物理学|很难想象没有导数的数学和物理学，导数概念背后的直觉及其应用 f(x)|导数|物理量|数学

文章图片
我们都或多或少地接触过导数。互联网上有很多关于导数的定义。它是一个函数的图形的切线的斜率。或者，它是 "瞬时变化率" 。尽管上述定义在技术上并无不妥，但它们并没有抓住导数的本质。
让我们退一步来说。在数学中，我们用数学函数来模拟一个物理量（甚至非物理量）的行为如何取决于另一个量。例如，考虑下面这个函数。

文章图片

两个质量之间的引力

函数F计算了两个质量在距离r处的引力。我们说力F是因变量，而 r ，即距离，是自变量。r 的值决定了 F 的值。引力是距离的函数，我们写成F=F(r) 。
我们可以想出一个更简单的函数。比方说f(x)=x2 。这个函数可以代表一个力或我们选择的任何量。
一个函数是一个依赖于另一个量的量。这种依赖关系的确切性质是由函数的公式描述的。然而，公式中没有描述的是这种依赖关系的“敏感度” 。考虑一下我们之前提到的函数F=F(r) 。尽管我们有引力的公式，但我们不知道引力对自变量距离的变化有多大的反应。也就是说，如果我们改变了距离，力会改变多少？这就是衍生出导数概念的问题。
函数f=f(x)的导数告诉我们，当我们把参数x改变一些时，函数f(x)的变化有多快。如果 "df "代表函数f(x)的微小变化， "dx "代表自变量 "x "的微小变化，那么导数就是比例因子。

文章图片
应用
很难想象没有导数的数学和物理学。我们现在将看到这个概念的一些应用，以及为什么使用它不仅是必要的，而且是合乎逻辑的。

文章图片

艾萨克-牛顿和戈特弗里德-威廉-莱布尼茨独立发展了无穷小微积分理论。

数学
导数在数学中的一个直接应用是当我们试图判断一个函数是（单调）增还是减。牢记导数的定义，要想得出这个想法并不难。如果一个函数f(x)的导数是正的，那么这个函数将是单调增的，如果是负的，它就是单调减的。在这篇文章中，我所关心的不是精确的数学，而是背后的直觉。想一下，如果我们把 "x "改变一个很小的量 "dx" ，而f(x)改变的量 "df "是正的，这意味着f正在变大。换句话说，这个函数在增加。同样的说法也适用于递减函数。
当我们试图确定一个函数的最小值和最大值时，导数也会很有用。让我们再想一下，在一个函数达到其最大值的地方，导数必须是什么？当然，它必须是零。只有当 "df "为零时，函数才会出现最小值或最大值。