超好懂!微積分概念筆記:實務應用×具體解說×公式剖析,懂乘除法就能掌握微積分

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蔵本貴文
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具体描述

現代人離不開的手機、個人電腦,
或是家中的冷氣、冰箱、洗衣機等家電,
都有賴於電腦的思考邏輯──數學運作。
而扮演其核心的微積分,
正是「最為實務應用的數學」呢!

  「大概知道怎麼算,但完全搞不懂為什麼要這樣算?」
  「雖然課堂中有上過,但完全不知道自己在幹嘛?」


  心中懷有類似疑問的人應該不少吧?本書是由第一線上的半導體工程師所寫的,不同於學校所教的微積分,一一詳細拆解微積分的真正意義。將微積分從嚴謹的數學定義中解放,將其拉進生活中具有微積分的思考之中,展現奠基於此的各種技術成果。從最簡單的地方開始介紹微積分公式是如何實用與活躍!

  車用GPS測速與定位、人臉辨識、烹飪溫度控制、飛行模擬器、商務金流、生物數量計算……,這些微積分應用每天都在身邊上演,透過具體易懂的解說,就算非理科生也能感受到微積分公式的數學魔力!

  本書主要針對以下3種類型的讀者撰寫:
  ①完全不懂微積分的讀者、因為想要理解「微積分」是什麼而拿起本書的讀者。
  ②希望能夠更加深入理解數學課所學的內容,因此找來本書當成預習、復習以及課本補充教材的學生
  ③原本就擅長數學,但希望能夠更深入理解的讀者,或是想要以更簡單易懂的方式傳授數學而拿起本書的數學老師。

  微積分之所以會讓人感到困難,原因之一或許就在於學習順序。課本通常依照極限→微分→積分的順序教學。然而這麼一來,不就會讓學生因為複雜的微分定義而感到精疲力盡,從而失去學習的動力嗎?因此本書將順序反過來,首先介紹微積分的作用──積分求的是面積,微分求的是斜率。而後說明計算方式,最後才解釋定義。

  第1章 微積分能提供如此的觀點
  →提供一些日常生活中使用微積分的實例,譬如財務管
  理和車輛等(不使用數學公式)。

  第2章 微積分到底是什麼?
  →從國小學習的速度、時間與距離的關係來說明微積分的意義。如果你能夠理解這個部分,就能懂微積分是什麼(不使用數學公式)。

  第3章 為什麼要使用數學公式?
  →經過前兩章的說明,理解了微積分是什麼之後,接下來將說明以數學公式來表現微積分的理由。想必能讓各位理解使用數學公式的優點。

  第4章 微積分在數學世界的地位
  →本章將呈現高中微積分的全貌,但只會呈現全貌,不會去問「為什麼」。請先專心去看微積分這片「森林」。

  第5章 借助無限的力量讓微積分更完美
  →本章將透過數學的背景來解釋第4章說明的微積分全貌為什麼能夠成立。雖然我盡量寫得容易理解,但讀完前4章的內容就足以學會微積分的計算,因此即使看不懂本章也不用擔心。

  第6章 微分方程式能夠讓我們預測未來
  →針對「預測未來」的微分方程式進行深入的數學說明。這個部分在本書當中屬於相對較難的內容。

  第7章 關於微積分的其他主題
  →本章整理了指數函數與三角函數的微積分、積分技巧等,雖然對於呈現微積分的整體樣貌並非必要,但這些都是學習微積分的重要主題。

  讓我們撥開數學公式的迷霧,徹底理解微積分是如何預測未來的世界!
 
