为什么这本书不让你背公式
给 9–14 岁的数字游乐指南
小π 第一次翻开数学书的时候,打了一个很长的哈欠。
书上的公式长得像一排排压扁的蚂蚁:。老师说要背下来,考试要考。小π背了,也考了,但过了一个暑假,公式就像沙子一样从指缝里漏光了。
后来小π 遇到了一只橘猫。
橘猫叫欧拉,喜欢睡在摊开的数学书上,也喜欢在别人快要放弃的时候,用尾巴尖敲敲某个数字。
欧拉说:“公式不是用来背的。公式是一张被压扁的地图。你要做的,是把它重新展开,看看它原本长什么样。”
这本书的三个约定
第一,先动手,再动脑。 每一节都有一个可以真正上手玩的网页。你可以拖滑杆、点按钮、把图形拆开再拼起来。玩过之后,公式会自己“长”出来。
第二,先猜,再证明。 猜错完全不丢人。数学家的日常就是:猜一个,被自己推翻,再猜一个。书里会留出“你觉得呢”的时刻,别急着翻答案。
第三,允许看不懂。 第一遍看不懂某一段,就跳过去玩网页,玩完再回来。很多数学不是“读懂”的,是“看懂了”之后才读得懂的。
每一节长什么样
你会反复遇到这几种小牌子:
- 📖 故事:小π 和欧拉在游乐场里遇到的一个问题。
- 🎪 动手玩:点开网页,亲手试一试。
- 💡 发现:玩着玩着,你会注意到的那件事。
- ⚠️ 小心坑:几乎每个人都会踩的坑,提前帮你标出来。
- 🎯 挑战:三道小题,答案在书后的附录里。
怎么使用这本书
你可以只读文字,也可以把这本书当成一张“游乐场地图”:
- 浏览器里打开
index.html,这是游乐场大门。 - 点“翻开第 1 章”,进入完整的书页。
- 读到 🎪 的牌子时,点开对应的交互网页,玩够了再回来。
- 想打印或存成 PDF,在书页右上角点“打印”。
给陪读的大人:这本书里的公式都给了推导,但推导是“看得见”的推导。如果孩子只想玩网页,也很好——先有画面,再有符号,顺序反了也没关系。
欧拉在书的第一页踩了一个梅花印,然后说:
“数学不是一门需要记性的学科。它是一门需要想象力的学科。现在,我们去游乐场吧。”
对数的认知
数是怎么排队的
先澄清一件事:这一章的“对数”,不是 log。
不是那个让高中生头疼的“对数函数”,而是“对数字的认识”。如果你第一眼把它看成了 log,说明你的数学雷达很灵敏——但请把它关掉,这一章我们用不上它。
数字有四种长相
从小学到现在,你见过很多数字。但你可能没有注意过,同一串数字,可以有四种完全不同的“长相”。
第一种长相:排队。 1、2、3、4……它们排着队往前走。你想知道前 100 个加起来是多少,就面临一个“队伍太长”的问题。
第二种长相:折叠。 有些数字不是加出来的,而是乘出来的:1、2、4、8、16……每往后一步,就折叠一次。它要么缩得很小,要么炸得很大。
第三种长相:形状。 1、4、9、16……这些数可以摆成正方形;1、3、6、10……可以摆成三角形。数字不只是数量,它还是面积、是边框、是一层一层的积木。
第四种长相:原子。 2、3、5、7、11、13……它们没法再被拆成更小的整数乘积。所有整数都由它们“化合”而成。它们叫素数,是数字世界的原子。
这一章,我们就去这四个地方各玩一趟。
本章地图
- 1.1 高斯的一记神配对:从 1 加到 100,怎样在几秒钟内算完?为什么奇数加起来正好是一个正方形?
- 1.2 越变越小的饼干:无限多个数相加,为什么可能等于一个有限的数?公比的绝对值小于 1,到底意味着什么?
- 1.3 方块堆里的秘密: 和 有什么画面?四次方的公式又是怎样被严格“锻造”出来的?
- 1.4 素数的筛子与森林:怎样快速判断一个数是不是素数?怎样把 N 以内的素数一网打尽?素数的分布,究竟有没有规律?
