无法理解高等数学怎么办?

简介: 我们学高等数学的时1候是这样的:这当然学不懂了,跨度太大了。这个锅,教材(对,说的就是同济《高等数学》)肯定得背。1 应该怎么学习?学习应该循序渐进,意思就是,应该从已有的知识出发,保持足够小的步伐前进。

我们学高等数学的时1候是这样的:

这当然学不懂了,跨度太大了。这个锅,教材(对,说的就是同济《高等数学》)肯定得背。

1 应该怎么学习?

学习应该循序渐进,意思就是,应该从已有的知识出发,保持足够小的步伐前进。

让我们把已有的知识称作i ,足够小的步伐称为+1 ,那么:

才是最有效的学习方法。

比如:

注意:什么是+1 是比较主观的问题。

下面我尝试用i+1 的方法,解释下高等数学的最基础的概念,“极限”。

2 极限

我们先来看看,《高等数学》同济版是怎样用“极限”来欢迎新生的:

设函数f(x) 在点x_0 的某一去心邻域内有定义,如果存在常数A ,对于任意给定的正数\epsilon (不论它多么小),总存在正数\delta ,使得当x 满足不等式0 < |x-x_0| < \delta 时,对应的函数值f(x) 都满足不等式|f(x)-A|<\epsilon ,那么常数A 就叫做函数f(x) 当x\to x_0 时的极限,记作\displaystyle\lim_{x\to x_0}f(x)=A 或f(x)\to A (当x\to x_0 )。

同济大学《高等数学》第七版

我就问问你,那个高考结束没有多久、刚刚过了一个愉快的暑假、背井离乡、来到一个陌生的地方、开始新的学习生活的你,看到这个定义怕不怕?

我是很怕,因为:

我觉得:

下面的讲解就以你有高考数学的平均水平作为i 。

2.1 积分的历史背景

17世纪,当时很重要的问题是天文学问题,其中,开普勒三定律中的第二定律:在相等时间内,太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的:

既然有计算不规则曲线面积的需求,那么数学家就得去研究,所谓积分就是求曲线下的面积(17世纪,英文中积分“quadrature"的含义就是求面积的意思):

2.2 积分的思想

为了计算这个面积(此处并不严格,必须是任意的分法,而不光是等分):

你可以自己动手试试:

此处有互动内容,点击此处前往操作。

2.3 积分的精确定义

好了,积分的思想已经清楚了,为了计算,我们得用数学把积分的精确定义给弄出来。

我们先来看看这个积分是怎么计算的:

通过上面的描述,我们可以认为,曲线下面积\displaystyle S\approx\sum S_n 。

那么下一个问题是如何让\approx 变为= ?根据之前的描述,我们发现\Delta x 越小(即n 越大),那么所有矩形的面积和与曲线下的面积越接近。

\Delta x 无限接近于0,\displaystyle S=\sum S_n 。

问题就变成了怎么定义\Delta x 无限接近于0,在这时我们就遇到了真正的困难:

  • \Delta x 无限接近于0,但不能为0, 否则以0为底边长的矩形面积为0,无穷多个0相加仍然为0
  • \Delta x 无限接近于0,又必须最接近0, 不可能有什么数比 \Delta x 更接近于0
  • \Delta x 无限接近于0,还不可能为最小的正实数,因为没有最小的正实数(为什么?参看 这个答案

\Delta x 无限接近于0,换成极限的话就是\displaystyle\lim_{n\to \infty}\Delta x=0 (严格来说,此处按照《同济大学》的定义,应该使用x\to\infty 时的极限定义,不过差别也不是太大),我们通过它来看看极限的精确定义:

至此,数学家们,终于通过这种别扭的、但又非常精确的语言,定义了什么是“极限”。

通过极限,我们终于可以完成积分的定义了,即\displaystyle S=\lim_{n\to\infty}\sum S_n 。

3 继续i+1

微积分的知识还很多,我们可以继续保持i+1 地推下去。

我们大概明白了,为什么要发明极限,以及极限要解决的问题。要进一步了解细节,可以参看下我的另外两个答案如何能更好的理解(ε-δ)语言极限的定义?,以及请问如何理解极限的精确定义?

通过极限我们也定义了什么是无穷小量(可以参看无穷小量是什么?这个答案)。

我好像还没有提到微分,\Delta x 我们称之为差分,但是积分里面也可以称为微分dx ,可以参看这个答案微分和导数的关系是什么?现在我们可以说微积分了。

我们看到积分的定义是\displaystyle S=\lim_{\delta\to0}\sum S_n ,因为\displaystyle\lim_{\Delta x\to0}{S_n}=0 ,所以积分可以看作无穷小量的级数。

无穷小量不光可以像上面那么分成矩形,像这么分也可以:

这样也可以用积分来处理。只要能够找出无穷小量,都可以通过积分来进行运算,所以微积分又称为“无穷小分析”。

物理里面就是这么干的,要是知道汽车的瞬时速度(瞬时速度中的瞬时就是无穷小量),那么我就可以通过对时间积分,就可以算出汽车在一定时间内走过的里程数(位移)。

要是不拦着我,我还可以继续说下去,比如连续啊、可积的条件啊、积分中值定理啊、blablabla。

看起来这篇文章像是我在知乎2016年的年终总结,2017继续努力。

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