好的,这是一本涵盖微积分核心概念、强调直观理解与实践应用的图书简介。 --- 《微积分的直观之旅:从基础概念到实际应用的深度解析》 本书核心理念: 揭示微积分的本质,而非仅仅堆砌公式。我们相信,理解微积分并非高不可攀的数学殿堂,而是对变化世界的深刻洞察。 目标读者: 对高等数学感到畏惧,渴望建立扎实直观理解的初学者。 希望回顾并深化基础微积分概念的工程、科学及经济学专业学生。 需要将理论知识转化为实际解决问题能力的从业人员。 第一部分:预备知识与直觉构建——打破“高深莫测”的刻板印象 在正式踏入微积分的领域之前,本书将首先构建坚实的数学直觉基础。我们不会直接抛出复杂的极限定义,而是从我们日常生活中观察到的“变化”现象入手。 第一章:从变化中捕捉确定性 速率的精妙: 我们将从描述运动的平均速度(代数概念)过渡到瞬时速度(微积分的核心)。通过分析汽车的行驶图表,探讨如何用越来越短的时间间隔来“逼近”某一瞬间的真实变化率。 累积的艺术: 探讨如何测量一个不规则形状的面积或不均匀变化总量。引入“分割与求和”的思想,为定积分的最终形式奠定直观基础。 极限的哲学: 极限不是一个遥不可及的终点,而是一种“趋近”的趋势。我们将使用几何图形(如圆内接与外切多边形)来形象化极限过程,使其不再是抽象的 $epsilon-delta$ 语言。 第二章:构建微积分的基石——函数与坐标系的深度协作 函数的“行为模式”: 详细解析初等函数(多项式、三角函数、指数与对数函数)的图像特征、定义域与值域。重点在于理解这些函数如何描述自然界中常见的增长、衰减和周期性现象。 几何直观: 重新审视笛卡尔坐标系,强调斜率(一次变化率)和面积(累积效应)在几何图形上的具体含义,为后续的导数与积分操作提供视觉锚点。 --- 第二部分:微分学——剖析变化率的秘密 微分学是关于“如何测量瞬间变化”的数学工具。本书将彻底解析导数的几何意义、物理意义及其代数计算方法。 第三章:导数的诞生——寻找切线的倾角 从割线到切线: 严格阐述导数定义中,如何通过割线斜率的极限来精确描述曲线上某一点的瞬时变化率。 微分的符号系统: 详细解释 $frac{dy}{dx}$ 的意义,它不仅仅是一个分数,更是“$y$ 相对于 $x$ 的微小变化之比”。 核心微分法则的直观推导: 恒定法则、幂法则、常数倍数法则、和差法则的几何证明与直观理解,而非纯粹的公式记忆。 第四章:微分法则的实战应用 乘积与商法则的“局部作用”: 通过分解复杂函数的微小变化,理解乘积和商法则如何保持函数整体行为的精确性。 链式法则: 深入解析“嵌套函数”的变化传递机制。这部分将用实例说明,如测量一个膨胀气球表面积的变化率时,需要同时考虑半径的变化率。 隐函数求导: 当变量之间关系复杂、不易分离时,如何运用链式法则进行间接求导。 第五章:微分学的应用与最优化 函数的“性格分析”: 利用一阶导数判断函数增减性、确定局部极值点(最大值与最小值)。 凹凸性与拐点: 二阶导数揭示了变化率的变化速度——曲线的弯曲程度。理解凹向上与凹向下,并准确找到函数的拐点。 实际优化问题: 通过大量的实际案例,如最大化利润、最小化成本、设计最高效的容器形状,展示导数在工程和经济决策中的核心作用。 --- 第三部分:积分学——累积总量与反向操作 积分学是微分学的逆向工程,它允许我们累加无限多个微小部分,从而计算总量或面积。 第六章:定积分的几何与物理意义 黎曼和的直觉: 重新审视对不规则面积的测量,如何通过不断增加矩形的数量(宽度趋于零)来逼近真实面积。 定积分的定义与符号: 明确 $int_a^b f(x) dx$ 所代表的几何含义——曲线下的净面积。 物理意义的拓展: 从面积到功的计算,展示定积分如何将瞬时作用(如变力做功)累积为总体效应。 第七章:微积分基本定理——连接微分与积分的桥梁 革命性的洞察: 详细讲解微积分基本定理(FTC)的两个部分。第一部分证明了积分的累积函数是原函数(导数的反操作),第二部分提供了计算定积分的有效代数方法。 寻找原函数: 探讨常见函数(幂函数、三角函数、指数函数)的原函数,强调“+ C”常数的重要性,解释其代表了累积过程的初始状态差异。 第八章:积分技巧与进阶应用 基础积分技术: 换元法(反向链式法则)的精细解析,分部积分法(反向乘积法则)的应用场景。 积分的应用扩展: 曲线下的面积计算: 求解两条曲线之间的面积。 体积的构建: 圆盘法和薄壳法,如何通过旋转或分层来计算三维物体的体积。 弧长与曲面面积: 利用导数和积分的组合来测量曲线的实际长度。 --- 结语:微积分,理解世界的语言 本书的最终目标是让读者将微积分视为一种强大的思维工具,而非一套需要死记硬背的规则。通过几何直觉、物理意义和细致的代数推导相结合,你将能够自信地面对任何涉及变化率和累积量的挑战。微积分不仅是数学工具,更是描述自然界、工程学乃至经济模型的基本语言。 ---

