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微積分學(xué)

#科學(xué)發(fā)明# 0 0
17世紀(jì)后半葉,英國數(shù)學(xué)家艾薩克·牛頓和德國數(shù)學(xué)家G.W.萊布尼茲,總結(jié)和發(fā)展了幾百年間前人的工作,建立了微積分。微積分學(xué)是數(shù)學(xué)中的基礎(chǔ)分支,內(nèi)容主要包括函數(shù)、極限、微分學(xué)、積分學(xué)及其應(yīng)用。函數(shù)是微積分研究的基本對象,極限是微積分的基本概念,微分和積分是特定過程特定形式的極限,幾乎所有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)如:機械、土木、建筑、航空及航海等工業(yè)工程都以微積分學(xué)作為基本數(shù)學(xué)工具。
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歷史背景

數(shù)學(xué)中的轉(zhuǎn)折點是笛卡爾的變數(shù),有了變數(shù),運動進(jìn)入了數(shù)學(xué),有了變數(shù),辯證法進(jìn)入了數(shù)學(xué),有了變數(shù),微分學(xué)和積分學(xué)也就立刻成為必要的了,而它們也就立刻產(chǎn)生,并且是由牛頓和萊布尼茲大體上完成的,但不是由他們發(fā)明的?!鞲袼?/p>

從15世紀(jì)初歐洲文藝復(fù)興時期起,工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航海事業(yè)與商賈貿(mào)易的大規(guī)模發(fā)展,形成了一個新的經(jīng)濟時代,宗教改革與對教會思想禁錮的懷疑,東方先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)通過阿拉伯的傳入,以及拜占庭帝國覆滅后希臘大量文獻(xiàn)的流入歐洲,在當(dāng)時的知識階層面前呈現(xiàn)出一個完全嶄新的面貌。而十六世紀(jì)的歐洲,正處在資本主義萌芽時期,生產(chǎn)力得到了很大的發(fā)展,生產(chǎn)實踐的發(fā)展向自然科學(xué)提出了新的課題,迫切要求力學(xué)、天文學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展,而這些學(xué)科都是深刻依賴于數(shù)學(xué)的,因而也推動的數(shù)學(xué)的發(fā)展??茖W(xué)對數(shù)學(xué)提出的種種要求,最后匯總成多個核心問題:

(1)運動中速度與距離的互求問題

即,已知物體移動的距離表為時間的函數(shù)的公式,求物體在任意時刻的速度和加速度;反過來,已知物體的加速度表為時間的函數(shù)的公式,求速度和距離。這類問題是研究運動時直接出現(xiàn)的,困難在于,所研究的速度和加速度是每時每刻都在變化的。比如,計算物體在某時刻的瞬時速度,就不能象計算平均速度那樣,用運動的時間去除移動的距離,因為在給定的瞬間,物體移動的距離和所用的時間是,而是無意義的。但是,根據(jù)物理,每個運動的物體在它運動的每一時刻必有速度,這也是無疑的。已知速度公式求移動距離的問題,也遇到同樣的困難。因為速度每時每刻都在變化,所以不能用運動的時間乘任意時刻的速度,來得到物體移動的距離。

(2)求曲線的切線問題

這個問題本身是純幾何的,而且對于科學(xué)應(yīng)用有巨大的重要性。由于研究天文的需要,光學(xué)是十七世紀(jì)的一門較重要的科學(xué)研究,透鏡的設(shè)計者要研究光線通過透鏡的通道,必須知道光線入射透鏡的角度以便應(yīng)用反射定律,這里重要的是光線與曲線的法線間的夾角,而法線是垂直于切線的,所以總是就在于求出法線或切線;另一個涉及到曲線的切線的科學(xué)問題出現(xiàn)于運動的研究中,求運動物體在它的軌跡上任一點上的運動方向,即軌跡的切線方向。

