五分钟,把微积分灌进你脑子里:导数与积分动画入门

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只要会初中数学就能看懂。全片只用一个例子:一辆车。路程是 t²,速度是 2t,第 3 秒、9 米这组数从头用到尾,导数和积分都是被问题逼出来的,不先给定义。

章节

  1. 0:00挑战:五分钟学会微积分
  2. 0:14匀速的车
  3. 0:23斜率就是速度
  4. 0:39面积就是路程
  5. 0:51记住两句话
  6. 1:00车开始加速
  7. 1:12一瞬间:0 除以 0
  8. 1:26不算一瞬间,算一小段
  9. 1:50切线
  10. 2:04极限与导数
  11. 2:27反过来:只知道速度
  12. 2:37切成细条:积分
  13. 3:04微积分基本定理
  14. 3:25抛物线下的面积
  15. 4:19导数找最大值:篱笆问题
  16. 4:48回顾:微积分就一招
  17. 5:11出一套题检验一下

文字稿

0:00 挑战:五分钟学会微积分

人再笨,还能学不会微积分?好,今天我就来挑战一下:五分钟,用动画把微积分硬塞进你脑子里。你只要会初中数学就够。计时开始。

0:14 匀速的车

先看一辆匀速的车,每秒走 10 米。走 5 秒,就是 50 米。路程等于速度乘时间。

0:23 斜率就是速度

把它画成图:横轴是时间,纵轴是走过的路。得到一条直线。往右走一秒,线往上涨 10 米,这个涨法叫斜率,它就是速度。线越陡,车越快。

0:39 面积就是路程

再画一张,纵轴换成速度。匀速就是一条平线。线下面这块长方形,宽 5 秒,高 10,面积 50,正好是路程。

0:51 记住两句话

记住这两句:速度是路程图的斜率,路程是速度图的面积。整个微积分就藏在这两句话里。

1:00 车开始加速

可现实里的车会加速。假设它走过的路是时间的平方:1 秒 1 米,2 秒 4 米,3 秒 9 米。图不再是直线,弯了。

1:12 一瞬间:0 除以 0

问题来了:第 3 秒这一瞬间,车速是多少?速度是路程除以时间,可一瞬间,时间是 0,路程也是 0,0 除以 0,算不出来。

1:26 不算一瞬间,算一小段

办法是:不算一瞬间,算一小段。第 3 到第 4 秒,走了 16 减 9,7 米,平均每秒 7 米。缩到 0.1 秒,每秒 6.1 米。再缩:6.01,6.001。时间段越短,结果越贴近 6。所以第 3 秒这一瞬间,速度就是每秒 6 米。

1:50 切线

画面上,那条穿过两点的线,一点点转成了只碰曲线一下的线,叫切线。把曲线放大、再放大,它看起来就是直的。弯的东西,切得够碎,就是直的。

2:04 极限与导数

这个越缩越短、越来越逼近的过程,叫极限。用极限算出来的瞬间速度,也就是切线的斜率,叫导数。把 3 换成任意时刻 t,一小段的平均速度是 2t 加 h,h 缩到 0,剩下 2t。路程是 t 的平方,速度就是 2t,这就是求导。

2:27 反过来:只知道速度

反过来呢?你只看得到速度表,速度是 2t,3 秒走了多远?速度一直在变,没法直接乘。

2:37 切成细条:积分

还是那一招:切碎。切成 6 小段,每段里假装速度不变,路程就是一根细长方形。6 根加起来 7.5;切成 30 根,8.7;300 根,8.97。越切越细,越贴近 9。这些细条合起来,就是线下面那块三角形,面积正好是 9。把无数细条加起来求面积,这叫积分。

3:04 微积分基本定理

这个 9 刚才见过:路程是 t 的平方,3 秒正好走了 9 米。这不是巧合。速度是路程的导数,路程就是速度图下面的面积。求导和积分,是同一件事的正反两面。这叫微积分基本定理,三百多年前由牛顿和莱布尼茨各自发现。

3:25 抛物线下的面积

想算哪条线下面的面积,不用再切,去找谁求导以后等于它。同样的办法能算出,t 的三次方求导是 3 乘 t 平方:指数拿下来当系数,再减一。那 x 平方这条抛物线,0 到 1 下面的面积是多少?求导会让指数减一,想得到 x 平方,求导前指数得是 3,先试 x 的三次方。x 的三次方求导,得 3 乘 x 平方,多了一个 3。那就在前面乘个三分之一:常数乘在前面,求导时原样留着,正好把 3 抵掉。所以三分之一 x 的三次方,求导正好是 x 平方。面积就是把 1 代进去,减去把 0 代进去,等于三分之一。两千多年前,阿基米德为了算抛物线围出的面积写了一整篇论文,现在你一行算完。

4:19 导数找最大值:篱笆问题

导数还有个常用法:找最大值。20 米篱笆围一块长方形地,怎么围最大?一边是 x,另一边就是 10 减 x,面积 10x 减 x 平方。面积爬到最高点那一刻,不涨不跌,切线是平的,导数等于 0。求导,10 减 2x 等于 0,x 等于 5。围成正方形,25 平方米最大。

4:48 回顾:微积分就一招

回顾一下,微积分就一招:切碎。切碎了看变化有多快,是导数;切碎了再加起来,是积分;两者互为逆运算。速度、增长率、最大最小,找导数;路程、面积、累计总量,找积分。看看表,没到五分钟。

5:11 出一套题检验一下

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