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趣味微积分从加速度到二阶导数

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加速度就是速度的变化率,就是速度变化的速度。

名称是加速度,从正负数的角度看,减速就是加速度为负。

古人也深知速度变化的重要性,所以用弓弩给箭加速。

古人也知道速度变化和力关系很大,所以选大力士挽弓,武举考试时,用几石弓来表示弓拉满需要的力量,这个石应该是标识重量的。

到了17世纪,牛顿才给出来力和加速度的数学关系,牛顿第二定律,对应于清朝康熙年间

秋千利用重力给人加速

如果一个物体的运动方程,就是距离随时间变化的方程,是已知的,

那它的速度方程,就是速度随时间的变化

就可以通过计算运动方程的导函数来算出来。

也是确定的。

那这个物体加速度随时间变化的方程。

就可以通过对速度方程,再算一次导数计算出来。

算出来以后,

就可以通过加速度随时间变化的方程,推算出物体的受力情况了。

高铁车辆可以加速到很高

这样对物体的运动方程,求一次导得到一个函数,再求一次导,又得到一个函数。第一次得到的是速度方程,第二次得到的是加速度方程,也就是受力方程,都是非常有现实意义的。

对好多函数,这个过程可以一直进行下去,第一次求导,得到一阶导函数,第二次求导得到二次导函数,再到三阶。。。。一直到n阶。

匈牙利景色

那这n阶导函数,有没有实用价值呢?还是仅仅是个抽象的观念,是个游戏而已?

有实用价值,而且还很大。

比如有个匈牙利的初中数学竞赛题,要求计算sin15度角的值。需要复杂的技巧,添加辅助线才能算出来。

如果算sin14度是不是更复杂了?

开普勒根据天文观察数据总结出行星运动的规律。那行星运动轨迹里包含行星到太阳的距离。当时又没有激光等先进技术,当时是如何得知行星到太阳的距离的?

剑桥大学牛顿曾经在这里学习和任教

开普勒总结出行星运动规律

就是根据天文观察,用三角函数计算出来的。

而天文观察的结果,不可能正好是个好算的度数。

所以如何算任意角度的三角函数值,并达到高精度,是非常重要的。

而一个函数在一点的前n阶导数值,就可以用来计算出泰勒级数的系数,把函数展开成泰勒级数,就可以逼近函数值到想要的精度。

这样,计算sin15度的值,15度转化为弧度,就是π/12,代入泰勒级数,就可以算出它的正弦值了。

cosx的泰勒展开

所以函数的n阶导数,不是个游戏,有很大的实用价值。

二阶导数对运动方程来说,表示加速度。

在地面上,看到一个山包,感觉是凸起的,看到一个坑,感觉是凹陷的,这种凸凹的感觉,也可以用微积分来计算和描述。

对于一般的函数来说,在直角坐标系上画出函数的图像,一点的一阶导数表示过这点函数曲线的切线斜率,二阶导数的正负,可以判断函数图像在这点的凸凹性。

古代的科学家也是很有聪明才智的。

多年前,欧几里得就写了几何原本。

多年前,就知道如何用三角形三边计算面积的海伦公式,

窑洞的拱券就是一段圆弧

多年前,阿基米德就知道浮力计算公式。

为什么微积分,以及牛顿力学到,十七世纪末才发明,就是清朝康熙年间。

主要是因为在地球上,要比较准确的记录物体的运动轨迹,需要比较准确的计时装置。当时计算装置的精度还不够。古代肯定没有高速摄像机,而天体运动,虽然绝对速度快,比如地球围绕太阳,一年才循环一圈,每天迟观察一分钟,早观察一分钟,一分钟比一年,小于30万分之一,引起的误差并不大,所以记录天体运动的轨迹,对计时装置的要求不高。只有通过观察天体,才能积累到足够的观察数据,用于总结规律。

太阳系示意图

太阳系从数学上来说,运动轨道的二阶导数才能和物体的受力联系起来,而天体的运动轨道不是直线的,而是椭圆的,需要把受力和运动从x和y两个方向上,做分解才好计算。

牛顿能提出一整套复杂的力学原理,并发明微积分来计算和解释天体的运动轨道,他的想象力和创造力确实是无与伦比的。

微积分在牛顿以后,将得到巨大的发展,用于计算和解释更广泛的现象,比如电磁现象,量子力学等。



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