(3)求長度、面積、體積、與重心問題等

這些問題包括,求曲線的長度(如行星在已知時期移動的距離),曲線圍成的面積,曲面圍成的體積,物體的重心,一個相當(dāng)大的物體(如行星)作用于另一物體上的引力。實際上,關(guān)于計算橢圓的長度的問題,就難住數(shù)學(xué)家們,以致有一段時期數(shù)學(xué)家們對這個問題的進(jìn)一步工作失敗了,直到下一世紀(jì)才得到新的結(jié)果。又如求面積問題,早在古希臘時期人們就用窮竭法求出了一些面積和體積,如求拋物線在區(qū)間上與軸和直線所圍成的面積,他們就采用了窮竭法。當(dāng)越來越小時,右端的結(jié)果就越來越接近所求的面積的精確值。但是,應(yīng)用窮竭法,必須添上許多技藝,并且缺乏一般性,常常得不到數(shù)字解。當(dāng)阿基米德的工作在歐洲聞名時,求長度、面積、體積和重心的興趣復(fù)活了。窮竭法先是逐漸地被修改,后來由于微積分的創(chuàng)立而根本地修改了。

(4)求最大值和最小值問題

炮彈在炮筒里射出,它運行的水平距離,即射程,依賴于炮筒對地面的傾斜角,即發(fā)射角。一個“實際”的問題是求能獲得最大射程的發(fā)射角。十七世紀(jì)初期,Galileo斷定(在真空中)最大射程在發(fā)射角是時達(dá)到;他還得出炮彈從各個不同角度發(fā)射后所達(dá)到的不同的最大高度。研究行星的運動也涉及到最大值和最小值的問題,如求行星離開太陽的距離。

創(chuàng)立過程

早期思想

早在公元前7世紀(jì),古希臘科學(xué)家、哲學(xué)家泰勒斯就對球的面積、體積、與長度等問題的研究就含有微積分思想。古希臘數(shù)學(xué)家、力學(xué)家阿基米德(公元前287~前212)的著作《圓的測量》和《論球與圓柱》中就已含有積分學(xué)的萌芽,他在研究解決拋物線下的弓形面積、球和球冠面積、螺線下的面積和旋轉(zhuǎn)雙曲線所得的體積的問題中就隱含著近代積分的思想。中國古代數(shù)學(xué)家也產(chǎn)生過積分學(xué)的萌芽思想,例如三國時期的劉徽,他對積分學(xué)的思想主要有兩點:割圓術(shù)及求體積問題的設(shè)想。

在3世紀(jì),中國數(shù)學(xué)家劉徽創(chuàng)立的割圓術(shù)用圓內(nèi)接正九十六邊形的面積近似代替圓面積,求出圓周率的近似值,并指出:“割之彌細(xì),所失彌少,割之又割,以至不可割,則與圓合體而無所失矣”。劉徽對面積的深刻認(rèn)識和他的割圓術(shù)方法,正是極限思想的具體體現(xiàn)。數(shù)列極限是函數(shù)極限的基礎(chǔ),一個數(shù)列如果當(dāng)無限增大時,與某一實數(shù)無限接近,就稱之為收斂數(shù)列,為數(shù)列的極限。

客觀價值

客觀世界的一切事物,小至粒子,大至宇宙,始終都在運動和變化著。因此在數(shù)學(xué)中引入了變量的概念后,就有可能把運動現(xiàn)象用數(shù)學(xué)來加以描述了。

由于函數(shù)概念的產(chǎn)生和運用的加深,也由于科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要,一門新的數(shù)學(xué)分支就繼解析幾何之后產(chǎn)生了,這就是微積分學(xué)。微積分學(xué)這門學(xué)科在數(shù)學(xué)發(fā)展中的地位是十分重要的,可以說它是繼歐氏幾何后,全部數(shù)學(xué)中的最大的一個創(chuàng)造。

