</math>。导数 <math>A'(x)=10-2x</math> 在 5 为零,之前为正、之后为负,且端点面积为零,因此最大面积为 25,在正方形时取得。这是完整的最值判断,而不只是找到一个导数为零的点。
 
相比之下,<math>x^3</math> 在原点导数为零却没有局部极值。受约束问题还可能在边界取得最优值,多元问题也可能出现鞍点。微分提供候选位置与变化方向,[[优化]]进一步组织可行域、存在性及最优性条件。
 
== 用有限次计算近似积分 ==
数值积分用有限次函数取值逼近累积量。对 <math>\int_0^1x^2\,dx=1/3</math>,复合梯形法取 <math>n</math> 个等长区间,每段梯形面积是同段左、右矩形面积的平均。因此 <math>T_n=(L_n+U_n)/2</math>。将[[积分]]中平方函数的两个和式相加,一次误差项相消,留下
<math display="block">T_n=\frac13+\frac1{6n^2}.</math>
因此一步为 <math>1/2</math>,两步为 <math>3/8</math>,四步为 <math>11/32</math>;它们都高估,步数加倍使误差缩小到四分之一。这里不仅有“越来越接近”的观察,还有本例的精确误差公式。
 
数值微分的处境不同。前向差分在光滑函数上有随步长减小的截断误差,但数据噪声在相除时可能被放大。若两个函数值各含不超过 <math>\eta</math> 的误差,差商中仅这部分误差就可能达到 <math>2\eta/|h|</math>。因此不断减小 <math>h</math> 并不保证结果越来越准;选择步长需要兼顾误差来源。
 
[[数值积分]]、[[牛顿法]]和微分方程数值解都属于把连续理论转为有限计算的路线。计算机给出的有限数字需要与误差、稳定性和输入假设一起阅读,不能只凭输出小数位数判断可信度。
 
== 两端都在变化的积分 ==
基本定理不只处理固定下限。若 <math>f</math> 连续,而上下限 <math>a(x),b(x)</math> 都可导,取一个固定参考点 <math>c</math>,将积分改写为 <math>\int_c^{b(x)}f-\int_c^{a(x)}f</math>,分别使用基本定理和链式法则,便得到
<math display="block">\frac d{dx}\int_{a(x)}^{b(x)}f(t)\,dt=f(b(x))b'(x)-f(a(x))a'(x).</math>
右侧第一项记录上端移动加入的量,第二项记录下端移动移走的量。比如 <math>H(x)=\int_x^{2x}t^2\,dt</math>,求导为 <math>(2x)^2\cdot2-x^2=7x^2</math>;直接先积分得到 <math>H(x)=7x^3/3</math>,求导结果相同。两种计算相互核验,也说明不能只代入上限而漏掉其移动速度与下限贡献。


另一方面,若 <math>F'=f</math>,那么
若被积函数本身还依赖参数,求导时又会多一项来自被积函数的变化。交换积分与求导需要对应的连续性或控制条件,不能把它当作所有参数积分自动具备的形式规则。多个极限过程之间的交换,是从基础微积分走向分析时需要继续学习的问题。
<math display="block">\int_a^b f(x)\,dx=F(b)-F(a).</math>
因为 <math>A</math> 与 <math>F</math> 的导数相同,它们在该区间只相差一个常数。基本定理把繁琐的求和极限转化为求原函数与代入端点,但使用之前仍需检查函数及端点的条件。


== 不同问题需要不同工具 ==
== 基本定理的连续性用在何处 ==
{| class="wikitable"
令速度在0之前为0,在0之后为1,零点也取1。取从0开始的累计函数,便有 <math>A(t)=0</math><math>t\le0</math>)与 <math>A(t)=t</math><math>t>0</math>)。它在0连续,但左斜率为0、右斜率为1,所以该处导数不存在。累计仍然有意义,瞬时恢复却在跳跃处失败;基本定理第一部分的连续性正是用来排除这种情况。
! 问题 !! 数学量 !! 需要保留的信息
|-
| 某时刻变化多快 || 导数 || 自变量、单位、该点是否可导
|-
| 一段时间累计多少 || 定积分 || 上下限、正负方向、是否收敛
|-
| 变化率已知,求原量 || 原函数或微分方程 || 初始值决定积分常数
|-
| 寻找最大或最小值 || 导数与优化 || 驻点、不可导点及边界
|}
例如只知道速度为 <math>2t</math>,只能推出位置 <math>s(t)=t^2+C</math>。再知道 <math>s(0)=5</math>,才确定 <math>C=5</math>。变化率会丢失常数信息,积分无法凭空恢复初始位置。


