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微积分 · 番外

看见「变化」与「累积」——初中之后的第一座高峰

两个核心问题

初中我们一直在算「确定的量」:一个方程的解、一个三角形的面积。但现实里更多问题是变化累积:车速怎么变、路程累计多少、曲线围成多大一块。

微积分只做两件事,而且都用同一个魔法——无限逼近(极限)

本课用最简单的函数 f(x)=x² 当例子,带你把这两个概念「看见」。

① 导数:变化的瞬间

先想一个例子:一辆车从静止匀加速,路程 s = ½·a·t²。问「第 3 秒时有多快?」这不是问 0~3 秒的平均速度,而是问第 3 秒那一刻的快慢——这就是「瞬时速度」。

数学上怎么做?先取一小段 h:用 [x₀, x₀+h] 上的平均变化率(割线斜率)去近似,再让 h → 0 无限逼近那一刻。下面动手感受这个「逼近」过程:

拖动 h 变小:珊瑚色割线会一点点贴向青色切线。当 h→0,割线斜率就变成「导数」。x₀ 决定看曲线的哪一点。

写成公式,导数就是「差商的极限」:

f'(x₀) = limh→0 ( f(x₀+h) − f(x₀) ) / h

f(x)=x²,代入算一下:( (x₀+h)² − x₀² ) / h = (2x₀h + h²)/h = 2x₀ + h,让 h→0 就得到 f'(x₀)=2x₀。漂亮!所以 的导数是 2x

f(x)=c→ 0
f(x)=x→ 1
f(x)=x²→ 2x
f(x)=xⁿ→ n·xⁿ⁻¹

上面是「幂函数」的求导规律(最后一行是通用公式,记住它,高中会反复用)。

导数不只是一个数——每个 x 都对应一个导数值,这些导数值自己又连成一条新曲线,叫「导数函数 f'(x)」。下面拖动 x,看蓝色原曲线 f(x)=x² 上的红点,如何带着青色导数曲线 f'(x)=2x 上的青点一起走:

红点沿 f(x)=x² 移动,珊瑚切线绕动;青点在同一 x 处落在导数曲线 f'(x)=2x 上。切线有多陡,青点就跳多高。

② 积分:累积的艺术

再想:已知瞬时速度 v(t),怎么求总路程?把时间切成很多小段,每段近似匀速,算出小段路程再全部加起来——段数越多越准。这就是黎曼和

∫₀² x² dx 围出的面积,直接求不容易。办法是用很多细矩形条去填,条数越多、单条越薄,面积和就越逼近真实值 8/3。而且取每段的左端点 / 中点 / 右端点高度,精度还不一样:

拖动条数变大,珊瑚矩形越来越贴合蓝曲线。对 这种上升曲线:左端点低估、右端点高估、中点最准。看右侧「误差」如何变化。

积分的写法 ∫₀² x² dx 各部分含义:

本例正好能精确算:∫ x² dx = x³/3,所以 ∫₀² x² dx = 2³/3 − 0 = 8/3 ≈ 2.667。黎曼和逼近的,正是这个数。

③ 导数与积分的默契

最神奇的事来了:积分是导数的逆运算。这叫微积分基本定理

前面说 的导数是 2x。现在反过来:把 2x 当作「被积函数」,从 0 积到某个上界 X,得到的面积 F(X)=∫₀^X 2t dt = X²——恰好又回到 !拖动下面的 X,看青色阴影面积如何随 X 长大,而它的「增长快慢」(对 X 求导)正好等于被积函数 2X 的高度:

阴影面积 F(X)=X²。把 F 关于 X 求导,得到 F'(X)=2X,正是被积函数。这就是「积分与导数互逆」。

一句话记住:导数看「瞬间快慢」,积分看「长期累积」,两者互为逆运算,由极限缝合。

练一练

1

函数 f(x)=x²,在 x=3 处的导数是?

2

函数 f(x)=2x,它的导数是?(常数斜率)

3

割线斜率 ( f(x₀+h)−f(x₀) ) / h,当 h→0 时的极限叫什么?

4

按幂函数规律,f(x)=x³ 的导数是?

5

∫₀² x dx 围成的面积(三角形)等于?

6

∫₀² x² dx = ?请填精确分数(如 8/3)

7

导数在几何上,等于曲线上该点的什么?(三个字)

8

微积分基本定理说:积分是导数的什么运算?(三个字)

9

黎曼和中,矩形条数越多,近似面积越____真实值。

本节小结

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