微积分笔记之三:你早就在用微积分
你怀疑这段感情在变冷吗你恼火越来越胖吗你害怕房价自由落体吗你已在做微积分了。只是不知道这种思维方式叫微积分。极限你知道方向但永远到不了你喜欢一个人。刚认识时一周见一次后来三天一次、两天一次、每天都见见完还发消息聊到凌晨。你心里清楚这段关系在向在一起收敛。但你不敢确认。反复问自己他到底爱不爱我极限说这个问题没有精确答案但你不需要精确答案。你需要看趋势。中间会有波动——他有时回消息慢了你有时心情不好冷落了他——但总体上越来越近收敛方向已经给出答案。反过来也成立。回消息越来越慢见面越来越敷衍约饭开始找借口。你不需要等到我们分手吧落地——趋势早就收敛到那个方向了。你心里知道只是不愿承认。极限的精髓不是到达是趋向。别执着于他到底爱不爱我这份工作到底值不值这类绝对判断。去看收敛方向。方向就是答案。等到答案确认的那天通常已经太晚了。夹逼定理两边收紧把答案挤出来你在二手平台买手机。卖家报九成新iPhone 154500。你不知道这价格合不合理但你知道两件事全新官方价6000上界回收平台报价3200下界。合理价格在3200到6000之间。卖家报4500在区间里可以谈报6500超出上界不用谈。这是夹逼思维的起点。但真正的夹逼定理比这狠它要求上界和下界不是静止的而是在动态收缩最终逼向同一个点。看孩子成绩。最差没低过70最好没超过90——这只是宽泛的区间。但如果下界在往上走70、72、75上界在往下走90、88、86两条线在向同一个数字靠拢——比如都在向80逼近——这才是夹逼。区间收窄真实水平被挤压到一个越来越精确的位置。夹逼定理的力量不在于框一个范围在于两边同时收紧把答案挤出来。洛必达法则当比值失去意义严格地说洛必达法则只在一种特殊情况下适用分子和分母同时趋向零或同时趋向无穷大比值变成零除以零或无穷大除以无穷大无法判断。这时候比较原来的量已经没意义必须转而比较它们各自的变化速度。生活中很少遇到这么极端的情况但背后的思路值得借用当两个变量都在剧烈变动、直接比较说不清楚的时候看各自变化的速度比看绝对值更有判断力。比如你考虑换工作。工资涨了加班也多了。值不值算不清。看速度工资每年涨5%加班时间每年多20%。速度一比就清楚——你的时间在加速消失收入增长在减速。这不是严格的洛必达你的收入和时间都不趋向零但这是同一种思维存量比不清的时候增量替你做判断。导数此刻正在发生什么你开车从北京到上海全程1200公里。到了上海你说我开了1200公里这是总量。交警不关心总量他关心你过测速点那一刻开多快。此刻的速度不是总共走了多远。导数就是此刻的速度。你1月1日75公斤12月31日还是75公斤。年度总结体重没变。但3月份胖到82公斤8月份瘦到68公斤中间经历了暴饮暴食和疯狂节食。年初年底数字一样中间的故事完全不同。导数不看起点和终点看每一个瞬间的变化率。总量容易掩盖问题速度更难伪装。二阶导数变化本身在加速还是减速一阶导数是速度二阶导数是加速度。你踩油门车从0加速到60码。油门越踩越深加速越来越猛——二阶导数为正。油门不变甚至松了一点车还在加速但加速度越来越慢——二阶导数为负。还在快但快的劲头在衰退。炒菜加盐。第一勺从寡淡到有味道变化巨大。第二勺从有味道到刚好。第三勺从刚好到偏咸——加的量一样但改善在递减。二阶导数转负了。第四勺就毁了。二阶导数回答的问题是趋势还能持续多久回到感情。刚在一起时每天都有新鲜感快乐在加速增长二阶导数为正。半年后还是开心但新鲜感消退开心的增速在放缓二阶导数转负。快乐还在一阶导数为正只是增长变慢了。这不是函数值下降是增长率下降——不是不爱了是进入了另一个阶段。要突破得换方法不是加时间。链式法则蝴蝶效应的数学版你迟到了。原因不是一个是一串闹钟没响→起晚→没吃早餐→血糖低→开车走错路→迟到。