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高橋流微積分
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陳鍾誠 於 金門大學 2013 年 11 月 8 日
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1.
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年 11 月 8 日
2.
話說 ● 數學很難 ● 微積分更難
3.
工程數學呢? ● 超級無敵難 …
4.
那些教工程數學的老師 ● 到底知不知道他們在講甚麼呢?
5.
舉例而言 ● 這個是甚麼意思?
6.
而這又是甚麼意思?
7.
數學 ● 一定要這麼難懂嗎?
8.
能不能 ● 簡單一點
9.
用… ● 人類聽得懂的話
10.
告訴我 ● 微積分
11.
● ● 工程數學 還有
12.
到底有甚麼意義?
13.
因為 ● 既然老師們 ● 講得出這些數學
14.
它應該 ● 就有個意義才對
15.
不是嗎 ?
16.
?
17.
??
18.
???
19.
好吧! ● 我知道有點難!
20.
但是如果 ● 暫時把數學中的嚴謹性丟掉 ● 然後把那些惱人的證明拋開
21.
只留下 ● 直覺概念
22.
這樣 ● 還會那麼難嗎?
23.
所以 ● 不要問我
24.
為什麼?
25.
只要告訴我 ● 直覺意義就行了!
26.
…
27.
既然如此
28.
那我試試看!
29.
首先 ● 先說明的是
30.
微積分 ● ● 到底描述的對象是什麼呢?
31.
各位可能知道 ● 離散數學 – 是描述「不連續事物」的數學
32.
離散數學描述的 ● 是像 – 0 與 1 – 整數 – 集合
33.
等等「離散」事物的「數學」
34.
相反的 ● 微積分
35.
則是描述 ● 「連續事物」 – 的數學
36.
特別是 ● 實數空間
37.
所以 ● 對於定義在實數空間上
38.
的函數 ● 像是 cos(x)
39.
還有
40.
等等函數而言 ● 都屬於 – 連續空間中的事物
41.
因此 ● 都是連續數學研究的對象
42.
所以 ● 微積分
43.
還有 ● 工程數學
44.
就是用來 ● 描述這些「連續事物」的數學
45.
好的 ● 這我懂!
46.
但是 ● 微積分是甚麼呢?
47.
關於 ● 這個問題
48.
如果只看概念 ● 並不難!
49.
所謂的微分
50.
● ● 切線的斜率 就是
51.
像是 ● 下圖中的紅色線,就是切線
52.
但是 ● 切線是甚麼?
53.
當我們取 ● 黑色線 f(x) 在點
x0 上的 P0 點與附近的 P 點 ● 連成一條線時,這稱為割線
54.
但是當 ● P 非常接近 P0
時,就從紫色的割線, ● 變成了紅色的切線。
55.
我們可以用 f '(x0)
,代表切線斜率
56.
這個描述切線斜率的函數 f '(x) ● ● 就稱為函數
f(x) 的微分式 而在特定點 x0 上的微分值 f '(x0) , 就稱為導數
57.
所以 ● 函數 f(x) 在
x=3 這點上的切線斜率 ● 可以寫成 f '(3) ● 也就是 f 在 3 這點上的導數
58.
就這樣 ● 微分的概念
59.
就講完了 ●
60.
...
61.
蝦米? ● 你有沒有搞錯!
62.
就這麼簡單?
63.
那積分呢? ● 積分是甚麼?
64.
積分? ● 那更簡單
65.
積分就是算面積
66.
舉例而言 ● 下列圖形中, f(x) 從
a 到 b 之間的積分 ● 就是藍色面積減掉黃色面積
67.
這就是積分!
68.
在數學中 ● 我們用積分符號 代表該面積。
69.
而這個面積 ● 可以用很多「小長條形狀」的面積加總來逼近
70.
以下圖形 ● 可以說明積分式中每個符號的意義。
71.
對照一下 ● 應該會更清楚
72.
這就是積分!
73.
就這樣? ● 是的! ● 就這樣,沒了!
74.
那… ● 學微積分可以作甚麼?
75.
….
76.
好像 ... ● 也不能作甚麼?
77.
因為 ● 菜市場賣菜,也只要用加、減、乘法,就夠了!