著者信息

作者簡介

蔵本貴文(Kuramoto Takafumi)


  關西學院大學理學部物理學科畢業後,為尋求尖端物理學的實踐與學習場域,進入大型半導體企業工作。現在主要從事的工作是運用微積分、三角函數、複數等工具,以數學公式表現半導體元件的特性並進行建模。此外,還以現役工程師兼作者的身份,撰寫以科學・技術為主的書籍(獨立撰稿),並參與商業書籍和實用書籍的撰寫(提供撰稿協助)。

  【著作】日文著作有《數學大百科事典:工作中使用的公式、定理、規則127》(翔泳社)、《分析學圖鑑:從微分、積分到微分方程和數值分析》(Ohm社);繁體中文著作則有《圖解半導體:從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》(合著,台灣東販)。
 

图书目录

前言
本書的閱讀方式(接續前言)


第1章 微積分能提供如此的觀點
1-1 利用微積分觀察病毒感染
1-2 汽車中所使用的微積分
1-3 利用微積分來分析金流
1-4 智慧型手機中的微積分

第2章 微積分到底是什麼?
2-1 「VTS」的關係與微積分
2-2 積分是求出面積的「超級乘法」
2-3 微分是求出斜率的「超級除法」
2-4 利用微分預測彗星的軌道
2-5 利用微積分控制油溫

第3章 為什麼要使用數學公式?
3-1 使用數學公式以預測未來
3-2 什麼是函數?
重點 反函數
3-3 熟悉圖形吧!
3-4 如何建立數學公式
3-5 模擬的背後存在著微分方程式
3-6 支撐科技的微分方程式
3-7 數學公式的特徵
重點 如何看懂對數圖

第4章 微積分在數學世界的地位
4-1 用積分求面積
4-2 用微分求斜率
4-3 導函數是「斜率的函數」
4-4 積分是微分的逆運算
4-5 微積分的結構
4-6 微積分使用的符號
4-7 微積分的計算方式
4-8 歐拉常數底為何如此重要?

第5章 借助無限的力量讓微積分更完美
5-1 圓面積公式真的正確嗎?
5-2 思考極限的理由
5-3 利用極限思考微分
重點 f'(x)=nxn-1對於自然數以外的n也成立
5-4 使用極限思考積分
重點 Σ符號的使用方法

第6章 微分方程式能夠讓我們預測未來
6-1 微分方程式是什麼樣的方程式?
6-2 運動方程式能夠預測物體的運動
6-3 微分方程式能夠知道化石的年代
6-4 計算生物的個體數
6-5 體重在赤道和北極會不同
6-6 微分方程式的極限

第7章 關於微積分的其他主題
7-1 指數、對數函數與其微積分
7-2 三角函數與其微積分
7-3 函數的增減
7-4 各種微積分技巧
7-5 也能利用積分來求出體積和曲線長度

索引

图书序言

  • ISBN:9786263791312
  • 規格:平裝 / 208頁 / 14.8 x 21 x 1.2 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣

图书试读

自序

  對許多人來說,高中所學的數學當中,最實用的就是微分與積分了(以下簡稱微積分)。

  因為學了微積分之後,就能從數字當中獲得兩倍以上的資訊。

  現代人不管擅長還是不擅長,都離不開數字。金錢、利益率、顧客人數、客單價、持續率、平均時間、周轉率、產能利用率、不良率……現代人的生活,不就是圍繞著這些數字打轉嗎?

