淺談利用定積分計算函數(shù)圖像面積的合理性
在并未實地接觸微積分的廣大人群中,認為利用微積分計算函數(shù)曲線下的圖像面積是一種數(shù)學上的極微近似的人不占少數(shù)。然而在學了極限后的人群中,這樣的思想可能會轉變?yōu)椋豪梦⒎e分計算函數(shù)曲線下的圖像面積并非近似,而是利用了極限的思想。
兩者有異曲同工之妙,近似和極限似乎是一對近義詞,但近似相對于極限來說顯得大一些。在極限下,取極值就是取定這個數(shù)終不能到達的數(shù)但永遠趨近的數(shù),近似則是粗略的對一個數(shù)進行復雜程度的減小,簡單來說,后者對數(shù)的值的改變遠遠大于前者對數(shù)的值的改變。
但是,如此確定地認為微積分對面積的計算真的只是極限思維,我覺得,還不至于。對于微積分對面積的計算,我覺得是做的最好的,甚至可以說,在數(shù)學史上,這無疑是一個最為精妙的工具。
前言說了這么多,該拿出點實話了。
我們得先了解一下函數(shù)“曲線”的本質,說到底,每條函數(shù)“曲線”都是無數(shù)個滿足函數(shù)解析式的值在函數(shù)圖上的連線,也就是無數(shù)條無限短的線段的組成,在宏觀上看是曲線,在微觀上看卻是無數(shù)條線段。這里面存在的端點,顯然,在不計觸碰原點(這里考慮函數(shù)曲線上存在有0的值)的情況下,仍然有無數(shù)個。
定積分的本質是什么?將一個要求的圖像進行無窮分,每次分割出一個矩形,它們的底顯然都相等,唯一不等的是高(這里我們考慮只有一條曲線,在后來我們會發(fā)現(xiàn)多條曲線仍然可以通過原有的算法進行加減計算)。我們知道,每個矩形對應的高的值取決于它所在的x值進行函數(shù)解析式的運算后的y值,而這個y值,實際上就是函數(shù)曲線的無數(shù)條線段組成的其中一個端點。實際上,我們不妨認為,將底無窮等分,高就有無窮多份,隨著底越來越小,對應的高在函數(shù)曲線上的點就越來越密集,則就是曲線中的無數(shù)個端點。
這個時候,我們回過頭來,用圖像來表示,把曲線下的圖形分成無窮多份矩形,似乎每次都會多出來一塊于曲線外,看著似乎極不規(guī)則,但實際上,如果份數(shù)越來越少,我們就根據(jù)上一段可以得出,在宏觀上觀察,似乎的確不規(guī)則,但在微觀上看,實際上就是一群小三角形。
約去這些小三角形,得到的其實就是面積了,而這具體的,僅僅只需要用一個最為簡單的例子來說明——f(x)=x,即y=x,這個時候,我們取過原點的那條函數(shù)定義的直線上取一點,并過此點作一直線垂直于x軸,此時得到一個直角三角形,假設底為a,進行n等分,經(jīng)過定積分計算(我們這里由于討論主題不討論經(jīng)典的幾何算法即底乘高乘1/2了),不難得出,多出來的這群小三角形的面積為a2/n,這個值隨著n的趨向無窮大而趨向無窮小即趨向0。此時無窮小似乎在極限看來可以約去,實則不然,其實是“減去”而不是“約去”。當然,無論如何,即使你就主體為那群多出來的小三角形求面積,仍然得a2/n,你若不信,倒可試試。
那么,實際上,我們的結論就出來了。每一條函數(shù)曲線其實就是上段直角三角形斜邊的復雜變形,進行定積分運算,多出來的那部分必定是規(guī)則的小三角形,而不是不規(guī)則的圖形——正如我在5、6、7段中所陳述的。
由此可見,定積分真可謂是一個精妙的計算工具。數(shù)學家們拿著它過關斬將,每個人能夠學到它,那就是這個人至高無上的榮幸啊。