從生活認識微積分(十四):函數微分的幾何意義(3)

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  本篇文章從將延續上文脈絡,從上文探討的座標、割線定義,接續探討連續函數的切線,說明割線與切線之間的關係。並銜接之後對微分幾何意義總結所做的文章。

(四)連續函數的切線

   有了割線的觀念後,切線的觀念就十分容易理解了。想像函數圖形上有相異兩點(x1, f(x1))和(x2, f(x2)),經由上篇文章介紹,我們得知這兩點會形成一條割線,橫切函數圖形。現在若要求連續函數某一定點上的定點A(x1,f(x1))之切線,要如何尋找這條切線呢?答案是透過割線逼近來尋找切線。

  具體的作法如下,我們可以先找另外一個相異於A的點B(x2, f(x2)),根據上篇文章的定義,我們知道AB是一條割線。實際上,當另一點B越來越靠近A時,就會越接近A點的切線。由於這個敘述不夠明確,我們可以將這個不清楚的幾何敘述,轉回成代數極限的概念,以便讓敘述更加清晰。

   轉換回代數的第一步驟,同樣是先考慮直線斜率的表達方式。根據斜率定義,要找AB兩點形成直線的斜率,就是(f(x2)-f(x1))/(x2-x1),是先前一再探討的概念:

在座標平面上曲兩個點A(x1, y1)B(x2, y2),AB兩點間的斜率為:
raw-image

  我們得知當B點越來越靠近A時,無論從左或又,AB所形成之割線若能越來越逼近一條通過A點的線,這一條通過A點的線就是過A的切線。這是我們一開始所提出逼近(趨近)的觀念,不妨用圖形表示如下:

raw-image

  以上函數圖形是以下多項式函數圖形為例。

raw-image

  以上的觀念也代表,隨著B點靠近A點,AB割線的斜率會越來越接近A點切線。這是高中的直線觀念,要確認兩條直線相等,要確認直線的斜率(代表方向、變化率)相等,且通過同一點。此時可以再更近一步論述,其實數學中切線的定義是當B趨近於A點時,AB割線會趨近於一條通過A的線,這條線即為過A點的切線,撇除垂直沒有斜率的情況,若割線和切線的斜率皆存在,以上的論述也可以修改如下:因為B趨近於A點,又AB兩點皆在函數f上,分別為A(x1, f(x1))B(x2, f(x2)),故B趨近於A點可改說x2趨近於x1,則此時若AB割線斜率的極限若存在,就是切線斜率m。  

raw-image

  下文將說明割線、切線斜率如何與先前的觀念連結。


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Caspar的沙龍
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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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