歷史

微積分的產(chǎn)生一般分為三個階段:極限概念;求積的無限小方法;積分與微分的互逆關(guān)系。最后一步是由牛頓、萊布尼茲完成的。前兩階段的工作,歐洲的大批數(shù)學(xué)家一直追溯到古希臘的阿基米德都作出了各自的貢獻(xiàn)。對于這方面的工作,古代中國毫不遜色于西方,微積分思想在古代中國也有萌芽,甚至不次于古希臘。

微分早期

早在公元前7世紀(jì),古希臘科學(xué)家、哲學(xué)家泰勒斯就對球的面積、體積、與長度等問題的研究就含有微積分思想。古希臘數(shù)學(xué)家、力學(xué)家阿基米德(公元前287~前212)的著作《圓的測量》和《論球與圓柱》中就已含有積分學(xué)的萌芽,他在研究解決拋物線下的弓形面積、球和球冠面積、螺線下的面積和旋轉(zhuǎn)雙曲線所得的體積的問題中就隱含著近代積分的思想。

極限思想

早在公元前7世紀(jì),古希臘科學(xué)家、哲學(xué)家泰勒斯就對球的面積、體積、與長度等問題的研究就含有微積分思想。公元前4世紀(jì)《墨經(jīng)》中有了有窮、無窮、無限?。ㄗ钚o內(nèi))、無窮大(最大無外)的定義和極限、瞬時等概念。劉徽公元263年首創(chuàng)的割圓術(shù)求圓面積和方錐體積,求得圓周率約等于3.1416,他的極限思想和無窮小方法,是世界古代極限思想的深刻體現(xiàn)。

公元前三世紀(jì),古希臘的阿基米德在研究解決拋物弓形的面積、球和球冠面積、螺線下面積和旋轉(zhuǎn)雙曲體的體積的問題中,就隱含著近代積分學(xué)的思想。作為微分學(xué)基礎(chǔ)的極限理論來說,在古代以有比較清楚的論述。比如我國的莊周所著的《莊子》一書的“天下篇”中,記有“一尺之棰,日取其半,萬世不竭”。三國時期的劉徽在他的割圓術(shù)中提到“割之彌細(xì),所失彌小,割之又割,以至于不可割,則與圓周和體而無所失矣?!边@些都是樸素的、也是很典型的極限概念。

微積分思想

微積分思想雖然可追溯到古希臘,但它的概念和法則卻是16世紀(jì)下半葉,開普勒、卡瓦列利等求積的不可分量思想和方法基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的。而這些思想和方法從劉徽對圓錐、圓臺、圓柱的體積公式的證明到公元5世紀(jì)祖恒求球體積的方法中都可找到。北宋大科學(xué)家沈括的《夢溪筆談》獨創(chuàng)了“隙積術(shù)”、“會圓術(shù)”和“棋局都數(shù)術(shù)”開創(chuàng)了對高階等差級數(shù)求和的研究。

特別是13世紀(jì)40年代到14世紀(jì)初,在主要領(lǐng)域都達(dá)到了中國古代數(shù)學(xué)的高峰,出現(xiàn)了現(xiàn)通稱賈憲三角形的“開方作法本源圖”和增乘開方法、“正負(fù)開方術(shù)”、“大衍求一術(shù)”、“大衍總數(shù)術(shù)”(一次同余式組解法)、“垛積術(shù)”(高階等差級數(shù)求和)、“招差術(shù)”(高次差內(nèi)差法)、“天元術(shù)”(數(shù)字高次方程一般解法)、“四元術(shù)”(四元高次方程組解法)、勾股數(shù)學(xué)、弧矢割圓術(shù)、組合數(shù)學(xué)、計算技術(shù)改革和珠算等都是在世界數(shù)學(xué)史上有重要地位的杰出成果,中國古代數(shù)學(xué)有了微積分前兩階段的出色工作,其中許多都是微積分得以創(chuàng)立的關(guān)鍵。中國已具備了17世紀(jì)發(fā)明微積分前夕的全部內(nèi)在條件,已經(jīng)接近了微積分的大門。可惜中國元朝以后,八股取士制造成了學(xué)術(shù)上的大倒退,封建統(tǒng)治的文化專制和盲目排外致使包括數(shù)學(xué)在內(nèi)的科學(xué)日漸衰落,在微積分創(chuàng)立的最關(guān)鍵一步落伍了。