== 解析解之外:数值近似 ==
在连续流量模型中,储量变化率等于净输入速率,写作 <math>V'=q</math>;给定初值后,积分形式是 <math>V(t)=V(0)+\int_0^tq(u)\,du</math>。若净输入还依赖当前储量,例如流出量与水位有关,就得到以未知函数及其导数共同出现的[[微分方程]]
不是每个原函数都能用有限个初等函数表示。数值积分仍可以近似定积分。例如用梯形法估计 <math>\int_0^1x^2\,dx</math>,一步得到 <math>1/2</math>,两等分得到 <math>3/8</math>,四等分得到 <math>11/32</math>,逐步接近真值 <math>1/3</math>。


近似结果需要误差控制。数据有噪声时,差分会把误差除以很小的步长,所以“步长越小就一定越准”并不成立;数值微分需要平衡截断误差与数据、舍入误差。
== 历史:多条问题线索汇成一门学科 ==
微积分形成于切线、极值、求积和运动等问题的长期积累。牛顿在十七世纪六十年代发展流数方法,莱布尼茨在十七世纪七十年代形成自己的微分与积分方法及符号,随后发表相关成果;巴罗、费马等人的工作构成重要前史。相关年代与贡献见 [https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/HistTopics/The_rise_of_calculus/ MacTutor:The rise of calculus]。


== 进一步的方向 ==
十八世纪的分析扩大了这些工具的适用范围,十九世纪的柯西、黎曼、魏尔斯特拉斯等人则从极限、积分与函数性质等方向推进基础与理论。这些工作逐步明确了计算规则适用于哪些函数、其极限为何存在。
多元微积分把导数推广到偏导数、梯度和线性映射,把积分推广到平面、空间及曲线曲面。[[线性代数]]描述这些局部线性结构,[[微分方程]]描述未知函数与其导数之间的关系,[[数学建模]]则把现实假设转成可计算的量。


== 延伸阅读 ==
== 来源与继续阅读 ==
* [https://openstax.org/books/calculus-volume-1/pages/5-3-the-fundamental-theorem-of-calculus OpenStax,《Calculus Volume 1》§5.3]:微积分基本定理。
* [https://openstax.org/books/calculus-volume-1/pages/5-3-the-fundamental-theorem-of-calculus OpenStax,《Calculus Volume 1》§5.3]:基本定理。
* [[导数]] · [[积分]] · [[优化]] · [[微分方程]]
* [https://openstax.org/books/calculus-volume-1/pages/4-2-linear-approximations-and-differentials 同书 §4.2]:局部线性近似。
* [https://openstax.org/books/calculus-volume-2/pages/3-6-numerical-integration OpenStax,《Calculus Volume 2》§3.6]:数值积分。
* [https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/HistTopics/The_rise_of_calculus/ MacTutor:The rise of calculus]:历史来源。
* 基础路线:[[极限]] → [[导数]][[积分]] → [[微分方程]];计算路线:[[数值积分]][[牛顿法]]
[[分类:分析]]
[[分类:分析]]

2026年9月20日 (日) 07:16的最新版本

微积分(calculus)研究变化率与累积量。导数从一条函数曲线求出局部变化率,积分把各小段的贡献相加;微积分基本定理说明,这两种运算为什么能够互相连接。

同一段运动,可以怎样计算

设位置函数为 s(t)=t2+5,位置以米计,时间 t 以秒计。1秒时位置为6米,3秒时为14米,位置变化为8米。这是直接比较端点得到的答案。

也可以先算速度。时间 tt+h 的平均速度为 s(t+h)s(t)h=2th+h2h=2t+h. 让非零间隔 h 趋于零,得到瞬时速度 v(t)=2t。若反过来只知道速度,怎样重新得到这段8米的变化?

