文章导读:林群科技传播者(含科普工作者)自1956年进入中科院后,林群在中国科大当微积分助教,后来又教了三年微积分。二十多年来,林群一直致力于微积分的科普教育工作:画微积分连环画《画中漫游微积分》;出微积分读物《微分方程与三角测量》《微积分快餐》《微积分减肥快跑》;办微积分普及讲座;开微积分博客……大家都亲切地称他为“微积分爷爷”。
越来越多的人喜欢林院士,但微积分对于许多人来说依然像座大山,这也让林群院士不断思考向大众宣传微积分的方式方法。用通俗语言或者用小学学过的知识,一点点去讲述微积分。林群院士还尝试制作微积分卡片,希望普通人可以像念《三字经》一样,先背诵下来再慢慢理解。
微积分提纲(初三到大一)
主页:一本书到一张卡北京珠市口天桥出现微积分的一道题

这题什么意思?微积分的精确描述(含破解)通常需要写一本书. 我们几经努力,变成了一张卡,只含一道算术题. 简言之,微积分变成一道算术.
怎样做到呢?让圆说话:圆有一道算术题

题解:图形左边的公式若不放心,可看图形右边[1]. 由于cosθ能任意接近1(随θ→0),它只能取0.99...(不可能取别的数). 解毕. 改写:圆有一道算术题

意外且微妙[2]:微积分也就是这道算术题,只是分子与分母的取法有所不同,如下微积分小卡片算术假设每个分数的分子与分母足够接近,相除能任意接近1,必然取

这里的分子们分母们可不相同回到微积分:取分子=小直角三角形的高=微分(命名),分母=相应曲边三角形的高(称小高),使之满足算术假设

(称均匀可微),由算术定理得

9的个数在增(随分割在增)
即微分的积分=小高相加=全高此即微积分原理

设分母>0且9的个数一样(均匀),则有算术定理

由局部分数到整体分数需要均匀只需验证. 先验左边:


同理再验右边一时不理解也不要紧,像念三字经一样,先背诵下来:它们由认得的三个词,分子,分母,0.99...
(即百分之九十九点九九...
)构成.
所以,下决心把圆(初中水平)的算术做好,微积分也就做好了. 所以微积分原理的复杂度跟圆相当. 试问:对于高等数学的复杂度,是否都可以找到一个初等数学的模型,与其“同构”

小卡片还是有点烦(至少含一道算术),但 利>> 弊 不学白不学,见下1.
微积分低成本高收益

实例:2000年人口普查,挨家挨户访问5亿人花了一年. 若根据马尔萨斯定律,利用过去(1990)人口数据,再应用微积分,一个大学生只花五分钟,即推算出2000年的人口. 结果差6.4%,但成本更要紧.
又例:材料科学基本靠微积分来算,过去爱迪生为找灯丝的最优材料,做了几千次实验,一旦有了微积分,应该是几分钟2.
微积分包含一生受益的哲学,或认识世界的方法:微积分,由托尔斯泰在《战争与和平》中,译成一条历史学定律

3.
微积分改变世界:莉莉安・李伯说,麦克斯韦第一个想出了“电磁场里的波”这个概念,再运用微积分推出电磁波存在. 之后赫兹验证了电磁波的存在,时代翻页,出现互联网



克里斯・罗里斯说,若阿基米德“失传遗稿”(有关微积分吧)早牛顿100年被世人发现,那么人类科技进程可能就会提前100年,人类说不定都已经登上了火星注:几百页“书海”为什么可以十分钟潜底?

传统假设微积分的“海水”层层不同(所谓点点可微,太繁琐),简单至上:让我们干脆假设这“海水”层层相同(所谓均匀可微),于是一潜到底. 有志者可做一道题:点点可微

一致可微

副页:一张卡到一本书主页的小卡片就像一个龙头

它放出副产品,将取成高中数学以及随后的理工科大学教材(小卡片先放到高中来学,进大学后便跟理工科的专业学习接轨,不必拖到第二学期再补. 这也是优势)
一、小卡片的四道习题构成理工科教材 预备:前面为突出思想,尽量采用口头表达,放弃数学惯用的符号. 当转入理工科应用题,先要介绍什么是函数. 这时需要数学符号. 高中教材写得很细琐,我不需要那么多. 简单说,函数记为f(x),最常见的函数有多项式(与幂函数),还有三角函数(与反三角函数),甚至有指数函数(与对数函数,看张景中《用极限的微积分》第9讲). 习题1. 微积分公式的假设中,已包含导数(即切线斜率,即

)的定义

首先据此定义来计算个别函数的导数,然后根据导数的计算法则(+ - × ÷,复合)以少胜多,扩大战果(张景中语),制作更完整的导数表,如原函数导数








...
...
求导数何用?首先若无导数,哪有微积分公式!此外,由求导数立刻可求曲线山坡的斜率,瞬时速度等. 下面习题3将看到,也可求极值与最值. 下面习题4将用来推导泰勒公式习题2. 反过来用导数表(如后两行),求出圆周长

与圆面积

再由微积分公式得到原函数在两端的值,就是

与

.
习题3. 由微积分公式(不用微分中值公式)
便可推出高中课本用到的结论(当时没有学到微积分公式,所以只知其然,不知其所以然)

仅由定义但不用公式可推出这些结论吗?大数学家也被忽悠了(正好说明大人物不卖书的账)
习题4. 累次应用微积分公式,就是泰勒公式

第1阶:

第2阶:

第3阶:

n+1阶:或

最后的积分余项,当

有界,便出现因子

. 特别得出精确值(不是近似值)

以上将非多项式函数展开为多项式,实乃计算革命,微积分并以此闻名于世

抓大放小:微积分有以上几道应用题就差不多了,足以构成理工科教材(高中也由此取材)
. 无需更多,简单至上二、数学系教材:锦上添花多加一些奢侈品,如极限与连续

处处连续处处不可微特别是微分中值公式(上了天桥)更是锦上添花


不过这些材料易说明、难证明,记得住定理、记不住证明,只需走马看花简单至上:无需更多!
级数好处理

实数也好处理,因为有了如下的华罗庚构造法.
三、实数之母:

测量需要实数. 利用

无限位小数,逐句逐字耍出一般实数

按部就班依序试算联合成不等式最终等式唯一实数的整数部分↕




阿基米德原理选出整数a


小数部分第一位↕




区间分成十份


小数部分第二位↕




区间再分十份


小数部分第三位↕




区间再分十份


找出规律归纳类推至所有位每为

多找一个小数位,等号右边的小数点后就在加9,越来越接近1. 这就是华罗庚构造法

(

,R不能用有限位小数表达)



古今总结古人认为:

(整数及其四则运算,其中整数之比未必是整数,可能是有限或无限循环小数)
任一长度对应

华罗庚耍出推论:单调上升且有上界的数列必有极限四、ε-语言当我们说:数列

任意接近1时,只能是

何必写成

,用

折磨自己?简单至上但各种场合,例如


时,只能是

由



,便是

可见采用

更统一. 但有了

,ε不过跟它“同构”

齐民友译的《普林斯顿数学指南》说,柯西提出ε-讲法当时许多学生认为太难,所以其他教师还是按老方法讲课. 最终,还是柯西的讲法在法国逐渐得到普遍采用. 所以需要多数人认可. 《指南》还说:鲁宾逊的非标准分析曾经激起了一阵活动,从有些地方传来了喝彩,但是,他的方法从没有被广泛接受. 五、小卡片改变了课程顺序传统分五步

前面为底层,最后为顶层如今倒过来

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