缘于七年级孩子的微积分入门(一)

 

一朋友来电话说,她的孩子才读七年级,想自学微积分,没找到合适的书。想请我推荐。我记忆中秦元勋先生写过一本《从算术到常微分方程》,写得比较简单。就推荐并告知:书已经不太好买,我借他。回来在书架上找没找着。想,我何不写一点微积分入门的材料呢?...

引子
一个朋友来电话说,她的孩子才读七年级,想自学微积分,没找到合适的书。想请我推荐。我记忆中秦元勋先生写过一本《从算术到常微分方程》,写得比较简单。就推荐了这本,并告知:本书已经不太好买,我有一本,借他。回来在书架上找了半天,没找着。边找边想,我为什么不写一点微积分入门的材料呢?

内容初步设想
先想了以下几个问题,边写边继续想!
微分(导数)干什么?

积分干什么?

越来越……是什么意思?

0不能作除数,但两个无限接近于0的数相除呢?

无限多个确定的数(比如无限多个3)加起无意义,但无限多个无限小的数相加呢?

……
微分(导数)干什么?
从坡度说起

和朋友或家人驾车行驶在高速公路上时,经常能看到关于坡度的警示牌。比如急下坡4%之类。(下图中的60%也是坡度,但不可能是在高速公路上)
路上无聊时,常常也会问问同车的人:“急下坡4%”中的4%是什么意思?通常得到的回答是不知道。继续问:能不能猜一猜,通常也得不到答案。因为是闲聊,也就没给人上课了。这里讲清楚这个事。其实很简单,就是竖直方向移动的距离与水平方向移动的距离的比值。

下图中,h/H即为坡值。
我们关心得更多的是角度,下图是角度与坡度的对应关系近似)。
下面是著名的江岛大桥,看起来很陡吧。
其实是只有6%。看看它的侧面:


坡上某一点的坡度

道路上的坡度,我们通常是整体看的。

我们来看看下图:
这个坡度为20%,一直没变。于是我们就说这上面每一点的坡度都是20%:A点的坡度是20%,B点的坡度也是20%。

下图呢?
坡度在C点发生了变化,开始变大了,变大后就没继续变了。事实上,D点和E点的坡度都是100%,但C点的坡度不太好说,因为坡度在这一点突然发生了变化。

我们再来看下面的图:
凭直觉,从A经B到C,坡度应该是越来越小,这种变化是连续的。那么在A,B,C三个点上,坡度分别是多少呢?C点的坡度似乎可以说成是0,其他两点呢?
微分(导数)就研究这样的问题。


再说速度

我们都知道速度,就是刻画物体运动快慢的量。你的汽车前面就有个速度表,当你开着车匀速前进时,你的看你眼前的速度表,60,你完全理。现在你开始不断的加油门,速度在不断的提升,你瞧一眼眼前的速度表,80。是什么意思呢?当速度在不断的变化时,此时此刻的速度是什么意思呢?

这样越来越快的事,我们还有很多经验。两个铁球同时落地,我们太熟悉了。
伽利略放下那丙个铁球时,它们的速度时刻都在变化,越来越快,最终同时落地,但到底多长时间落地呢?牛顿解决了这个问题。有个式子,说明在一定范围内(离地球表面太远不行),在理想状态下(不考虑空气阻力之类),放下一个物体,让它自由落下后的情况。这个式子是
其中S表示物体下落的距离,以米为单位,t从开始下落算起的时间,以秒作单位。这说明伽利略放下那丙个铁球2秒后,球将落下4.9*2*2=19.6米。比萨斜塔只有50多米,落下也就3到4秒。但我们想问,铁球不断加速,当它砸到地面的那一瞬间,速度到底是多少呢?
讲清楚这事,也是微分(导数)要干的。
总之,研究某种连续变化的过程,比如关心在微小时间段内的某种微小变化,甚至搞清楚在连续变化过程中某一具体时刻(即一瞬间)的状态,就是微分(导数)要干的事。


看看这个小动画:
明天讲与这个有关的:积分干什么!

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