快速洞察:用微积分做更简单的算术

假设你需要估计1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + ... + 100。

你会怎么做?嗯,你可以 推导出精确公式:

\displaystyle{\frac{(n + 1)(n)}{2}}

并代入n=100得到5050。

但我们只想要一个粗略的答案。你有一列数字,它们遵循一个简单的模式,并且想要一个快速的估计。该怎么办?

"简单"的方法(嗯,微积分的方法)是意识到1 + 2 + 3 + 4大致等同于$f(x) = x$。第一个元素是f(1)=1,第二个是f(2)=2,依此类推。

从这里,我们可以进行积分:

\displaystyle{ \int x = \frac{1}{2} x^2 }

我们通常将积分视为一种正式、优雅的操作,它巧妙地累积一个函数并返回另一个函数。非正式地说,我们就是把所有东西压进那个大家伙里,看看总量有多少。

结果 $\frac{1}{2} x^2$ 应该非常接近我们想要的。

calculus add area under x

这个 精确的 总和是楼梯状的图案,累加得到5050。

这个 近似的 答案是那个三角形的面积,$\frac{1}{2} base * height = \frac{1}{2} 100 * 100 = 5000$。差别在于楼梯的拐角有悬垂部分。$\frac{x}{2}$ 是二分之一,x 乘以(悬垂大小(1/2)乘以块数(x))。

最终结果是使用光滑、易于测量的形状来近似一个锯齿状、难以测量的形状。(这有点像微积分中的嵌套,因为我们通常用矩形来近似光滑形状。)

更多估计(More Estimates)

这个策略也适用于其他数列:

前10个平方数的和是多少?1 + 4 + 9 + 16 + 25 + ... + 100 = ?

嗯。这个公式可能很难推导。但如果没有微积分加持的算术,快速猜测会是:

calculus add square numbers x squared

\displaystyle{\int x^2 = \frac{1}{3} x^3}

我们的第一直觉应该是"10^3 的三分之一"即333。但正如我们之前所见,有一个被忽略的"悬垂部分"。假设它是10%,则估计值为330 + 10% ≈ 370。

精确答案是385。还不错! 实际公式 是:

\displaystyle{P_{n}=\sum _{k=1}^{n}k^{2}={\frac {n(n+1)(2n+1)}{6}}={\frac {2n^{3}+3n^{2}+n}{6}}={\frac {n^{3}}{3}}+{\frac {n^{2}}{2}}+{\frac {n}{6}} }

我会说 $\frac{x^3}{3}$ 几秒钟得到这个结果还不错。

数据每年翻倍。终身使用量是怎样的?

指数函数的积分(压扁的总和)还是指数函数。用微积分的术语来说,

\displaystyle{\int e^x = e^x}

关键启示是,所有指数增长都只是 $e^x$ 的变体。如果 $e^x$ 呈指数累积,那么 $2^x$ 也是如此。

因此,到目前为止的总用量也将遵循指数模式,每年翻一番。与此对比,用量模式"1 + 2 + 3 + 4 ..."——我们线性增长($f(x) = x$),但总用量二次累积($\frac{1}{2}x^2$)。

我的目标是将数学思维融入日常场景。我们从一个算术问题开始,将其转化为几何谜题(楼梯有多大?),然后使用微积分进行近似。

当我能自如切换几种思维模式时,我知道一个概念就真正理解了。把问题想象成剧本:Spielberg、Tarantino或Scorsese会如何执导?每个领域都有不同的视角。(要学习如何用微积分思考,请查看 微积分指南.)

数学愉快。

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