每一环都不算大事串起来就是大事。链式法则处理的就是这种情况A影响BB影响CC影响D。想知道A的微小变化最终对D影响多大把每一环的放大倍数乘起来。炒菜时你用过链式法则。火大了→油温升快→菜下锅后水分蒸发快→菜更脆。你调的是火第一环控制的是口感最后一环中间的传导链你心里有数。积分把碎片加回去导数是把整体切碎看每一片。积分反过来把碎片加回去还原整体。你切西瓜。一刀切两半能估算每半的重量。四刀切八块估得更准。理论上切成无穷多薄片每片重量加起来精确等于整个西瓜。这就是黎曼和。把一个复杂形状切成无数窄条每条近似一个矩形矩形面积好算加起来就是总面积。条越窄越准窄到极限近似收敛为精确。你的银行存款就是积分每月存一点36个月后加起来就是总存款。你的肌肉也是积分每天举一会儿铁365天累积出好身材。你的友情还是积分每次帮个小忙、每顿饭、每通电话十年后加起来就是老朋友。大的东西由小的东西累积。你不需要一次做成大事只需要把每一个小的做对。时间会替你积分。微积分基本定理切碎和拼回是同一条路微积分最漂亮的结论求导和积分互为逆运算。像加法和减法乘法和除法。你每天记账周一花50周二花30周三花80。加起来积分得到一周总支出。反过来看总支出曲线的斜率求导能还原每天花了多少。从碎片到整体从整体回到碎片路是通的。无限累加结果有限你朝北墙走。第一步走一半距离第二步走剩下的一半第三步再走一半……你永远到不了墙但走过的总距离不会超过你到墙的原始距离。无限多步有限总和。严格地说这是无穷级数的收敛——把无限多个数加起来总和有限。微积分里还有一个连续版本叫反常积分一条曲线向无穷远延伸曲线下方的面积加起来也可能有限。两个概念不同但共享同一个核心直觉无限次累加未必通向无穷大。反过来有些东西不收敛。你借了高利贷利滚利时间越长欠越多没有上限。这是发散。区分收敛和发散就是区分可以一直干下去和再干下去就完了。你的工作强度是哪种你的消费习惯是哪种泰勒级数先猜一个再慢慢修你认识一个新朋友。第一印象长得面善。这是零阶近似——用一个瞬间的快照代替整个人。聊了十分钟说话有条理。一阶修正加上了。吃了顿饭对服务员态度好。二阶修正。合作了一个项目deadline前不甩锅。三阶修正。你对一个人的认知就是泰勒展开从一个已知的点出发先用最粗的猜测然后不断加入高阶修正项。每加一项更准一点。天气预报也是这个逻辑。最粗今天晴明天大概也晴零阶。精一点今天比昨天冷了3度明天可能更冷一阶。再精一点降温在加速还是放慢二阶。收敛半径经验有适用范围泰勒级数有个关键限制收敛半径。半径以内高阶修正让你越来越准超出半径加再多项也没用甚至越加越错。你在北京积累了十年生活经验哪里堵车、哪个医院靠谱、怎么和房东谈价。搬到天津还大致管用半径以内搬到东京就全不灵了超出半径。不是经验不好是经验有适用边界。承认收敛半径不是承认失败是承认换了环境得重新从零阶开始。微积分会失灵的地方微积分假设世界连续、光滑。大多数时候确实如此。但有些时刻不是。2020年1月你的生活还在连续运行上班、吃饭、周末见朋友。2月疫情来了。生活曲线出现了一个尖角——左边和右边的斜率完全不同。在那个尖角上导数不存在。大多数日子是连续的。微积分在99%的时间里好用。剩下那1%的突变你需要的不是更精确的计算是冗余——手里有存款身边有朋友。你判断感情趋势——极限。 你两边收紧挤出答案——夹逼定理。 你看变化速度做决定——导数。 你感知加速度判断拐点——二阶导数。 你每天攒钱买房——积分。 你从第一印象逐步修正认知——泰勒级数。微积分不是你要学的新东西。它是你日常思维方式的名字。把直觉翻译成精确语言好处是当直觉模糊的时候公式替你算清楚。当你说感觉不太对的时候导数告诉你具体哪里不对、不对多少、还会不对多久。