十七世紀(jì)

到了十七世紀(jì),有許多科學(xué)問題需要解決,這些問題也就成了促使微積分產(chǎn)生的因素。歸結(jié)起來,大約有四種主要類型的問題:第一類是研究運動的時候直接出現(xiàn)的,也就是求即時速度的問題。第二類問題是求曲線的切線的問題。第三類問題是求函數(shù)的最大值和最小值問題。第四類問題是求曲線長、曲線圍成的面積、曲面圍成的體積、物體的重心、一個體積相當(dāng)大的物體作用于另一物體上的引力。

數(shù)學(xué)首先從對運動(如天文、航海問題等)的研究中引出了一個基本概念,在那以后的二百年里,這個概念在幾乎所有的工作中占中心位置,這就是函數(shù)——或變量間關(guān)系——的概念。緊接著函數(shù)概念的采用,產(chǎn)生了微積分,它是繼Euclid幾何之后,全部數(shù)學(xué)中的一個最大的創(chuàng)造。圍繞著解決上述四個核心的科學(xué)問題,微積分問題至少被十七世紀(jì)十幾個最大的數(shù)學(xué)家和幾十個小一些的數(shù)學(xué)家探索過。位于他們?nèi)控暙I(xiàn)頂峰的是牛頓和萊布尼茨的成就。在此,我們主要來介紹這兩位大師的工作。

實際上,在牛頓和萊布尼茨作出他們的沖刺之前,微積分的大量知識已經(jīng)積累起來了。十七世紀(jì)的許多著名的數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家、物理學(xué)家都為解決上述幾類問題作了大量的研究工作,如法國的費馬、笛卡爾、羅伯瓦、笛沙格;英國的巴羅、沃利斯;德國的開普勒;意大利的卡瓦列里等人都提出許多很有建樹的理論。為微積分的創(chuàng)立做出了貢獻(xiàn)。

例如費馬、巴羅、笛卡爾都對求曲線的切線以及曲線圍成的面積問題有過深入的研究,并且得到了一些結(jié)果,但是他們都沒有意識到它的重要性。在十七世紀(jì)的前三分之二,微積分的工作沉沒在細(xì)節(jié)里,作用不大的細(xì)微末節(jié)的推理使他們筋疲力盡了。只有少數(shù)幾個大學(xué)家意識到了這個問題,如James Gregory說過:“數(shù)學(xué)的真正劃分不是分成幾何和算術(shù),而是分成普遍的和特殊的”。而這普遍的東西是由兩個包羅萬象的思想家牛頓和萊布尼茨提供的。

十七世紀(jì)下半葉,在前人工作的基礎(chǔ)上,英國大科學(xué)家牛頓和德國數(shù)學(xué)家萊布尼茨分別在自己的國度里獨自研究和完成了微積分的創(chuàng)立工作,雖然這只是十分初步的工作。他們的最大功績是把兩個貌似毫不相關(guān)的問題聯(lián)系在一起,一個是切線問題(微分學(xué)的中心問題),一個是求積問題(積分學(xué)的中心問題)。

牛頓和萊布尼茨建立微積分的出發(fā)點是直觀的無窮小量,因此這門學(xué)科早期也稱為無窮小分析,這正是數(shù)學(xué)中分析學(xué)這一大分支名稱的來源。牛頓研究微積分著重于從運動學(xué)來考慮,萊布尼茨卻是側(cè)重于幾何學(xué)來考慮的。

