首页 > 技术文章 > 02 导数悖论

guolaomao 2017-12-25 21:50 原文

视频原址:https://www.bilibili.com/video/av10352133/

导数到底是什么?

有一种说法是,导数就是函数的瞬时变化率。

但是这种说法有一个悖论,变化需要一个时间段让变化发生。而瞬时,一个时间点上也就没有变化的余地了。

 

我们还是从之前的小汽车的例子中探寻导数的意义。

我们让一辆小汽车从静止到加速,然后减速最后停止。

这个过程中,总共向前走了100米,用时10秒。

我们以用时为x轴,以汽车前进的距离为y轴,那么汽车整个移动的过程可以得到如下图形:

这个图形中

前段速度较慢,曲线变化十分缓慢。

中段速度最快,曲线变化十分陡峭。

后段速度表面,曲线变化又十分缓慢了。

如果我们把汽车的速度变化曲线画出来,那么就会得到下图:

距离的曲线,跟速度的曲线是有着相互的关系的。如果距离曲线发生变化了,速度曲线也会随之产生相应的变化比如:

这个速度曲线到底代表了什么呢?

速度的定义是一段时间内的位移变化,但是在我们的速度曲线中,只需要一个x值,就能找到对应的速度。这不是很矛盾吗?

视频告诉我们,当年微积分的创始者们也产生了相同的思维冲突。

让我们用上一节中使用过的方法重新思考一下这个问题。

每隔很微小的时间取名为dt,比如0.01秒,测量在这微小时间内产生的微小位移ds。

那么t时间的速度可以近似的看做ds/dt。

ds=s(t+dt)-s(t)

ds/dt=(s(t+dt)-s(t))/dt

当dt无限无限接近0时,这个比值的极限就是这个汽车位移函数的导数。

幸运的是,这个比值在图像的角度,这个比值的极限有个精妙的意义。

当我们为t和dt设置一个具体的值的时候,我们很容易的发现,ds/dt就是图像上两点的直线斜率。

 当dt越近于0的时候,两点的斜率就越接近图像位于t点的斜线的斜率。

 所以导数在数学上的真正意义就是经过图像上的点时的斜率。

这样就避开瞬时变化率这样自相矛盾的定义了。

这里的dt不是0,也不是无限接近于0。理解他为一个很小的值,小到t与t+dt的直线斜率与t点上的切线斜率近似相等。

这个切线也不要看做函数在某一点上的瞬时变化率,而应该看作是某一点附近的变化率的最佳近似值

 

在这个例子中,dt都有一个明确的值(比如0.01),ds/dt也能通过分式求得一个具体的值,这样为了方便理解我们的推导我们的概念。

在数学的世界里,当使用d这个字母的时候,就代表他的取值无限接近于0。而ds/dt也不是求一个除法。而是当dt无限接近于0的时候,这个分式(ds/dt)的极限值。

 

现在我们假设时间与距离的函数正好是一元三次方函数y=x³

那么该如何求导呢?

其实很简单。

ds=(x+dx)³-x³

=x³+2x²dx+2xdx²+dx³-x³

=2x²dx+2xdx²+dx³

ds/dx=2x²+2xdx+dx²

当dx接近0时,ds/dx越来越接近于2x²

 

这是通过数学的方式证明求导公式,后面将讲解用几何的形式更加直观的理解求导公式。

 

ds/dt也就是函数的求导,与函数之间有什么关系呢?

还记得上一节的课程吗?

我们通过求导得到的函数图像,函数线下的面积就是汽车走过的总距离。

可是在这里我们已经知道了汽车走了100米了啊?

时刻牢记这些信息,仔细把玩他们之间的微妙关系,后面的课程将逐渐深入探讨这些问题。

 

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