《微积分(II)》是经济管理类专业大一数学中第二学期的部分,也是MOOC《微积分(I)》的不可或缺的后续课程。
它以多元函数微积分(简称多元微积分)为主,并包括无穷级数、微分方程和差分方程等部分,是微积分学的重要组成部分。
《微积分》课程是一门经济管理类各专业的专业核心课程和专业基础课程。是初等数学与高等数学的分水岭,是学习大学其它数学课程的前修课程。在经管类专业全国研究生入学统一考试数学试卷中,《微积分》占有56%的份额。从现实生活中的最优化问题和经济学中的边际与弹性,到宇宙天体的运行规律,都有微积分的应用。无论对进一步深造,还是实际应用,《微积分》课程都是十分重要的。
众所周知,微积分学产生的实际背景是现实世界中的四类问题:
(1)运动中速度与距离的互求问题
已知物体移动的距离s 表为以时间为变量的函数s=(st),求物体在任意时刻的速度和加速度;反过来,已知物体的加速度表为以时间为变量的函数公式,求速度和距离。这类问题是研究运动时直接出现的,困难在于,所研究的速度和加速度是每时每刻都在变化的。比如,计算物体在某时刻的瞬时速度,就不能像计算平均速度那样,用移动的距离去除运动的时间,因为在给定的瞬间,物体移动的距离和所用的时间是0。但是,根据物理,每个运动的物体在它运动的每一时刻必有速度,这也是无疑的。已知速度公式求移动距离的问题,也遇到同样的困难。因为速度每时每刻都在变化,所以不能用运动的时间乘任意时刻的速度,来得到物体移动的距离。
(2)求曲线的切线问题
这个问题本身是纯几何的,而且对于科学应用有巨大的重要性。由于研究天文的需要,光学是十七世纪的一门较重要的科学研究,透镜的设计者要研究光线通过透镜的通道,必须知道光线入射透镜的角度以便应用反射定律,这里重要的是光线与曲线的法线间的夹角,而法线是垂直于切线的,所以总是就在于求出法线或切线;另一个涉及到曲线的切线的科学问题出现于运动的研究中,求运动物体在它的轨迹上任一点上的运动方向,即轨迹的切线方向。
(3)求长度、面积、体积、与重心问题等
这些问题包括,求曲线的长度(如行星在已知时期移动的距离),曲线围成的面积,曲面围成的体积,物体的重心,一个相当大的物体(如行星)作用于另一物体上的引力。实际上,关于计算椭圆的长度的问题,就难住数学家们,以致有一段时期数学家们对这个问题的进一步工作失败了,直到下一世纪才得到新的结果。又如求面积问题,早古希腊时期人们就用穷竭法求出了一些面积和体积.他们就采用了穷竭法。当分割的份数越来越多时,所求得的结果就越来越接近所求的面积的精确值。但是,应用穷竭法,必须添上许多技艺,并且缺乏一般性,常常得不到数字解。当阿基米德的工作在欧洲闻名时,求长度、面积、体积和重心的兴趣复活了。穷竭法先是逐渐地被修改,后来由于微积分的创立而根本地修改了。
(4)求最大值和最小值问题(二次函数,属于微积分的一类)
例如炮弹在炮筒里射出,它运行的水平距离,即射程,依赖于炮筒对地面的倾斜角,即发射角。一个“实际”的问题是:求能够射出最大射程的发射角。十七世纪初期,Galileo断定(在真空中)发射角是 45度时达到最大射程;他还得出炮弹从各个不同角度发射后所达到的不同的最大高度。研究行星的运动也涉及到最大值和最小值的问题。
在现实世界中,许多问题的自变量不是一个,而是多个,例如:长方体的体积V=xyz,就有三个自变量。遇到多个自变量的函数时,就需要把一元函数中的微积分方法,推广到多个自变量的场合,这就是所谓的多元函数微积分。
《微积分》课程中的多元微积分部分是平行的推广了一元微积分的内容。把微积分中一元函数的成果相应的推广到了多元函数场合。在这一部分,我们可以学习如何采用类推的方法,找寻新的知识;
微分方程和差分方程部分,是微积分的反问题。是当未知函数的导数或差分所满足的某一关系式时,如何求出未知函数,这就是微分方程和差分方程部分要解决的核心问题。
无穷级数部分主要解决无穷多项的求和问题,而无穷多项的求和问题是对有限项求和的本质性突破,它的产生彻底解决了著名的“芝诺悖论”,即只要乌龟先出发一段时间,跑的最快的阿基里斯就永远无法追上乌龟。
在学习《微积分》课程过程中,不仅可以学到非常有用的数学知识,更能使我们的思维方式从有限发展到无限、从静止的研究问题拓展为变化的研究问题,真正地领悟从量变到质变和相对性看问题的辩证法思想。也许,微积分的知识会在课程结束后不久,忘得一干二净,但是,在学习微积分过程中所学到的思想、精神和思维方式将铭心刻骨、受益终身。
本课程包括:定积分、多元函数微分学、多元函数积分学、无穷级数、常微分方程、简单差分方程,共六章。
考虑到非数学类专业的特点,我们突出基础性、方法性和实用性。