每一节都配了一个可以上手玩的网页。别客气,先玩。
出发前,欧拉的问题
欧拉趴在游乐场门口的栏杆上,尾巴一甩,问了三个问题:
- 把 1 到 100 加起来,你打算加多久?
- 0.999……一直写下去,它到底等不等于 1?
- 素数的个数是有限的还是无限的?
小π 想了很久,说:“我好像一个都答不上来。”
欧拉很满意:“很好。带着问题进去,比带着答案进去好玩多了。”
高斯的一记神配对
从 1 加到 100,只用一分钟
开学第一天,数学老师想给全班一个下马威。
他在黑板上写下一行字:
1 + 2 + 3 + … + 100 = ?
然后说:“算不完不许回家。”
小π 刚拿起笔,就听见隔壁桌传来一声长长的哈欠。那是欧拉——一只混进教室的橘猫,正趴在窗台上,尾巴懒洋洋地垂着。
“你完蛋了,”小π 小声说,“一百个数,加到天黑也算不完。”
欧拉睁开一只眼:“谁让你真的一个一个加了?”
一、先别急着加
大多数人的第一反应是硬加:1+2=3,3+3=6,6+4=10……算到六十多就开始怀疑人生,而且只要中间错一步,后面全错。
欧拉用爪子把 1 到 100 写成了两行:
“现在,把上下两个数一对一地加起来。”欧拉说。
小π 试了试:
每一对都是 101。
一共 100 对,所以两行加起来是 。但我们只要其中一行的和,于是除以 2:
小π 只用了一分钟。
二、把楼梯搬进游乐场
欧拉带小π 去了数字游乐场的第一站。那里有一座奇怪的楼梯:第一级高 1 格,第二级高 2 格,第三级高 3 格……第 n 级高 n 格。
“这叫三角形数,”欧拉说,“把每一级的高度加起来,就是 。”
打开 1.1 的游乐场,你会看到两种玩法。
玩法一:配对彩带。 最矮的一级和最矮……不对,是最矮的一级和最高的一级,被同一根彩带连起来。第二矮的和第二高的连起来,以此类推。每一对的高度和,都是 。
玩法二:拼成矩形。 把整座楼梯复制一份,旋转 180°,正好能补进原来的楼梯里,拼成一个宽 、高 的矩形。楼梯占了矩形的一半。
于是:
这个式子,就是等差数列求和公式。
三、奇数为什么拼成正方形
游乐场里还有第二座设施。
小π 看到一堆小方块,边长从 1 开始一级一级地长。欧拉说:“每次长一层,你猜要添多少块?”
- 从 长到 ,添 3 块;
- 从 长到 ,添 5 块;
- 从 长到 ,添 7 块。
全是奇数。
为什么会这样?因为边长为 k 的正方形有 块,边长为 的正方形有 块,两层相差:
差值永远是奇数。所以“奇数”就是正方形一层一层的“年轮”。
把前 n 个奇数加起来,正好是边长为 n 的正方形:
欧拉打了个滚:“所以,奇数不是‘奇怪的数’,是‘正方形的边框’。”
四、公式是怎么被证明的
现在我们把这两件事写成严格的推导。
推导一:配对法
设 。
把和倒过来写一遍:
两式相加,每一列都是 ,一共 n 列:
所以 。
这个推导对偶数 n 和奇数 n 都成立,不需要分情况。之前“n 为奇数时中间会落单”的担心,被“两行相加”的技巧直接绕过去了。
推导二:矩形法
把三角形数摆成楼梯,复制一份旋转 180°,拼成 矩形。矩形面积是 ,楼梯占一半,所以和是 。
同一个公式,一条代数路,一条几何路。两条路都通向同一个地方。
一般情况:等差数列
如果数列不是从 1 开始,而是从 开始,每次加 ,最后一项是 ,那么:
也就是“首项加末项,乘项数,除以 2”。
小π 问:“那 也能用这个公式吗?”
