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從生活認識微積分(十)什麼是「微分」(下)

更新於 發佈於 閱讀時間約 6 分鐘
  上篇文章介紹物理學家如何定義瞬時速度,本篇文章將延續上回文章脈絡,帶領讀者從回顧瞬時速度的由來,一般化瞬時速度的定義,最後引入導數和可微分的的定義,說明導數、瞬間變化率、可微分,牽涉到同一極限的觀念,讓讀者由現實世界逐步走入抽象世界。

一、回顧:瞬時速度的由來

  在上篇文章中,我們介紹了物理學家的思維,如何求貓咪奔跑時第3秒的瞬時速度。因為速度就是位置對時間的變化率,雖然求的是第3秒那一眨眼間貓咪奔跑的速度,但不可能只觀測貓咪在第3秒時的位置,就能得到瞬時速度,因為只有一個時間點和一個位置,要如何求得「變化率」呢?一個時間點豈有「時間間隔」與「位置變化」呢?
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由於學校上課時間有限,老師礙於進度壓力,時常無法慢慢一步步地帶領學生思考和理解數學中的觀念,而是倉促講解完概念後,開始進入計算解題。然而數學不單是計算而已,數學真正的精髓卻是在於背後觀念中,邏輯的推演與歸納。也因此期盼透過本專題的數學科普文,能幫助讀者看見數學的美,並提升讀者的思考、推理邏輯能力。
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本篇文章延續先前主軸,且分上、下兩篇。上篇將主旨聚焦於單一例子:「瞬時速度」,透過討論貓咪奔跑之實例,複習並計算平均速度之定義,在說明瞬時速度的觀念,最後進一步鋪成下篇的抽象微分概念。
在前幾篇文章中,透過許多生活例子,如:經過幾分後,計算火鍋湯溫度對時間的平均變化率;又或者計算植物的平均生長速度,讓讀者了解,斜率是由兩個變量相除計算而來,對於「斜率」有深刻了解。此篇文章則將帶領讀者,由生活中的時間間隔,進一步思考「瞬時」與「平均」變化率之間的差異。
你曾有燒開水或煮火鍋的經驗嗎?如果將開水或湯的溫度,過一段時間後,測量兩次後畫在紙上,就可以計算兩點間的斜率,本文將從燒開水的生活經驗切入,探討上篇中沒有探討的遞增型斜率,並總結正、負斜率的幾何意義,
在上文透過探討生活中變化率,延伸到數學中兩點斜率公式。本文將以另一個角度切入,分上、下兩篇詮釋數學斜率的幾何意義,上篇將從日常生活中的斜坡與剖面圖,引入直線、斜率,直角座標平面,從圖形解釋兩點斜率的基本幾何意義。
這是微積分科普系列文章的第四篇,在討論微分律之前,讀者需先認識斜率的定義,並能區分平均與瞬時變化率的差異。因為微分律由導數推衍而來,而導數即是求函數圖形上,某一點的切線斜率。本文從生活中的變化講起,提出變化率的計算方式,與數學中斜率的定義。
這是微積分科普系列文章的第三篇,本文分成兩個部分。第一部分:由於上文以極限的反思作結,告訴讀者透過實驗與推測,不能確定函數的極限,因此本文將以嚴格的數學定義,說明如何證明函數的極限,回答上文中的反思問題,了解定義後,未來再證明函數極限的加、減、乘、除;第二部分:將以生活對話向你解釋「無限大、無限小」
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