微积分学习指南:从零基础到现实应用

原文标题:微积分教材这么多,这本凭什么能畅销30万册!

原文作者:图灵编辑部

冷月清谈:

**微积分的现实应用:**
  • 求解曲线长度、面积、体积和质心
  • 描述火箭轨迹、地震应力和建筑物振动
  • 理解细菌感染和伤口愈合

微分和积分的意义:

  • 积分用于计算图形大小,是测量长度、面积和体积的工具
  • 微分用于理解瞬时变化率,是“捕捉变化”的 ابزار شگفت آور

培养微积分思维方式:

  • 注重逻辑思维,通过细致全面的思考分析问题
  • 严谨推理,摒弃经验思维得出结论
  • 理解自然现象,通过微积分揭示物理本质

微积分学习途径:

  • **《普林斯顿微积分读本(修订版)》:**曼哈顿微积分技巧,适合入门和大学低年级
  • **《微积分溯源:伟大思想的历程》:**微积分历史探索,了解思想起源
  • **《微积分的历程:从牛顿到勒贝格》:**微积分发展脉络,深入研究里程碑成果
  • **《简单微积分:学校未教过的超简易》:**微积分原理通俗讲解,无需死记硬背



怜星夜思:


1、微积分与物理学之间的关系是什么?
2、微积分思维方式有何独特之处?
3、微积分在现实世界中有哪些意外的应用?

原文内容


对于大多数学生来说,微积分或许是他们曾经上过的倍感迷茫且最受挫折的一门课程了。对于理科和工科的大学生来说,微积分的学习将贯穿他们大部分专业课程。它奠定了我们对变量变化规律的理解,对于解决实际问题有重要作用。掌握微积分,你就掌握了理解和描述许多专业知识的工具!


因此一本好的微积分教材对于学生的学习而言举足轻重!而图灵出版的这本《普林斯顿微积分读本》堪称国内最好入门微积分的教材了,累计畅销30万册,豆瓣更有上千人持续7年打出9.6的高分!可见大家对这本书的高度认可了!

1
微积分的现实应用

微积分在现实生活中的应用极广,要列出微积分的所有应用,就像列出世界上所有需要使用螺丝刀的东西一样不切实际。

在简单的计算层面上,微积分的应用包括求曲线长度、曲面和复杂形状的面积、物体的体积、最大值和最小值,以及质心。

结合力学定律,微积分告诉我们如何求出太空中火箭的轨迹、可能产生地震的俯冲带的岩石中的应力、地震发生时建筑物将如何振动、汽车在悬架上如何上下弹跳、细菌感染扩散所需的时间、手术伤口愈合的方式,以及大风中悬索桥受的力。

其中许多应用源于牛顿定律的核心思想:它们是用微分方程表述的自然模型。这些方程涉及未知函数的导数,需要源自微积分的技巧来求解。

像螺丝刀一样,微积分只是工程师和科学家的工具包中一件不可或缺的工具。就现代世界的贡献而言,没有哪个数学技术比得上微积分。

2
微分和积分的意义

微积分是微分和积分的合称。

小学所学的图形面积、体积的计算,实际上是与积分世界相连通的。积分并不是高中教材中突然半路杀出的“程咬金”,初等教育中相关内容的学习,已经为迈入积分世界做了充分的热身。

而对于微分,大部分人都感觉不是很熟悉。说起微分,就会提到“切线斜率”“瞬时速度”“加速度”,这些内容怎么理解都很难懂。这些东西我们无法直接用眼睛看到,很难直观上去把握。

从历史上来看,积分比微分要更早出现。

积分法的起源是“测量图形的大小”。古时候图形长度、面积、 体积的计算方法,通过口传心授得以流传,经过历代人的智慧的锤炼,进而发展成为现在的积分法。探寻积分法诞生的历史,大致可以追溯到公元前 1800 年左右。公元前 200 年的阿基米德时代,在计算抛物线和直线围成的图形面积问题上,已经出现了与现在积分法十分相似的“穷举法”。

积分的历史,还真是悠久。到了 12 世纪,印度的婆什迦罗二世提出了积分法的“前身” 方法。进入 17 世纪,牛顿综合了微分法和积分法,尝试从万有引力理论来推导天体的运动规律。

