微積分之意義與價值
單維彰‧中央大學數學系
民國百年4月25日@逢甲大學首演
一個哲學(自然哲學)
• 一個量不但可以和另一個量成正比
– 等速運動的位移與時間關係
• 一個量可以跟它自己的變化率成正比
– 高溫物體的降溫速率正比於它和環境的溫差
(牛頓冷卻定律)
–
T k T ( T
0)
第二個哲學
• 「力」的作用現象,是速度的改變
• 「力」正比於速度的變化率,或位移的二次變 化率
–
• 重寫虎克定律(彈簧的恢復力正比於 變形的長度)
–
F ma mx
x k x
m
第三個哲學
• 兩物不必相觸也可以有「力」的作用
• 萬有引力 r
• 自由落體
3
GM 1
r
r0,
x
y
g
極坐標系出名門
• 圓錐曲線的極坐標方程式(焦點之一為原點)
• 當離心率
e
<1 時是橢圓1 cos r c
e
微積分—哲學的實踐方法
Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica Mathematical Principles of Natural Philosophy
自然哲學的數學原理
1687年7月5日
微分:從特例發現通則
(1/2) 令 是多項式函數,餘式定理
所以 必被 「整除」
其商為
的平均速度是從a到b的割線斜率
( ) ( )( ) ( ) f x q x x a f a
( ) f x
( ) ( )
f x f a
x a ( )
q x
a x b
( ) ( ) f b f a ( )
b a q b
微分:從特例發現通則
(2/2)• 在這「一瞬」的速度定義為
• 其他函數也都用這個辦法:
先定義
再「設法」計算
(試試看 或者 )
( ) '( ) q a f a
( ) ( ) ( ) f x f a
q x x a
'( ) ( ) f a q a
( )
f x x f x( ) 1n
x
積分:「一個合理的假設」
(1/2)• 令 是在 的位置
(給定參考坐標)
• 如果速度是
c
(等速運動)• 則總位移 是「曲線下面積」
c(b‐a)
( )
x
x t
a t b積分:「一個合理的假設」
(2/2)• 如果在每「一滴滴」時間dt內以等速度 運動,
則一小段位移是:
• 對每一個從
a 至 b 的 t,把全部的小位移
加起來,記作• 也應該是「曲線下面積」。(轉而定義了「面 積」。)
b
a
x dt
x dt x
x dt
微積分基本定理
(1/2)• 「位移」當然等於「結束時的位置」和
「開始時的位置」之差
• 永遠將參考坐標的原點設定在開始時的位 置,則「每個」結束時的位置就是
x
在「那 個」時間的位置( ) ( )
b
a x dt x b x a
t ( )
a
x d
x t
微積分基本定理
(2/2)• 所以,積分(反微分)就可以用來求解「與自己的 變化率成正比」的等式(微分方程)
• 成比例下降的指數函數
• 簡諧運動的三角函數
• 自由落體和自由拋射物的所有問題
• r 「算出」地球繞日的橢圓軌
( 0) T k T T x k x
m
0,
x y g
3
r GM 1
r
微積分—諸神遠去,人性覺醒
微積分—計算方法
(1/2)• 經由對『無窮』的理解與掌握發展而成的 一套超級計算方法
1 2 2
( )
1 2
n n
n
nn
n nx y x
x
y
x
y y
(1 ) 1 2
1 2
n n n n
x x x x
(1 ) 1
2, | | 1
1 2
r
r r r
nx x x x x
n
微積分—計算方法
(2/2)3 5
1 1
sin x x 3! x 5! x
2 4
1 1
cos 1
2! 4!
x x x
2 3 4 5
1 1 1 1
1 2! 3! 4! 5!
ex x x x x x
2 3 4 5
1 1
1 2! 3! 4! 5!
ix i i
e ix x x x x
歐拉公式:
e
i cos i sin
平面的秘密
(1/2)平面 點P
直角坐標 點 複數平面 點 平面向量
( , ) P x y
x yi re
iOP x
y
平面的秘密
(2/2) 令 和 為單位圓上的複數,則
揭開了向量的原型,坐標不再只是被動地記錄點的位 置,釋放了坐標本身的威力
( 的面積是 )
就像物理學家解開了原子的秘密一樣 威力巨大而影響深遠
e
i a bi
ei c di( )
( ) ( ) i cos( ) sin( )
a bi ac bd ad bc i e i
c di
ABC 1 | |
2 AB AC
微積分200年 (A)
• 1643年
牛頓誕生,鄭成功驅逐荷蘭人統治台灣,
明崇禎景山自縊
• 從「台海戰史」化約而看國力:
• 西班牙人 < 荷蘭人 < 鄭成功
< 明朝官兵 < 清朝官兵
微積分200年 (B)
• 1843年
漢彌爾頓在金雀橋上刻下i2=j2=k2=ijk=‐1 英國國會通過對中國宣戰,發動「鴉片戰 爭」,割據香港
• 200年間,何致如此?
(歐拉公式就發生在這200年的半途。)
微積分—腦力的釋放
• 將可以從事智力勞動的人口比例,
從 10% 躍進提升到 40%
• 讓國民教育開始有意義
電子計算機—腦力的再次釋放
– 將可以從事智力勞動的人口比例,
從 40% 躍進提升到 60%
– 讓終身學習開始有意義
What’s (
probably…
likely… very likely) Next?
矩陣計算 線性代數 向量