牛頓

牛頓在1671年寫了《流數(shù)法和無窮級數(shù)》,這本書直到1736年才出版,它在這本書里指出,變量是由點、線、面的連續(xù)運動產(chǎn)生的,否定了以前自己認(rèn)為的變量是無窮小元素的靜止集合。他把連續(xù)變量叫做流動量,把這些流動量的導(dǎo)數(shù)叫做流數(shù)。牛頓在流數(shù)術(shù)中所提出的中心問題是:已知連續(xù)運動的路徑,求給定時刻的速度(微分法);已知運動的速度求給定時間內(nèi)經(jīng)過的路程(積分法)。

萊布尼茨

德國的萊布尼茨是一個博才多學(xué)的學(xué)者,1684年,他發(fā)表了現(xiàn)在世界上認(rèn)為是最早的微積分文獻(xiàn),這篇文章有一個很長而且很古怪的名字《一種求極大極小和切線的新方法,它也適用于分式和無理量,以及這種新方法的奇妙類型的計算》。就是這樣一片說理也頗含糊的文章,卻有劃時代的意義。他以含有現(xiàn)代的微分符號和基本微分法則。1686年,萊布尼茨發(fā)表了第一篇積分學(xué)的文獻(xiàn)。他是歷史上最偉大的符號學(xué)者之一,他所創(chuàng)設(shè)的微積分符號,遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于牛頓的符號,這對微積分的發(fā)展有極大的影響。我們使用的微積分通用符號就是當(dāng)時萊布尼茨精心選用的。

從幼年時代起,萊布尼茨就明顯展露出一顆燦爛的思想明星的跡象。他13歲時就像其他孩子讀小說一樣輕松地閱讀經(jīng)院學(xué)者的艱深的論文了。他提出無窮小的微積分算法,并且他發(fā)表自己的成果比艾薩克·牛頓爵士將它的手稿付梓早三年,而后者宣稱自己第一個做出了這項發(fā)現(xiàn)。

萊布尼茨是一個世故的人,取悅于宮廷并得到知名人士的庇護(hù)。他與斯賓諾莎有私交,后者的哲學(xué)給他以深刻的印象,雖然他斷然與斯賓諾莎的觀念分道揚鑣了。

萊布尼茨與哲學(xué)家、神學(xué)家和文人們進(jìn)行著廣泛的通信交往。在他的宏大計劃中曾嘗試達(dá)成新教和天主教之間的一個和解以及基督教國家之間的聯(lián)合,這種聯(lián)合在他那個時代意味著歐洲聯(lián)盟。他還做過后來成為普魯士科學(xué)院的柏林科學(xué)協(xié)會的第一會長。

他曾服務(wù)于漢諾威宮廷,但當(dāng)喬治一世成為英格蘭國王時,萊布尼茨沒有被邀請同去,也許是由于他與牛頓的爭端。他的公眾影響力下降了,而在1716年,他再無人注意,甚至被他所創(chuàng)立的學(xué)會忽視的情況下去世,終年70歲。

創(chuàng)立期爭議

微積分學(xué)的創(chuàng)立,極大地推動了數(shù)學(xué)的發(fā)展,過去很多初等數(shù)學(xué)束手無策的問題,運用微積分,往往迎刃而解,顯示出微積分學(xué)的非凡威力。

前面已經(jīng)提到,一門科學(xué)的創(chuàng)立決不是某一個人的業(yè)績,他必定是經(jīng)過多少人的努力后,在積累了大量成果的基礎(chǔ)上,最后由某個人或幾個人總結(jié)完成的。微積分也是這樣。

