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微积分初步

微积分是研究函数的变化规律的重要数学工具,也是高中物理必不可少的数学基础。在高中物理中,我们需要用微积分的思想来理解变化的物理过程。

极限的概念

什么是极限

当一个变量xx无限趋近于某个确定的值aa时,函数f(x)f(x)的值无限趋近于一个确定的常数AA,我们就说AA是函数f(x)f(x)xax \to a时的极限,记作:

limxaf(x)=A\lim_{x \to a} f(x) = A

物理中的例子

  • 当时间间隔Δt\Delta t无限趋近于0时,平均速度v¯=ΔxΔt\bar{v} = \frac{\Delta x}{\Delta t}就无限趋近于瞬时速度vv

    v=limΔt0ΔxΔtv = \lim_{\Delta t \to 0} \frac{\Delta x}{\Delta t}

  • 当我们把一个运动过程分成无数个非常小的小段,每一小段Δx\Delta x就无限趋近于0,这样就可以近似认为是匀速运动。

导数的概念

平均变化率

设函数y=f(x)y = f(x),当自变量xxx1x_1变到x2x_2时,yyy1y_1变到y2y_2,则:

ΔyΔx=f(x2)f(x1)x2x1\frac{\Delta y}{\Delta x} = \frac{f(x_2) - f(x_1)}{x_2 - x_1}

叫做函数y=f(x)y = f(x)x1x_1x2x_2的平均变化率。

导数的定义

Δx\Delta x趋近于0时,如果平均变化率ΔyΔx\frac{\Delta y}{\Delta x}的极限存在,这个极限就叫做函数y=f(x)y = f(x)xx处的导数,记作yy'dydx\frac{dy}{dx}

dydx=limΔx0ΔyΔx=limΔx0f(x+Δx)f(x)Δx\frac{dy}{dx} = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{\Delta y}{\Delta x} = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(x + \Delta x) - f(x)}{\Delta x}

导数的几何意义:导数就是函数图像在该点处的切线斜率。

物理意义

在物理学中:

  • 位移对时间的导数就是速度:v=dxdtv = \frac{dx}{dt}
  • 速度对时间的导数就是加速度:a=dvdt=d2xdt2a = \frac{dv}{dt} = \frac{d^2x}{dt^2}
  • 动量对时间的导数就是合外力:F=dpdtF = \frac{dp}{dt}
  • 电场强度是电势对位置的负导数:E=dφdxE = -\frac{d\varphi}{dx}

基本导数公式

常见函数的导数:

  • 常数函数:若y=Cy = C(常数),则dydx=0\frac{dy}{dx} = 0
  • 幂函数:若y=xny = x^n,则dydx=nxn1\frac{dy}{dx} = n x^{n-1} 例如:y=xy = xy=1y' = 1y=x2y = x^2y=2xy' = 2xy=x3y = x^3y=3x2y' = 3x^2
  • 正弦函数:若y=sinxy = \sin x,则dydx=cosx\frac{dy}{dx} = \cos x
  • 余弦函数:若y=cosxy = \cos x,则dydx=sinx\frac{dy}{dx} = -\sin x
  • 指数函数:若y=exy = e^x,则dydx=ex\frac{dy}{dx} = e^x

导数的运算法则:

  • (u±v)=u±v(u \pm v)' = u' \pm v'
  • (Cu)=Cu(Cu)' = C u'(C是常数)
  • (uv)=uv+uv(uv)' = u'v + uv'
  • (uv)=uvuvv2\left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2}

定积分的概念

分割求和思想

求变速直线运动的位移:

  1. 分割:把时间区间[t1,t2][t_1, t_2]分成许多很小的时间段Δti\Delta t_i
  2. 近似代替:在每个小区间内,速度近似不变,可以用viΔtiv_i \cdot \Delta t_i近似表示这段时间的位移
  3. 求和:把所有近似位移加起来,得到总位移的近似值ΔxviΔti\Delta x \approx \sum v_i \Delta t_i
  4. 取极限:当分割越来越细,每个Δti\Delta t_i都趋近于0时,总和就趋近于准确的位移

定积分的定义

设函数f(x)f(x)在区间[a,b][a, b]上连续,将[a,b][a, b]分成nn个小区间,每个小区间长度为Δx\Delta x,在每个小区间上任取一点ξi\xi_i,作和式:

Sn=i=1nf(ξi)ΔxS_n = \sum_{i=1}^n f(\xi_i) \Delta x

nn \to \infty时,如果和式的极限存在,这个极限叫做函数f(x)f(x)在区间[a,b][a, b]上的定积分,记作:

abf(x)dx=limni=1nf(ξi)Δx\int_a^b f(x) dx = \lim_{n \to \infty} \sum_{i=1}^n f(\xi_i) \Delta x

几何意义:定积分abf(x)dx\int_a^b f(x) dx表示曲线y=f(x)y = f(x)、直线x=ax=ax=bx=b和x轴围成的曲边梯形的面积的代数和(x轴上方为正,下方为负)。

物理意义

在物理学中:

