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描写物体位置变化的快慢和方向的物理量。物体的位移和时间之比,成为这段时间内的平均速度。如果这一时间极短(趋向于0),这一比值的极限就被称为物体在该时刻的速度,亦称“瞬时速度”。
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这就是说,速度就是瞬时速度。人是先有瞬时速度的直觉,再有微积分的解释。我们的任务是把它严格地描述出来,使得瞬时速度既可意会,也可言传。
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(2)把直觉的瞬时速度,化为可以言传的瞬时速度,需要克服“飞矢不动”的芝诺悖论。
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让我们再次重复古希腊哲学家芝诺和他的学生的对话:
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“一支射出的箭是动的还是不动的?”
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“那还用说,当然是动的。”
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“那么,在这一瞬间里,这支箭是动的,还是不动的?”
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“不动的,老师。”
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“这一瞬间是不动的,那么在其他瞬间呢?”
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“也是不动的,老师。”
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“所以,射出去的箭是不动的。”
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中国战国时代“名辩”思潮中的思想巨子惠施(约前370—约前310)提出“飞鸟之景,未尝动也”。这句话的意思是说天空中飞着的鸟实际上是不动的,和芝诺的观点如出一辙。
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孤立地仅就一个时刻而言,物体没有动。但是物体运动有其前因后果,即是由前后位置的比较反映出来的,有比较才会产生速度。于是,人们就很自然地先求出该时刻附近的平均速度,然后令时间间隔趋向于0,以平均速度的极限作为瞬时速度。这样,可以意会的直觉,终于能够言传。微积分教学把原始的思考显示出来,就会让学习者知道导数并非是天上掉下来的“林妹妹”。一点的附近、平均速度、极限,这一连串的思考,揭开了瞬时速度的神秘面纱。
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超越“飞矢不动”的诡辩,我们又一次欣赏到微分学考察“局部”性质的深刻与美妙。
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在西方广为流传的一本数学科普著作《为百万人的数学》(作者Lancelot Hogben)是这样叙述导数的:
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“如果在一条曲线上运动的两点p,q不断靠拢,使得很难区别两点是沿着原曲线还是沿着直线段pq彼此非常接近,这时,尽管p,q的坐标x有十分微小的差别,但在测速仪上的指针几乎是不动的。直线段pq的斜率,即测速仪上的读数。
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这样,就巧妙地利用测速仪的直观形象理解了导数概念。
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数学文化教程 第七节 局部与整体沟通的桥梁——导函数与微分中值定理
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如前所述,函数f(x)在点x=x0上的导数,记为f′(x),刻画了f(x)在该点的局部性质。如果f(x)在区间[a,b]上每一点都有导数,这就在[a,b]上形成了一个新的函数,称为f(x)的导函数,记做f′(x)。本节将要说明,f′(x)将起到把f(x)在各点上的局部性质与其整体性质联系起来的关键作用。
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首先介绍导函数的一些基本性质和一些初等函数的导函数。
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导函数的基本性质
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(1)(af (x)+bg (x))′ =af′(x)+bg′(x);
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(2)(f (x) g (x))′ =f′(x) g (x)+f (x) g′(x);
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