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。
一、生活中的「變化」:
你一定經歷過許多生活中的改變。先從長時間的變化說起:隨著時間流逝,人會不斷成長,只要還在發育,身高、體重,與面貌都會不斷改變;而都市街景、環境也隨著時間改變,歷經數十年,可能已由較矮的平房,變成高聳的大樓,城市中的綠地、農田面積,也隨著時間逐漸減少,被人類開發完畢;植物幼苗歷經四、五十年,可以長成大樹。生活中也有許多短時間變化,最常見的就是通勤時的位置變化,從家裡出發,一小時後抵達公司,或是坐上高鐵,經過不久後,你就已抵達另一個縣市;在冬天時,一碗熱騰騰的湯麵上桌不久後,就會因熱量散失逐漸散失;除了時間帶來的改變,還有許多貼近的生活的例子,一樣產品如果定價變得越貴,願意購買的消費者越少,這是價格影響購買量的變化;距離音響的距離越遠,聽到的音量越小聲,這是距離帶來的變化。
二、「變化率」的由來:
只形容一種單位的改變不是變化率,只能稱之為變化。用文章上述坐列車的例子來說明,如果只寫:「列車的移動了10公里」,這只描述位移,沒有表達時間的流逝,因此,只能稱10公里為「位置變化」而非「變化率」。要算變化率,就要寫出另一單位的改變才能計算,例如:加上「經過一個半小時」,位置移動了10公里,就能計算平均變化率。有兩個單位,要選擇一個作為基準,若要利用「小時」作為基準單位,「公里」為對應變化單位,表達「位置對單位時間的變化率」,就須將時間變化放置在分母,位置變化放在分子,在數學中可以分數方式表示以上觀念:
位置變化/時間變化=
這個分數表示的意義是:「平均來看,列車每經過一小時時間,移動20/3公里」,在物理中位置對時間的變化率即是速度,換句話說這輛列車的平均速度是20/3(單位:公里/小時)。
同樣地,如果觀察的不是列車位置的移動,而是植物的成長,亦要區別變化與變化率。假設有一份植物觀察日記,寫下植物發芽後長高了15公分,只形容了高度變化,因此不能稱15公分為變化率,但若加上另一時間單位:天數,紀錄寫成「五天過後,植物成長了15公分」,目前的資訊,若以天數作為基準單位,就能求出高度對時間的變化率了,只需將高度變化15cm除以5天,其寫成分數形式為:
表示的意義是:「平均來看,植物每過1天,成長3公分」
經過上述討論,讀者已經了解變化與變化率區別,變化率必須要有兩種單位的變化,才能利用分數(註1),將一種單位除以另一種單位算出答案。實際例子是:位置對時間的變化率,即以時間作為基準,要用位置變化除以時間:位置變化/時間變化;而植物高度對時間的變化率,亦以時間作為基準,要用高度變化除以時間:高度變化/時間變化。一晚熱湯麵的溫度會逐漸降低,湯麵的溫度對時間的變化率,即以時間作為基準,用溫度變化除以時間:溫度變化/時間變化,就可算出湯麵冷卻的平均速度。
三、斜率的定義:
數學中的斜率就是一種變化率,但數學家追求一般化問題,換句話說,數學家希望能用一個抽象的關係,來顯示眾多例子上的共同點,讓你在各種形形色色的事件當中,都能發現同樣的數學觀念,並能用同樣的方式求出解答。因此數學定義斜率,不能以具體的生活例子定義,必須將變化率的定義抽象化,觀察上述舉的例子:距離對時間的變化率為速度,植物高度對時間的變化率為成長速度,變化率皆由兩個單位組成,變化率需要是一個單位對基準單位的變化,表示的意義是:當觀察者發現基準單位變化時,另一個單位隨之變化。例如:植物高度對時間的平均變化率(成長速度)是,即以天數為基準單位,公分為伴隨變化,前為計算結果為「3 公分/天」,表示的意義是:平均來看,每過一天植物長了3公分。
數學家將基準單位取代號為x,另一個隨之變化的單位為y,數學、物理通常將變化用大寫的希臘字母Δ表示,x的變化寫作Δx,y的變化寫作Δy。數學定義斜率就是y對x的變化率,即y除以x,寫作:
變化量即最終結果減初始狀態,變化一定有觀察的起點與始點,如果是1號開始觀察植物,那麼五天後就是6號,如果一開始是5公分,結果就是20公分,所以若將初始的(x, y)標為(x1, y1),結果的(x, y)標為(x2, y2),斜率又可以改寫成:
以上就是斜率的定義,後續文章將介紹斜率的幾何意義、教讀者分辨瞬時變化率與平均變化率,最後引入函數、直角座標平面,說明瞬時變化率、平均變化率在函數圖形上的幾何意義,並將瞬時變化的觀念連結回微分的定義。
註1:分數就隱含除法的觀念,除以6就是把6放在分母,即將6倒數成1/6。
文章難度:易