当然能。首项 1,末项 ,项数 n:
和前面的正方形结论一模一样。
五、小心三个坑
六、高斯的传说与真实
传说高斯 9 岁时,老师布特纳让全班算 1 到 100 的和。高斯很快写下 5050,老师惊呆了。
这个故事流传很广,但细节未必全真。可以确定的是:高斯后来成了“数学王子”,而这个“首尾配对”的想法,确实是数学里最漂亮的小技巧之一。
欧拉补充:“顺便说,古埃及人和巴比伦人早就会算等差数列了。高斯不是第一个想到的人,但他是把它用得最出神入化的人之一。”
七、挑战
看答案
① 。
② 提取公因数 2:。
③ 。估算:,所以 。
一句话记住
加法可以折叠成乘法,数列可以折叠成面积。
下一站,我们去吃一块永远吃不完的饼干。
越变越小的饼干
等比数列与无穷的握手
小π 得到了一块巨大的饼干。
第一天,他吃掉了整块饼干的一半。第二天,他吃掉了剩下的一半。第三天,他又吃掉了剩下的一半……
“照这样吃下去,”小π 舔着手指说,“我是不是永远都吃不完?”
欧拉趴在饼干盒上,慢悠悠地说:“你确实永远会剩一点点。但你吃掉的饼干总量,是有限的。”
小π 愣住了:“无限次地吃,怎么会是有限的总量?”
欧拉说:“因为你每次吃的都越来越少,而且少得很有规律。”
欧拉把饼干换成了一个正方形,带小π 去了 1.2 的游乐场。第一刀竖着剪掉一半,第二刀横着剪掉剩下的一半,第三刀再竖着剪……每一刀都只剪掉“剩下部分”的一半。剪下来的小块留在原位,一块块把正方形填得越来越满,却总还留着一小块白色。
“如果一直剪下去呢?”小π 问。
“剩下的会缩成一个点。”欧拉说,“但剪下来的总面积,正好是一整块。”
一、什么叫等比数列
看这串数:
每一项都是前一项乘以 。这个固定的乘数,叫公比,通常记作 q(这本书里我们有时也写成 x)。
等比数列的通项公式是:
这里 是首项,q 是公比,n 是项数。
和等差数列不同,等比数列不是“排队往前走”,而是“折叠”:每走一步,就把上一步折叠一次。q 大于 1 时越折越大,q 小于 1 时越折越小。
二、先算有限项
在讨论“无限”之前,我们先老老实实算前 N+1 项的和:
这个和在生活里很常见。比如 x=0.5 时,它就是小π 吃掉饼干的总量(第一次吃 1/2,第二次吃 1/4……)。
欧拉教了小π 一个魔法,叫错位相减。
第一步,把 写出来:
第二步,两边同时乘以 x:
第三步,把两个式子上下对齐,相减。
你会发现,中间那些项一模一样: 和 抵消, 和 抵消……最后只剩下两头:
左边提取公因数:
只要 ,两边就可以同时除以 :
这就是等比数列的有限项求和公式。
三、把 N 放到无穷大
现在回到小π 的饼干。
取 ,前 N+1 项的和是:
N 越大, 越小。N=10 时它约等于 0.00098,N=20 时约等于 0.00000095。
它越来越接近 0。
所以 越来越接近 2,但永远比 2 小一点点。我们把这个“越来越接近的目标”叫作极限:
更一般地,只要 ,当 N 越来越大时, 会趋近于 0,于是:
这就是无穷等比级数的求和公式。
小π 盯着这个式子看了半天:“所以,我吃掉的总量正好是 2 块饼干?可我开始只有 1 块啊。”
欧拉说:“你把‘整块’和‘吃掉的部分’搞混了。你吃掉的,是 ,这里面并没有那个开头的 1。用公式算:。所以你吃掉的正好是一整块——只是在任何有限的天数里,你总还会剩一点点。”
小π 这才明白:“永远吃不完”说的是过程,“总量是一整块”说的是极限。两句话可以同时成立。
四、为什么必须 |x|<1
欧拉在纸上画了三个例子。
x = 1:,越加越大,没有尽头。公式的分母 变成 0,直接失效。
x = 2:,每一项都在翻倍。只要加几十项,就能超过全世界所有的麦粒。
x = −1:,在 1 和 0 之间来回跳,永远定不下来。
只有当 时,每一项才越来越小, 才趋近于 0,公式才成立。这个条件不是“附加要求”,它是公式能成立的根本原因。
五、棋盘上的爆炸
说到 x=2,就不能不提那个著名的棋盘故事。
传说一位国王要奖赏国际象棋的发明者。发明者说:“我只要麦子。第一格放 1 粒,第二格放 2 粒,第三格放 4 粒,每一格都是前一格的两倍,放满 64 格就好。”
国王觉得这要求太便宜了,一口答应。
结果算下来,第 64 格要放 粒,约等于 粒。前 64 格加起来是 粒,重量约 4610 亿吨——是全世界一年小麦产量的好几百倍。
同一个公式 ,在 时收敛到一个有限的数,在 时爆炸。一个小小的绝对值,划分了两个世界。
六、0.999……到底等不等于 1
小π 一直有个疑问:“0.999……无限循环下去,是不是永远比 1 小一点点?”