总之,从积分出现到微分诞生,至少有长达 1300 年的间隔。积分之所以会较早出现,是因为人类需要把握那些可见的东西,例如计算物体的面积、体积等。初等教育中的图形计算,通常只针对长方形、圆形等规规矩矩的图形。而现实情况中,这些知识往往难以直接去应用。

说起来,我们为什么要去计算积分呢?积分法存在的意义,在于测量长度、面积和体积。说来惭愧,我们手中能够方便计算面积、 体积的工具,可以说是非常贫乏。这是因为,现实世界中存在的物质,并非都是学校中学习的那些规则的形状。相反,那些规则的形状可以说只是例外或理想化的情况。所以,对人类而言,测量现实情况中各种复杂图形大小的技术非常必要。

日本小学的家政课会讲授乌冬面、土豆块等简易料理的烹饪方法。之所以特地在学校中讲授这些内容,是因为这些都是烹饪中的基础方法。实际上我们自己做菜时,多会在商店中购买成品的乌冬面,也基本不会频繁烹制土豆块。但是,如果掌握了这些基础烹饪方法的话,就能够烹制出更多复杂的菜品。例如,乌冬面的烹饪方法可以运用到面包、比萨或者意大利面中,从土豆块中学到的方法可以拓展到土豆沙拉或者油炸饼中。

如果把在小学初中学的长方形、圆形的知识比作乌冬面、土豆块,那么微积分就相当于面包、土豆沙拉等应用性料理。多亏有了积分法,人类才能够计算各种图形的面积和体积。使用积分,无论是多么奇怪的形状,只要下功夫就能够计算出结果,这真是巨大的进步。将思考应用于实际,用自己的力量去推导面积、体积,这才是积分的乐趣,也是学习积分的真正意义。

日本高中的教科书中,微分内容设置在积分之前。大概是因为这种课程设计,微积分学不好的同学大多都是在微分上受挫。擅长微分的同学几乎不会学不好积分。微分比积分更难形象化。在积分的章节中,出现了圆的面积及球、圆锥、旋转椭圆体的面积、体积,这些都是易于去感知理解的。与此相反,微分在理解上并不是很容易。要说为什么微分难以理解,这是因为微分是“比值”。

如果说积分是加法,那么微分就是除法。小学最初学习的是加法,之后学习减法、乘法,最后学习除法。之所以按照这个顺序学习运算,是因为难度会越来越大。在直观上理解除法,是相对比较困难的。“比值”这种“除法世界”的东西虽然不易于理解,但在“捕捉变化”时,却是非常有用的“神兵利器”。

3
培养微积分思维方式

对于大多数学生来说,微积分或许是他们曾经上过的倍感迷茫且最受挫折的一门课程了。对于理科和工科的大学生来说,微积分的学习将贯穿他们大部分专业课程。它奠定了我们对变量变化规律的理解,对于解决实际问题有重要作用。掌握微积分,你就掌握了理解和描述许多专业知识的工具。微积分是许多高等数学知识的基础。如果微积分没有打好基础,会发现学习多元微积分、向量分析等课程会很吃力。

微积分思维方式值得我们培养,可以提高我们的逻辑思维能力。微积分讲求把变量变化过程分成无数小段,通过研究每个小段的变化规律来把握整体变化趋势。这种思维方式非常有价值,不仅可以应用到数学问题,实际上在我们分析和解决许多复杂问题时,都可以借鉴这种细致和全面的思考方式。微积分课经常会出现概念的引入、公式的推导等过程。这需要我们摒弃已有的经验思维,只通过严谨的逻辑思考来获得结论。长期下来可以锻炼我们的逻辑思维能力。这也是数学学习的最根本价值。

掌握微积分还可以帮助我们理解许多自然现象。例如我们通过微积分中的导数与积分来描述速度与位移、加速度与速度的关系。许多物理学现象的本质就隐藏在这些数学关系背后。学习微积分,可以帮助我们建立起精确理解这些现象的能力。

微积分的学习 学习微积分的途径和方式非常之多。图灵就有非常多的书籍,不仅仅有帮助入门的科普读物,更有结合大学考试的相关教材。

01

《普林斯顿微积分读本(修订版)》
作者:【美】阿德里安·班纳
译者:杨爽 赵晓婷 高璞

本书阐述了曼哈顿微积分的技巧,详细讲解了微积分基础、极限、连续、微分、导数的应用、积分、无穷级数、泰勒级数与幂级数等内容,旨在教会读者如何思考问题从而找到解题所需的知识点,着重训练大家自己解题的能力。

