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如何通俗的解释全微分?

微积分这门学科,从字面上拆开来看,就是“微分”+“积分”。按道理把这个两个概念作为学科的名字,很显然是非常重要。《高等数学》同济版并不怎么讲“微分”这个概念,而是着重在讲解“微分”的一个性质“导数”,可能教材的目的是为了做题和考试吧。当然也有可能我下面讲的内容是微分几何的内容,如果要去严格化讲解的话需要引入更多概念。
在我看来,“微分”这个概念恰恰是理解微积分的关键,最好的表达了微积分这门学科的基本思想: “以直代曲,线性逼近”。
一、一元函数中的微分
一元函数中 y 的微分为:

图1
《高等数学》的书上是这么解释的:

图2
我们换一个视角:

图3

图4
“以直代曲”从字面上看的意思就是说,“直”可以替代“曲”,那么微分在什么时候可以取代曲线呢?
其实例子很多,比如说洛必达法则、泰勒公式、积分基本定理、牛顿迭代法,这些你要仔细去看,都会发现通过“以直代曲”去理解会多么的简单、直观。不过这些我都已经写过相关的回答了,我下面给出另外一个挺有趣的例子:

图5

图6

图7

图8

图9
当我们无限增加切线的时候,我们就需要用无限的加法,这就是积分(这个符号本身就是源于把英文Sum的首字母拉长):


这是最基本的不定积分,我们可以把这个式子解读为,把所有的即微分加起来就得到了曲线。这就是“以直代曲”。
为什么有一个常数 C 呢?

图10
为什么要“以直代曲”?我觉得答案很显然,因为直线研究起来更简单啊。
关于微分,还可以参考下我之前的回答:为什么要定义微分 ?
二、全微分
之前我回答过一个问题,无法理解高等数学怎么办?我在回答里面就说过学习应该循序渐进,意思就是,应该从已有的知识出发,保持足够小的步伐前进。
让我们把已有的知识称作 i,足够小的步伐称为 +1 ,那么:

图11
才是最有效的学习方法。
那么要理解全微分是什么,就让我们从一元微分出发。
我们来看看一元微分给了我们什么启示:
● 微分得是“直”的(这样才能“代曲”),一元是直线,二元只能是平面
● 微分和切线有关,一元微分就是切线,二元的情况要复杂一些
关于二元的切线,我们先要理解一点,在三维曲面上的点有无数条切线:

图12
有了这些信息之后,我们就能很轻松的把一元微分推广到二元微分上去。
二元微分就是所有的切线都存在,并且都在一个平面。如果这样一个平面存在的话,它就是二元的微分,我们也叫它为“切平面”。这个微分可以提供对曲面很好的“线性近似”。
所有切线共面我觉得还挺神奇的,蛮难想象的。下面有个互动操作帮助你认识这个“全微分”,有条件最好在pc上观看,手机好像有点卡:

图13(此处有互动内容,点击最下面的“阅读原文”进行操作。)
至于为什么所有的切线都会在切平面上,我会另文作答。
明白二元微分之后,我们就可以继续 i+1 下去,把二元微积分推广出来。
三、结语
“以直代曲,线性逼近”是整个微积分的精髓,深刻地理解了这八字真言,就会发现微积分一切都很自然了。

 

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