把1至3秒等分为 n 段,每段长 h=2/n。第 k 段的左端时间为 1+(k1)h,用该时刻速度估计这一段位移,总和是 Sn=k=1n2(1+(k1)h)h=2nh+2h2n(n1)2=84n. 速度在增加,所以左端点低估;右端点和同理为 8+4/n。分段越来越细,两者都趋于8,正好等于位置的端点差。我们分别使用位置比较、差商、速度求和,最后得到相容的结果。

左图速度2t的曲线下面积,右图相应的累计函数t平方
左图的高度为速度,面积表示累计位移;右图累计函数的斜率又给出原来的速度。

图右侧从0开始累计,画出的是 t2;实际位置 t2+5 在它上方5米。共同的速度只决定位置变化,初始位置决定这项常数。这正是下面基本定理所解释的两层关系。

基本定理第一部分:累积的变化率

f 在有限闭区间 [a,b] 连续,定义 A(x)=axf(t)dt. 这里 t 是被积分的哑变量,x 是决定累计范围的上限。基本定理断言,对区间内部的每个 x,有 A(x)=f(x)

证明。 根据积分的区间可加性,增量 A(x+h)A(x) 等于新加入的小区间上的积分。因此 A(x+h)A(x)hf(x)=1hxx+h(f(t)f(x))dt. 给定任意 ε>0,连续性保证存在一个邻域,其中 |f(t)f(x)|<ε。当非零 h 足够小时,整个小区间都位于这个邻域内,无论 h 为正还是负,上式绝对值都不超过 ε|h|/|h|=ε。故差商趋于 f(x),证毕。

在运动例子中,小区间内的速度都靠近当前速度,因此“位移增量除以时间增量”趋于当前速度。连续性保障了这个统一控制。标准陈述见 OpenStax §5.3

基本定理第二部分:端点之差为何等于总积累

仍设 f 连续,并设 F 在闭区间连续,在开区间内满足 F=f。上一节构造的 A 满足相同导数,所以 (FA)=0。由中值定理,导数为零的函数在区间上为常数;于是 F(b)A(b)=F(a)A(a). 又因为 A(a)=0,所以 abf(t)dt=F(b)F(a). 这就是计算定积分常用的牛顿—莱布尼茨公式。对 f(t)=2t,原函数 F(t)=t2,于是 132tdt=3212=8。前面矩形求和的结果现在可以通过端点相减直接取得。

不定积分写成 F(x)+C 是因为所有原函数相差一个常数;定积分中的常数在端点相减时消掉。若被积函数在区间内部存在奇点,不能直接用横跨奇点的端点差代替反常积分检查;相关反例见积分

上限变化时,累积量怎样变化

G(x)=0x2et2dt。被积函数连续,虽然它的原函数不能用通常有限个初等函数表达,累计函数仍然有意义。先设 H(u)=0uet2dt,由基本定理 H(u)=eu2,再对 G(x)=H(x2) 使用链式法则,得到 G(x)=2xex4. 这项计算没有先找到闭式原函数。它说明“无法写出初等公式”与“无法研究函数”是不同判断。上限变化越快,累计范围变化也越快,链式法则中的 2x 正记录这一点。

给定流量,求水箱何时达到指定水量

设一个理想水箱的净流入速率为 q(t)=62t 升每分钟,在 0t3 分钟内有效,初始存水为 4 升。由累计关系, V(t)=4+0t(62u)du=4+6tt2. 在模型时间范围内,流量非负,所以体积一直增加。求首次达到 12 升的时刻,解 4+6tt2=12,得到 t=2t=4;后者超出指定区间,应剔除。2 分钟时流量仍为每分钟 2 升,累计进入了 8 升。

方程的两个根来自二次函数的对称性,但本题只规定了前三分钟的流量。也可检查 V(t)=62t=q(t)V(0)=4:导数恢复流量,常数恢复初始存水。

用变化率找到最大面积

可导函数在一点附近满足 f(a+h)=f(a)+f(a)h+o(h)。若还有更多连续导数,泰勒展开能继续保留二次、三次等项,并给出余项估计。一次近似把函数局部替换成直线;二次项则描述弯曲方向,并帮助分析驻点。