本书适用于大学低年级学生、高中高年级学生、想学习微积分的数学爱好者以及广大数学教师。本书既可用作为教材、习题集,也可作为学习指南,同时还有利于教师备课。

普林斯顿微积分同名视频课

B站百万粉丝UP主宋浩老师亲授,如果你即将或者正在读大学,宋浩老师的数学课一定不要错过。

课程详细解释本书的内容,提炼重点和精华,对比中外教材的不同,提供国内的定义、方法,使学生更容易理解和接受,并引导学生拓展思考。

02


《微积分溯源:伟大思想的历程》

作者:戴维·M. 布雷苏

译者:陈见柯 林开亮 叶卢庆


从古希腊、古埃及、古印度、中国和欧洲等地的微积分思想,到牛顿、莱布尼茨、伯努利兄弟、黎曼等伟大数学家的辉煌成就,看一看微积分这座“数学宝藏”是如何被塑造成今天的模样的。


03


《微积分的历程:从牛顿到勒贝格》

作者:邓纳姆

译者:李伯民 汪军 张怀勇


本书荣获“第七届文津图书奖推荐书目”。


这不是一本数学家的传记,而是一座展示微积分宏伟画卷的陈列室。书中的每一个结果,从牛顿的正弦函数的推导,到伽玛函数的表示,再到贝尔的分类定理,无一不处于各个时代的研究前沿,至今还闪烁着耀眼夺目的光芒。


04


《简单微积分:学校未教过的超简易》

作者:神永正博

译者:李慧慧


仅用“阅读”就能理解微积分原理,无须背诵公式、烦琐计算,传授日本微积分入门的“巧妙思路”。


书为微积分入门科普读物,书中以微积分的“思考方法”为核心,以生活例子通俗讲解了微积分的基本原理、公式推导以及实际应用意义,解答了微积分初学者遭遇的常见困惑。


微积分是物理学家必不可少的工具。它使他们能够分析运动、力和其他物理现象。例如,微积分用于计算速度、加速度和物体的运动轨迹。它还可以用于分析弹簧的振动和电荷的运动。如果没有微积分,许多物理定律将难以理解或应用。

微积分是物理学的基石。物理定律通常用微分方程来表达,微积分可以帮助我们求解这些方程,从而理解物理现象背后的数学原理。例如,牛顿第二定律(F=ma)是一个微分方程,微积分可以帮助我们用它来分析物体的运动。

微积分思维方式是一种非常强大的工具,因为它可以应用于广泛的问题,从数学到物理再到经济学。通过将问题分解成更小的部分,我们能够更清楚地看到它们之间的联系,并找到更有效、更准确的解决方案。

微积分在物理学中扮演着至关重要的角色。它提供了描述和分析物理现象的数学语言。通过微分和积分,我们可以研究运动、力、能量和热量等概念的变化率。微积分使我们能够建立物理模型,对现实世界的复杂现象进行预测和解释。

微积分在现实世界中有许多令人惊讶的应用。例如,它用于设计汽车悬架系统,以确保汽车在不平坦的地面上平稳行驶。它还用于优化飞机机翼的形状,以提高效率和减少燃油消耗。此外,微积分用于预测天气模式、建模金融市场和分析医疗数据。

微积分思维方式与基于经验和直觉的传统思维方式不同。它更注重逻辑推理和精确计算。通过培养微积分思维方式,我们可以提高我们的问题解决能力、批判性思维能力以及对复杂世界的理解。

微积分还用于计算机图形学中。它用于创建逼真的图像和动画,用于电影、视频游戏和其他媒体。例如,微积分用于模拟头发和布料的流动,以及创建逼真的水和火效果。

微积分的一个意外应用是在医学成像中。通过使用称为计算机断层扫描 (CT) 和磁共振成像 (MRI) 的技术,我们可以创建人体的三维图像。这些图像的创建需要使用复杂的微积分算法,这些算法可以处理大量的扫描数据并重建身体的详细图像。

微积分思维方式是一种分而治之的思维方式,它将问题分解成更小的、可管理的部分,然后通过分析这些部分的微小变化来理解整体。这种方法使我们能够研究复杂系统的行为,即使这些系统可能难以一眼看出。微积分思维方式特别适用于解决涉及连续变化或运动的问题。