  學習微積分之後,就能從這些數字當中抽取出更多的資訊。

  優秀的人能夠聞一知十,學習微積分之後就能從原本的數字當中獲得加倍的資訊,因此看起來優秀是理所當然。

  話雖如此,就算不懂高中的微積分也不需要感到沮喪。因為微積分的本質,並不像在高中所學的那樣怪異複雜。

  我希望你能夠仔細閱讀本書的第一章。你至今用來分析數字的普通方法當中,就包含了許多微積分的概念。

  沒錯,將變化與累積整理而成的數學體系就是微積分。

  你周圍的數字也充滿了微積分,但最能夠發揮其力量的就是理工領域。無論是行駛的車輛、飛行的飛機、通話的手機,還是幫助我們的機器人,都離不開微積分的力量。

  而這些文明利器當中,對於現代社會而言最重要的就是電腦了,因為電腦是世界上唯一能夠「思考」的非生物,而且在社會上的各個角落大顯身手。個人電腦不用說,無論是手機、車輛,還是冰箱、吸塵器、洗衣機等家電,電腦都在裡頭發揮作用。

  換句話說,電腦就像在我們身邊,協助我們生活的夥伴。因此了解這位夥伴的思考邏輯就很重要吧?就和理解公司的同事、上司及部下的想法同樣重要。

  而電腦的思考邏輯就是數學。學習數學,以及其核心的微積分,能夠幫助我們理解電腦的「心情」。

  不好意思,現在才自我介紹。我是半導體工程師藏本貴文。各位或許會覺得平常寫這種數學書的人,都是數學老師或是教育工作者。但我兩者都不是。

  我的專業領域是「建模」,這項工作沒有數學就無法成立。我在工作中運用三角函數、指數、對數、矩陣、複數以及微積分,以數學公式展現半導體元件的特性。

  所以我討論的不是作為學問的數學,而是「作為實務應用的數學」。世界上有許多由數學專家撰寫的數學書,但一般人需要的說不定是我所使用的數學。
 
  我的女兒升高中了,而我教她數學與物理的機會也愈來愈多。在這樣的過程中,我發現數學難以理解的原因就在於太過抽象。

  我發現,當女兒說「這個問題我不懂」的時候,最容易幫助她理解的方法,就是在文字裡加入數字、繪製圖形或圖表等,把抽象的敘述變得具體。

  舉例來說,日本的高中生就算再怎麼害怕數學,應該也沒有人不會計算「1+2」。

  但如果換成「x+2x」,或許就有學生不懂了。要是再換成「f(x)+2f(x)」,就算是原本數學還行的學生,都可能陷入苦思。儘管這些計算在本質上完全沒有不同。
 
  使用這些文字與符號的抽象表現嚴重妨礙理解。當然,數學就是因為抽象化才能有今天的發展。所以最後還是必須理解抽象表現比較好。

  然而對許多人,尤其是對初學者而言,這些抽象表現反而墊高了學習的門檻。
 
  所以本書徹底堅持採用具體的描述。如果非得使用x、f(x)、dy/dx 、∫之類的抽象文字與符號,就會加上詳細且具體的說明。

  除此之外,數學公式因為太過抽象而容易遭人厭惡。所以本書直到第2章為止都完全不使用公式。我有自信,即使是討厭公式的人,也很容易理解我對微積分的說明。

  那麼就歡迎來到微積分的世界。培養微積分的思維,必定能夠提高你處理數字的能力、滿足你的好奇心,幫助你在一定程度上理解電腦了心情。

  接著就來看看微積分的本質吧!雖然我很想這麼說,但請再稍微看一小段前言。我想就你的類型,給你一些使用本書的建議。

用户评价

评分