例如在固定周长为 20 的矩形中,边长为 x10x,面积为 A(x)=x(10x),定义域 0x10。导数 A(x)=102x 在 5 为零,之前为正、之后为负,且端点面积为零,因此最大面积为 25,在正方形时取得。这是完整的最值判断,而不只是找到一个导数为零的点。

相比之下,x3 在原点导数为零却没有局部极值。受约束问题还可能在边界取得最优值,多元问题也可能出现鞍点。微分提供候选位置与变化方向,优化进一步组织可行域、存在性及最优性条件。

用有限次计算近似积分

数值积分用有限次函数取值逼近累积量。对 01x2dx=1/3,复合梯形法取 n 个等长区间,每段梯形面积是同段左、右矩形面积的平均。因此 Tn=(Ln+Un)/2。将积分中平方函数的两个和式相加,一次误差项相消,留下 Tn=13+16n2. 因此一步为 1/2,两步为 3/8,四步为 11/32;它们都高估,步数加倍使误差缩小到四分之一。这里不仅有“越来越接近”的观察,还有本例的精确误差公式。

数值微分的处境不同。前向差分在光滑函数上有随步长减小的截断误差,但数据噪声在相除时可能被放大。若两个函数值各含不超过 η 的误差,差商中仅这部分误差就可能达到 2η/|h|。因此不断减小 h 并不保证结果越来越准;选择步长需要兼顾误差来源。

数值积分牛顿法和微分方程数值解都属于把连续理论转为有限计算的路线。计算机给出的有限数字需要与误差、稳定性和输入假设一起阅读,不能只凭输出小数位数判断可信度。

两端都在变化的积分

基本定理不只处理固定下限。若 f 连续,而上下限 a(x),b(x) 都可导,取一个固定参考点 c,将积分改写为 cb(x)fca(x)f,分别使用基本定理和链式法则,便得到 ddxa(x)b(x)f(t)dt=f(b(x))b(x)f(a(x))a(x). 右侧第一项记录上端移动加入的量,第二项记录下端移动移走的量。比如 H(x)=x2xt2dt,求导为 (2x)22x2=7x2;直接先积分得到 H(x)=7x3/3,求导结果相同。两种计算相互核验,也说明不能只代入上限而漏掉其移动速度与下限贡献。

若被积函数本身还依赖参数,求导时又会多一项来自被积函数的变化。交换积分与求导需要对应的连续性或控制条件,不能把它当作所有参数积分自动具备的形式规则。多个极限过程之间的交换,是从基础微积分走向分析时需要继续学习的问题。

基本定理的连续性用在何处

令速度在0之前为0,在0之后为1,零点也取1。取从0开始的累计函数,便有 A(t)=0t0)与 A(t)=tt>0)。它在0连续,但左斜率为0、右斜率为1,所以该处导数不存在。累计仍然有意义,瞬时恢复却在跳跃处失败;基本定理第一部分的连续性正是用来排除这种情况。

在连续流量模型中,储量变化率等于净输入速率,写作 V=q;给定初值后,积分形式是 V(t)=V(0)+0tq(u)du。若净输入还依赖当前储量,例如流出量与水位有关,就得到以未知函数及其导数共同出现的微分方程

历史:多条问题线索汇成一门学科

微积分形成于切线、极值、求积和运动等问题的长期积累。牛顿在十七世纪六十年代发展流数方法,莱布尼茨在十七世纪七十年代形成自己的微分与积分方法及符号,随后发表相关成果;巴罗、费马等人的工作构成重要前史。相关年代与贡献见 MacTutor:The rise of calculus

十八世纪的分析扩大了这些工具的适用范围,十九世纪的柯西、黎曼、魏尔斯特拉斯等人则从极限、积分与函数性质等方向推进基础与理论。这些工作逐步明确了计算规则适用于哪些函数、其极限为何存在。

来源与继续阅读