不幸的是,由于人們在欣賞微積分的宏偉功效之余,在提出誰是這門學(xué)科的創(chuàng)立者的時候,竟然引起了一場悍然大波,造成了歐洲大陸的數(shù)學(xué)家和英國數(shù)學(xué)家的長期對立。英國數(shù)學(xué)在一個時期里閉關(guān)鎖國,囿于民族偏見,過于拘泥在牛頓的“流數(shù)術(shù)”中停步不前,因而數(shù)學(xué)發(fā)展整整落后了一百年。

其實,牛頓和萊布尼茨分別是自己獨立研究,在大體上相近的時間里先后完成的。比較特殊的是牛頓創(chuàng)立微積分要比萊布尼茨早10年左右,但是正式公開發(fā)表微積分這一理論,萊布尼茨卻要比牛頓發(fā)表早三年。他們的研究各有長處,也都各有短處。那時候,由于民族偏見,關(guān)于發(fā)明優(yōu)先權(quán)的爭論竟從1699年始延續(xù)了一百多年。

應(yīng)該指出,這是和歷史上任何一項重大理論的完成都要經(jīng)歷一段時間一樣,牛頓和萊布尼茨的工作也都是很不完善的。他們在無窮和無窮小量這個問題上,其說不一,十分含糊。牛頓的無窮小量,有時候是零,有時候不是零而是有限的小量;萊布尼茨的也不能自圓其說。這些基礎(chǔ)方面的缺陷,最終導(dǎo)致了第二次數(shù)學(xué)危機的產(chǎn)生。

完善邏輯基礎(chǔ)

直到19世紀(jì)初,法國科學(xué)學(xué)院的科學(xué)家以柯西為首,對微積分的理論進(jìn)行了認(rèn)真研究,建立了極限理論,後來又經(jīng)過德國數(shù)學(xué)家維爾斯特拉斯進(jìn)一步的嚴(yán)格化,使極限理論成為了微積分的堅定基礎(chǔ)。才使微積分進(jìn)一步的發(fā)展開來。任何新興的、具有無量前途的科學(xué)成就都吸引著廣大的科學(xué)工作者。在微積分的歷史上也閃爍著這樣的一些明星:瑞士的雅科布·貝努利和他的兄弟約翰·貝努利、歐拉、法國的拉格朗日、柯西……

歐氏幾何也好,上古和中世紀(jì)的代數(shù)學(xué)也好,都是一種常量數(shù)學(xué),微積分才是真正的變量數(shù)學(xué),是數(shù)學(xué)中的大革命。微積分是高等數(shù)學(xué)的主要分支,不只是局限在解決力學(xué)中的變速問題,它馳騁在近代和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)園地里,建立了數(shù)不清的豐功偉績。

微積分介紹

微積分(Calculus)是高等數(shù)學(xué)中研究函數(shù)的微分(Differentiation)、積分(Integration)以及有關(guān)概念和應(yīng)用的數(shù)學(xué)分支。它是數(shù)學(xué)的一個基礎(chǔ)學(xué)科。內(nèi)容主要包括極限、微分學(xué)、積分學(xué)及其應(yīng)用。微分學(xué)包括求導(dǎo)數(shù)的運算,是一套關(guān)于變化率的理論。它使得函數(shù)、速度、加速度和曲線的斜率等均可用一套通用的符號進(jìn)行討論。積分學(xué),包括求積分的運算,為定義和計算面積、體積等提供一套通用的方法。

微積分是與應(yīng)用聯(lián)系著發(fā)展起來的,最初牛頓應(yīng)用微積分學(xué)及微分方程為了從萬有引力定律導(dǎo)出了開普勒行星運動三定律。此后,微積分學(xué)極大的推動了數(shù)學(xué)的發(fā)展,同時也極大的推動了天文學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)、經(jīng)濟學(xué)等自然科學(xué)、社會科學(xué)及應(yīng)用科學(xué)各個分支中的發(fā)展。并在這些學(xué)科中有越來越廣泛的應(yīng)用,特別是計算機的出現(xiàn)更有助于這些應(yīng)用的不斷發(fā)展。微積分作為一門交叉性很強的科目,除了在物理等自然科學(xué)上有強實用性外,在經(jīng)濟學(xué)上也有很強的推動作用。