欧拉说:“用等比数列算一算。”
这是首项 0.9、公比 0.1 的等比数列:
所以 ,不是“约等于”,是“等于”。它们只是同一个数的两种写法,就像 和 一样。
小π 有点不服气:“可是它看起来就是小一点啊。”
欧拉说:“‘看起来’不是数学。数学看的是:这两个数之间,你能不能找到另一个数?找不到,它们就是同一个数。”
七、小心三个坑
八、挑战
看答案
① 首项 1,公比 ,所以 。
② 这是首项 1、公比 2、共 11 项的等比数列,用有限公式:。
③ 公比是 ,所以 。
一句话记住
无限不一定是无穷大;“越来越小”是收敛的钥匙。
方块堆里的秘密
平方和、立方和与四次方
欧拉把小π 带到了游乐场的积木区。
地上铺着一张巨大的方格纸,旁边堆着一箱小方块。欧拉说:“给你一个任务:数一数这张 8×8 的方格纸里,一共有多少个正方形。”
小π 信心满满:“1、2、3、4……这有什么难的?”
十分钟后,小π 数乱了。
欧拉用尾巴尖敲了敲纸面:“别一个一个数。按大小分类。”
一、网格里有多少个正方形
先看边长是 1 的小正方形。8×8 的格子,每一格都是一个小正方形,一共 个。
再看边长是 2 的正方形。它的左上角可以放在哪里?横向有 7 个位置,纵向也有 7 个位置,所以有 个。
边长是 3 的正方形,左上角有 6×6 个位置,所以有 个。
一直数到边长是 8 的大正方形,只有 个。
于是总数是:
倒过来写,就是:
“所以,”欧拉说,“数正方形,其实就是在算平方和。”
打开 1.3 的游乐场,你可以亲手一格一格地数,看每种大小的正方形怎样被高亮出来,累计的数字怎样一点点长到公式预测的总数。
二、平方和公式
我们希望找到一个公式:
先看几个小数据:
- :
- :
- :
- :
这些数字能看出规律吗?直接看不出来。但数学家有一个办法:找差分。
考虑相邻两个立方数的差:
这个式子把 孤立出来了。把 k 从 1 到 n 全部写出来,然后加起来:
左边是一个“望远镜”:、、……中间全抵消,只剩下 。
而 我们已经知道了。于是:
其中 S 就是平方和。解出 S:
把右边通分化简(只是代数运算,没有新想法),得到:
用 n=8 验证:。小π 在游乐场里数出来的,正好也是 204。
三、立方和:正方形的边框
现在把积木换个摆法。
正方形数 是三角形数。用 当边长画正方形,它的面积是 。
当边长从 长到 时,新镶上去的 L 形边框有多少块?
用面积相减:
而 ,。所以:
边框正好是 块。
把 k=1 到 n 的边框全部加起来,正方形从 长到 :
这就是立方和公式,也叫尼科马库斯定理。它有一个非常漂亮的读法:
前 n 个立方数的和,等于前 n 个自然数之和的平方。
验证一下: 时,,而 ,。对上了。
在游乐场里,你每点亮一层,就会看到一圈边框被高亮,右上角写着 。那些数字不是算出来的,是“长”出来的。
四、四次方:严格推导
平方和、立方和都有了几何画面。那四次方呢?