78.
進銀行工作? ● 那就多學個除法吧!
79.
我沒看過 ● 哪個銀行經理,需要算微積分的!
80.
不過 ● 寫程式的人,可能會用得到! ● 像是數值分析,就有數值微分與積分。
81.
數值微分程式
82.
數值積分程式
83.
念電子電機的人 ● 則要懂很多微積分
84.
因為 ● 像是電容、電感等,都是非線性元件 ● 要描述電路系統,必須要用到微分方程
85.
像是電容 ● 您可以從維基百科的 「電容」主題中, 看到以下的算式。
86.
而電感 ● 則是個天生需要「微分」 才能描述的元件
87.
電容充電時 ● 其行為模式如右邊 的微分方程所示。
88.
而放電時 ● 其行為模式則變成下列曲線。
89.
要解這些微分方程 ● ● 需要學會微積分
90.
而且 ● 如果你想研究無線通訊 ● 那還需要懂「馬克斯威」方程組
91.
馬克斯威方程?
92.
就是下列這些 …
93.
您可以看到 ● 裡面有 – 微分 – 積分 – 微分 + 積分
94.
而且當時馬克斯威寫的 ... ● 是這個版本 – 高斯磁定律: – 馬克士威 -
安培定律:
95.
所以 ● 學工程的人
96.
需要學 ● 微積分
97.
還有 ● 工程數學
98.
裏面的那些 ● 奇奇怪怪的符號
99.
其實在講的是 ● 某個函數的面積 ● 等於另一個函數的斜率 ● 的平方 ● 然後再除以八 …
100.
像是下面這個 ● 它叫波動方程式
101.
是馬克斯威 ● 推論出「電磁波」的速度 正好 ● 等於「光速」的關鍵!
102.
於是 ● 馬克斯威猜測
103.
● ● 光波 其實是一種電磁波 ...
104.
另外 ● 像是電腦裏、如果
105.
你將一個影像 ● 其中一份存成 .BMP 檔 ● 另外一份存成
.JPG 檔
106.
你會發現 ● 這兩個檔案 ● 大小差很大
107.
差多大 ● 有時 20 倍,有時到
1000 倍。 ● 要看你的影像複雜度。
108.
比較小的那個 ● 是 JPG 檔
109.
而 JPG 檔 ● 是用傅立葉轉換中的
Cosine 轉換作的。 ● 公式如下 – 傅立葉正轉換: – 傅立葉逆轉換:
110.
而且 ● 上面的那個公式還是「一維」的 ● JPG 檔的壓縮,要用二維傅立葉轉換中的一半 ● 也就是二維的 Cosine
轉換
111.
傅立葉轉換 ● 可以將一個函數 ● 轉換成下列函數中的係數 與
112.
其中 ● n 很大的部份 – – ● 代表高頻區域 (
變化很快的部份 ) 最高頻的部份就是每個相鄰點都是「黑白相間」 n 很小的部份 – 代表低頻區域 ( 變化很慢的部份 ) – 最低頻的部份就是整張都是同一個顏色。
113.
低頻 高頻
114.
於是 JPEG ● 在編碼的時候 – – ● 保留了低頻部份的係數 去掉了高頻部份的係數 然後在解碼的時候 – 將 代回 – 然後將 給丟了 – 於是解回 f(x)
的近似值 ( 高頻被去除了)
115.
而這些 ● 也正是為何電子資訊領域的人 ● 要學微積分與工程數學的原因
116.
事實上 ● 剛剛所說的
117.
在銀行上班 ● ● 不需要學微積分 ● 大至上是對的
118.
但是 ● 有個例外
119.
假如你在 ● 華爾街的某些銀行
120.
他們的旗下 ● ● 有些稱為 Hedge Found
的公司
121.
在這些公司裏 ● 也要用很多微積分 ● 還有機率統計
122.
以上 ● 就是我所知道的 – 微積分 與 – ● 工程數學 的用途了!
123.
或許 ● 你會有興趣 ● 來學學微積分 ● 也說不定!
124.
對了 ● 學完之後,記得
125.
還要再 ●
126.
學「工程數學」喔!
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