当前课程知识点:微积分(先修课) > 第一章 极限 > 1.1 极限概念引例 > 1.1.1 极限问题举例
同学们大家好
欢迎来到大学先修课程
微积分MOOC课程
今天我们介绍
第一章 极限
第一节 极限问题举例
极限理论是微积分学的基础
是微积分中研究函数性质
表述基本概念的重要工具
是微积分的基本语言
极限思想在两千多年前就出现了
在春秋战国时期的《庄子·天下篇》中就有
一尺之棰 日取其半 万世不竭
还有在古希腊的阿基米德
求曲边三角形面积的方法
用的就是极限的思想
我国魏晋时期数学家刘徽的割圆术
就是利用圆的内接正多边形的面积
来近似圆的面积
从而得到了圆周率π的近似值
最后刘徽为了说明他的方法是可信的
给出了 割之弥细 所失弥少
割之又割 以至于不可割
则与圆合体 而无所失矣
这种叙述就是较早的朴素的极限定义
在这一讲中
我们将介绍几个与极限有关的具体例子
通过这些例题
我们可以直观的感受到极限反映的现象
可以更好的体会我们将要处理的问题
我们首先看第一个例题
就是关于芝诺悖论与一尺之棰
所谓芝诺悖论就是在古希腊时期
芝诺描述了古希腊运动员阿基里斯
与乌龟之间的一场赛跑
为了显示公平首先允许乌龟先跑一段距离
尽管我们知道阿基里斯获胜是显然的
但是芝诺却给出了
阿基里斯永远也不会超越乌龟的结论
芝诺给出的理由是
阿基里斯为了追上乌龟
他必须先将他与乌龟之间的距离缩短一半
接着阿基里斯又必须将余下的距离再缩短一半
如此等等 无穷反复
因此 阿基里斯必须经过
无穷多个“距离缩短一半”的阶段
才能追上乌龟
而人的一生是有限的
不可能经过无穷多个“距离缩短一半”的过程
所以芝诺就得出了
阿基里斯永远也追不过乌龟的结论
事实上
如果我们假设阿基里斯第一次与乌龟之间
距离缩短一半所用的时间是二分之一个时间单位
那么他第二次缩短他与乌龟之间距离
所用的时间就是二的平方分之一个单位
第n次他与乌龟之间的距离缩短一半
所用的时间
就是二的n次方分之一个时间单位
这样阿基里斯要追上乌龟所用的总时间
就是将这些时间求和
我们就得到总时间T应该等于
二分之一加二的平方分之一
加二的三次方分之一
这样一直加下去
为了说明这个求和的意义
我们回过头来看一下
所谓的一尺之棰 日取其半 万世不竭
从数学上讲怎么来解释
我们假设第一天截掉的长度用L1来表示
那么L1就是二分之一
我们假设前n天截掉的长度用Ln来表示
那么前n天截掉的长度Ln就等于
二分之一加二的平方分之一
一直加到二的n次方分之一
那么我们这样裁下去
一直裁下去裁掉的总长度加起来
应该就等于一尺之棰的长度
也就是一个长度单位
所以二分之一加二的平方分之一
一直加到二的n次方分之一
一直加下去最后应该等于一
我们类似的就可以得到
阿基里斯追上乌龟所用的总时间T
等于二分之一加二的平方分之一
一直加下去也应该等于一个时间单位
因此我们就说明了
阿基里斯要用一个时间单位就能追上乌龟
这是我们要介绍的第一个例题
在这个例题里面
我们就碰到了对无穷多个数求和
一直求下去
这个和越来越接近一个确定的值
也就是我们这个例题中的1
接下来我们来看第二个例题
关于连续复利的问题
假设我们将一万元钱存入银行
银行提供的年利率我们记为为r
按复利计算
一年期满 我们得到的总的钱数是
一加上r也就是本金加利息
如果前6个月的利息我们不取出
将它作为后6个月的本金
那么一年期满后
我们得到的总钱数就应该是
一加二分之r括起来的平方
如果我们将一年分成n个计息周期
并且前面的利息我们都不取出
让它获取新的利息
那么一年期满后
我们得到的总的钱数应该就是
一加n分之r括起来的n次方
如果将分期数n变得越来越大
那么一年期满后
我们得到的总的钱数又将如何变化呢
在下面这个表格中
我们取银行的年利率是百分之五
也就是r等于0.05的情况
如果我们将计息周期数
分别取成十 二十 四十 七十 一百 和二百二
我们就会得到相应的一年期满后总的钱数
从这个表中我们可以看到
如果计息周期的数目n越来越大时
我们一年期满后得到的总钱数
也就是一加n分之r的n次方
也会越来越多
而且这个总钱数会越来越接近一个确定的值
这个确定的值在表中最后就是1.05127
好 接下来我们来看第三个例题
我们来研究一下关于
圆与抛物线在一点的切线问题
在中学平面几何中我们学过
圆在一点的切线就是
垂直于过该点的半径的直线
从图上可以看出
圆心在原点 半径为R的圆
过P0点也就是