从内容组织的逻辑性来看,这本书似乎非常注重构建知识的内在联系,而不是孤立地介绍各个知识点。我注意到,它并没有急于展示复杂的积分和微分公式,而是花了大篇幅去铺垫微积分诞生的历史背景和它解决问题的核心思想,比如“变化率”和“累积量”这两个核心概念。这种从“为什么学”到“怎么学”的过渡处理,让读者能够更好地理解这些工具的意义,而不是仅仅记住公式的表象。我试着跟着书中的步骤自己推演了一小段,发现作者在关键的转折点处都设置了“停顿点”或“思考题”,强迫读者停下来消化吸收,而不是囫囵吞枣地读过去。这种互动式的学习设计,对于自我学习者来说简直是福音。

评分

这本书的版式设计也做得相当出色,这一点在理工科教材中常常被忽略。大段文字的阅读是枯燥的,但这本书似乎意识到了这一点,采用了大量的留白和清晰的区块划分。字体选择上,正文字体清晰易读,而公式和关键概念则使用了粗体或者不同的颜色进行强调,使得重点一目了然。更让我惊喜的是,书中配的一些插图和图示,绝不是那种敷衍了事的示意图,而是精心制作的图形,能够直观地展示函数曲线的变化、切线和面积的几何意义。这些视觉辅助极大地帮助了我这种“视觉学习者”去构建脑海中的数学模型,让我觉得原本晦涩难懂的曲线和斜率似乎都变得具体可感了。

评分

总体而言,这本书给我的感觉是“重在理解,轻在死记硬背”。我过去学习微积分的经历告诉我,如果只背下了公式却不理解它背后的逻辑和应用场景,那么学到的知识是极其脆弱的,很容易遗忘。这本书似乎在极力避免这种情况的发生。它似乎更像是一本“思维导图”式的指南,把微积分这座看似宏伟的大厦,拆解成了无数个可以轻松搬运的砖块。我感觉它更像是一本“工具书”与“入门教材”的完美结合体,它不仅仅告诉你“怎么算”,更重要的是告诉你“为什么这样算”。对于想要重新梳理基础,或者希望用一种更直观、更少数学焦虑的方式接触微积分的朋友来说,这本书无疑提供了一个非常友好的入口。

评分

我拿到这本书后,立刻翻开看了几章,感觉作者在尝试用一种非常口语化、贴近生活的方式来讲解微积分的基础。这和我在学校里接触到的那种严肃、公式堆砌的教材形成了鲜明的对比。比如,当讲到极限这个概念时,作者似乎没有直接抛出那些艰涩的$epsilon-delta$定义,而是通过一些日常的例子来引导思考,这一点非常关键。对于初学者来说,如果一开始就被各种数学语言“吓住”,后面就很难继续深入了。我尤其欣赏作者在解释每一个新概念时所采用的“循序渐进”的节奏感,仿佛一位耐心的老师在耳边轻声细语地讲解,而不是冷冰冰地陈述定理。这种教学上的细腻处理,无疑大大降低了学习的心理门槛。

评分

这本书的封面设计真的很吸引人,色彩搭配既活泼又不失专业感,让人在书店里一眼就能注意到。拿到手里感觉很扎实,纸张的质感也相当不错,阅读起来很舒服。我一直对数学,特别是高等数学有些望而生畏,总觉得微积分是高中、大学里最难啃的骨头之一,充满了各种抽象的符号和复杂的推导过程,让人望而却步。这本书的标题里提到的“超好懂”和“懂乘除法就能掌握微积分”这样的宣传语,虽然听起来有点夸张,但确实在某种程度上激发了我购买的欲望。我希望它能像它的名字那样,真正做到将复杂的概念简单化,让那些对数学有恐惧感的读者也能轻松入门。从整体的排版来看,内容结构似乎做了精心编排,希望能看到图文并茂的解析,毕竟视觉化的学习方式对于理解抽象概念帮助太大了。

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