  • 速度对时间的定积分就是位移:x=t1t2v(t)dtx = \int_{t_1}^{t_2} v(t) dt
  • 加速度对时间的定积分就是速度变化:Δv=t1t2a(t)dt\Delta v = \int_{t_1}^{t_2} a(t) dt
  • 力对位移的定积分就是功:W=x1x2F(x)dxW = \int_{x_1}^{x_2} F(x) dx
  • 电流对时间的定积分就是电荷量:q=t1t2I(t)dtq = \int_{t_1}^{t_2} I(t) dt

微积分基本定理

如果F(x)=f(x)F'(x) = f(x),且f(x)f(x)[a,b][a, b]上连续,则:

abf(x)dx=F(b)F(a)\int_a^b f(x) dx = F(b) - F(a)

这个定理告诉我们:求定积分就是求导数的逆运算。只要找到一个函数F(x)F(x),它的导数是f(x)f(x),那么定积分的值就是F(b)F(a)F(b) - F(a)

F(x)F(x)叫做f(x)f(x)的一个原函数


练习题

导数计算

  1. 求下列函数的导数: (1) y=x32x2+3x5y = x^3 - 2x^2 + 3x - 5 (2) y=x2sinxy = x^2 \sin x (3) y=xx2+1y = \frac{x}{x^2 + 1}

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    (1) 根据加法法则和幂函数导数公式:

    y=3x222x+310=3x24x+3y' = 3x^{2} - 2 \cdot 2x + 3 \cdot 1 - 0 = 3x^2 - 4x + 3

    (2) 根据乘积法则:

    y=(x2)sinx+x2(sinx)=2xsinx+x2cosxy' = (x^2)' \sin x + x^2 (\sin x)' = 2x \sin x + x^2 \cos x

    (3) 根据商的法则:

    y=(x)(x2+1)x(x2+1)(x2+1)2=1(x2+1)x2x(x2+1)2=1x2(x2+1)2y' = \frac{(x)'(x^2 + 1) - x (x^2 + 1)'}{(x^2 + 1)^2} = \frac{1 \cdot (x^2 + 1) - x \cdot 2x}{(x^2 + 1)^2} = \frac{1 - x^2}{(x^2 + 1)^2}

  2. 已知质点的运动方程为x=2t2+3t+1x = 2t^2 + 3t + 1(x单位:米,t单位:秒),求t=2秒时的瞬时速度和加速度。

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    速度是位移对时间的导数:

    v=dxdt=4t+3v = \frac{dx}{dt} = 4t + 3

    加速度是速度对时间的导数:

    a=dvdt=4 m/s2a = \frac{dv}{dt} = 4 \text{ m/s}^2

    t=2秒时:

    v=4×2+3=11 m/sv = 4 \times 2 + 3 = 11 \text{ m/s}

    a=4 m/s2a = 4 \text{ m/s}^2

    答:t=2秒时速度为11 m/s,加速度为4 m/s²。

积分计算

  1. 计算定积分: (1) 01x2dx\int_0^1 x^2 dx (2) 0πsinxdx\int_0^\pi \sin x dx

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    (1) 因为(x33)=x2(\frac{x^3}{3})' = x^2,根据微积分基本定理:

    01x2dx=x3301=133033=13\int_0^1 x^2 dx = \frac{x^3}{3} \bigg|_0^1 = \frac{1^3}{3} - \frac{0^3}{3} = \frac{1}{3}

    (2) 因为(cosx)=sinx(-\cos x)' = \sin x,所以:

    0πsinxdx=cosx0π=cosπ(cos0)=(1)(1)=1+1=2\int_0^\pi \sin x dx = -\cos x \bigg|_0^\pi = -\cos \pi - (-\cos 0) = -(-1) - (-1) = 1 + 1 = 2

  2. 已知物体运动的速度为v=4t2v = 4t - 2(m/s),求从t=1秒到t=3秒物体经过的位移。

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    位移x=13v(t)dt=13(4t2)dtx = \int_1^3 v(t) dt = \int_1^3 (4t - 2) dt

    找到原函数:因为(2t22t)=4t2(2t^2 - 2t)' = 4t - 2,所以:

    x=(2t22t)13=(2×322×3)(2×122×1)x = (2t^2 - 2t) \bigg|_1^3 = (2 \times 3^2 - 2 \times 3) - (2 \times 1^2 - 2 \times 1)

    =(186)(22)=120=12 m= (18 - 6) - (2 - 2) = 12 - 0 = 12 \text{ m}

    答:位移为12米。

  3. 物体做直线运动,加速度a=2ta = 2t(m/s²),初速度v0=0v_0 = 0,求从t=0到t=3秒速度的变化量,并求t=3秒时的速度。

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    速度变化量Δv=03a(t)dt=032tdt\Delta v = \int_0^3 a(t) dt = \int_0^3 2t dt

    原函数是t2t^2,所以:

    Δv=t203=3202=9 m/s\Delta v = t^2 \bigg|_0^3 = 3^2 - 0^2 = 9 \text{ m/s}

    因为初速度v0=0v_0 = 0,所以t=3秒时:

    v=v0+Δv=0+9=9 m/sv = v_0 + \Delta v = 0 + 9 = 9 \text{ m/s}

    答:速度变化量为9 m/s,t=3秒时速度为9 m/s。


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