微積分學(xué)應(yīng)用

微積分學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用幾乎影響了現(xiàn)代生活的所有領(lǐng)域。它與大部分科學(xué)分支關(guān)系密切,包括醫(yī)藥、護(hù)理、工業(yè)工程、商業(yè)管理、精算、計算機、統(tǒng)計、人口統(tǒng)計,特別是物理學(xué);經(jīng)濟學(xué)亦經(jīng)常會用到微積分學(xué)。幾乎所有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),如:機械、土木、建筑、航空及航海等工業(yè)工程都以微積分學(xué)作為基本數(shù)學(xué)工具。微積分使得數(shù)學(xué)可以在變量和常量之間互相轉(zhuǎn)化,讓我們可以已知一種方式時推導(dǎo)出來另一種方式。

物理學(xué)大量應(yīng)用微積分;經(jīng)典力學(xué)、熱傳和電磁學(xué)都與微積分有密切聯(lián)系。已知密度的物體質(zhì)量,動摩擦力,保守力場的總能量都可用微積分來計算。例如:將微積分應(yīng)用到牛頓第二定律中,史料一般將導(dǎo)數(shù)稱為“變化率”。物體動量的變化率等于向物體以同一方向所施的力。今 天常用的表達(dá)方式是 extbf{emph{F}}=m extbf{emph{a}},它包括了微分,因為加速度是速度的導(dǎo)數(shù),或是位置矢量的二階導(dǎo)數(shù)。已知物體的加速度,我們就可以得出它的路徑。

生物學(xué)用微積分來計算種群動態(tài),輸入繁殖和死亡率來模擬種群改變。

化學(xué)使用微積分來計算反應(yīng)速率,放射性衰退。

麥克斯韋爾的電磁學(xué)和愛因斯坦的廣義相對論都應(yīng)用了微分。

微積分可以與其他數(shù)學(xué)分支交叉混合。例如,混合線性代數(shù)來求得值域中一組數(shù)列的“最佳”線性近似。它也可以用在概率論中來確定由假設(shè)密度方程產(chǎn)生的連續(xù)隨機變量的概率。在解析幾何對方程圖像的研究中,微積分可以求得最大值、最小值、斜率、凹度、拐點等。

格林公式連接了一個封閉曲線上的線積分與一個邊界為C且平面區(qū)域為D的雙重積分。它被設(shè)計為求積儀工具,用以量度不規(guī)則的平面面積。例如:它可以在設(shè)計時計算不規(guī)則的花瓣床、游泳池的面積。

在醫(yī)療領(lǐng)域,微積分可以計算血管最優(yōu)支角,將血流最大化。通過藥物在體內(nèi)的衰退數(shù)據(jù),微積分可以推導(dǎo)出服用量。在核醫(yī)學(xué)中,它可以為治療腫瘤建立放射輸送模型。

在經(jīng)濟學(xué)中,微積分可以通過計算邊際成本和邊際利潤來確定最大收益。

微積分也被用于尋找方程的近似值;實踐中,它用于解微分方程,計算相關(guān)的應(yīng)用題,如:牛頓法、定點循環(huán)、線性近似等。比如:宇宙飛船利用歐拉方法來求得零重力環(huán)境下的近似曲線。

微積分學(xué)課程

在大學(xué)的數(shù)理、工程、商管教學(xué)中,微積分是“高等數(shù)學(xué)”的主要內(nèi)容之一。其教學(xué)法由學(xué)科創(chuàng)立一開始就受到人們重視。在美國大學(xué)先修課程中,AP微積分AB、BC分別為對應(yīng)大學(xué)一元微積分半年、全年課程。

在香港,微積分是新高中課程數(shù)學(xué)(延展部分)的一部分,這部分是選修的。

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