(x0, y0) 这一点的半径所在直线的斜率
应该就是y0比上x0
由于两条直线垂直时它们斜率乘积等负一
所以我们就能得到过这点的切线的斜率
是负的x0比上y0
当然这个斜率负的x0比上y0
我们也可以用下面这一个方法求得
我们在圆周上除了P0之外
我们再任取一点P 坐标是(x, y)
因为(x0, y0)和(x, y)都满足圆的方程
所以我们就知道x平方加y的平方等于R方
x0的平方加y0的平方等于R的平方
我们把这两个等式相减整理就会得到
y减y0比上x减x0
等于x加x0比上y加y0的负值
而直线上两点的纵坐标差比上横坐标差
应该就是这条直线的斜率
所以我们就会得到弦P0 P所在直线的斜率
就是x加x0除上y加y0的负值
当P在圆周上越来越接近点P0时
我们就知道它的斜率会越来越接近于
负的x0比上y0
这实际就是圆在P0点的切线的斜率
有了圆的切线斜率之后
我们自然就可以写出这个圆在P0点的切线方程
也就是y减y0等于
负的x0比上y0乘上括号里面x减x0
整理之后我们就得到
x方加y方等于R方这个圆
在(x0, y0)这一点的切线方程是
x乘x0加上y乘y0等于R方
对于抛物线y等于x平方
我们怎么样讨论它在抛物线上的一点
P0处的切线呢
与刚才讨论圆的切线问题一样
我们在抛物线上任取另外一点P
坐标是(x, y)
我们就得到抛物线的一条弦P0P
这条弦的斜率就应该等于
这两点的纵坐标差比上横坐标差
也就是y减y0比上x减x0
因为这两点都在抛物线上
所以这个比值就等于
X平方减x0的平方比上x减x0
也就是等于x加上x0
当P在抛物线上越来越接近P0
也就是x越来越接近x0时
从几何上可以看出
这条弦P0P它的位置
会越来越接近一条直线l
而这条直线l我们就称它为
抛物线在这点的切线
那么弦P0P的斜率
也就是x加x0在这个过程中
会越来越接近于两倍的x0
而两倍的x0就是切线l的斜率
所以这样我们就得到
y等于x平方这条抛物线
在(x0, y0)这点的切线方程是
y减y0等于
两倍的x0乘上
括号里面x减x0
下面我们来看第四个例题
就是如何计算抛物线y等x平方
与直线y等于0也就是x轴
以及直线x等于1
所围成的平面图形的面积
这个问题也就是两千多年之前
阿基米德曾经讨论过的问题
而我们将要介绍的方法
与阿基米德的方法基本上是一致的
请大家看一下图
在这个图上我们将这个曲边三角形的底边
也就是x轴上的0到1区间n等分
相应的分点就是
n分之0 n分之1
一直到n分之n
我们看图中第k个大的矩形
和小的矩形
那么从左边数第k个大矩形的面积
应该就是底边长n分之一
乘上它的高也就是
n分之k括起来的平方
第k个小矩形的面积应该是
它底边长n分之一
乘上它的高也就是
n分之k减1括起来的平方
我们如果记大矩形的面积之和是大写的Sn
小矩形的面积之和是小写的sn
我们就会得到大矩形的面积之和
也就是大写的Sn等于
n的三次方分之一乘上括号里面
1的平方加2的平方
一直加到n的平方
小矩形的面积之和
也就是小写的sn就等于
n的三次方分之一乘上括号里面
0的平方加1的平方
一直加到n减1括起来的平方
根据正整数平方和的求和公式
我们就得到大写的Sn等于
n乘上n+1再乘上两倍的n加1
除上6倍的n的3次方
我们上下同除n的三次方
就会得到大写的Sn就等于
3分之1加上2n分之1
加上6n的平方分之1
类似的我们就可以求出小写的sn就等于
3分之1减掉2n分之1
加上6n的平方分之1
从它们的表达式我们可以看出
当分的份数越来越多
也就是n越来越大时
无论是大的矩形的面积之和
还是小的矩形的面积之和
都会越来越接近一个确定的值3分之1
从图上我们可以看出
曲边三角形的面积
应该介于大的矩形面积之和
和小的矩形面积之和之间
这样我们就得到了曲边三角形的面积
就应该是3分之1
在本讲中我们一共介绍了4个例子
这4个具体例子的背景各不相同
但是在处理的过程中
我们都遇到了在一个过程中
变量越来越接近某个确定的值的问题
对于这类问题的进一步的研究
就导致了极限的概念的建立
在下一讲中我们将介绍
函数在一点极限的概念
好 谢谢同学们
下一讲再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
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