这一节,我们不做“跳步”的推导,一步一步来。方法还是望远镜,只是这次要升到五次方。
第一步:构造差分
用二项式定理展开 ,再减去 :
这里的系数 5、10、10、5、1,来自帕斯卡三角形第 5 行。
第二步:把所有 k 加起来
把 k=1 到 n 的式子全部相加。左边是望远镜,中间抵消:
右边逐项求和:
第三步:代入已知的幂和
我们已经知道:
把它们代进去,右边就只剩一个未知数 :
第四步:解出四次方和
把已知项移到左边,两边除以 5:
接下来是纯代数:把 提出来,通分,展开,合并同类项。过程有点长,但没有一步需要“灵感”。整理的结果是:
用 n=5 验证:。
而 。对上了。
五、公式流水线
把上面的方法抽象一下,你会得到一个“公式流水线”:
- 想求 ,就构造差分 。
- 展开,右边会出现 、、……、常数。
- 把 k 从 1 到 n 求和,左边望远镜式抵消成 。
- 把低次幂和代进去,解出 。
- 通分化简。
用这台流水线,你可以继续造出五次方和、六次方和……只是公式会越来越长。
六、三种“和”的对照
| 和 | 公式 | 几何画面 |
|---|---|---|
| 楼梯拼成矩形 | ||
| 网格里数正方形 | ||
| 正方形边框一层层长大 | ||
| 五次方差分的望远镜 |
看出规律了吗?p 次方和的公式,是一个 p+1 次多项式。而且它总是被 整除——因为前 n 项和的“形状”里,天然带着这两个因子。
七、挑战
看答案
① 。
② ,。
③ 直接套公式:。
一句话记住
把“很多项”折叠成“两项”,是求和问题的万能钥匙。
素数的筛子与森林
找出数字世界的原子
游乐场的最后一站,是一片森林。
森林里的树按照编号排列:1 号、2 号、3 号、4 号……小π 发现,有些编号的树特别“孤僻”,比如 2、3、5、7、11、13。它们除了 1 和自己,没有别的因数。
“这些数叫素数,”欧拉说,“它们是数字世界的原子。所有整数,都能由素数乘出来。”
小π 问:“那 1 呢?”
“1 不是素数。”欧拉说,“因为它太特殊了——如果 1 算素数,那么 6 可以写成 ,也可以写成 ,还可以写成 ……分解就不唯一了。数学家为了‘唯一分解’,把 1 请出了素数俱乐部。”
一、什么是素数
一个大于 1 的整数,如果只有 1 和它自己两个正因数,就叫素数(也叫质数)。否则叫合数。
- 2 是素数,而且它是唯一的偶素数。
- 3、5、7、11、13、17、19、23、29、31……都是素数。
- 4、6、8、9、10、12……都是合数。
- 1 既不是素数也不是合数,它自成一类。
素数的“原子性”体现在算术基本定理里:每个大于 1 的整数,都能唯一地分解成素数的乘积(不考虑顺序)。
这串分解是唯一的。素数就像化学里的元素,所有整数都是它们“化合”出来的。
二、怎样快速判断一个数是不是素数
最直接的办法:拿 2、3、4、5……一个个去除,看能不能整除。
但如果 n 很大,这样太慢了。数学家发现:只需要试到 。
为什么呢?假设 n 是合数,那么 ,其中 a、b 都大于 1。如果 a 和 b 都大于 ,那么 ,矛盾。
所以,a 和 b 里至少有一个不超过 。我们只要在 2 到 之间找因数,找不到,n 就一定是素数。
在实际计算里,还可以继续优化:
- 只试素数。 2 的倍数、3 的倍数已经被 2 和 3 排除了,不用再试合数。
- 跳过明显的数。 除了 2 和 3,所有素数都形如 (因为 、、、 都能被 2 或 3 整除)。
- 大数用米勒–拉宾。 判断几百位的大数时,用米勒–拉宾(Miller–Rabin)检测,几毫秒就能给出“几乎确定”的答案。
费马小定理与它的“骗子”
还有一个更神奇的检测方法,来自费马小定理:
如果 n 是素数,那么对任意不被 n 整除的整数 a,都有 。
取 a=2,只需要算一次 。如果余数不是 1,n 一定不是素数。
但反过来不成立:有些合数也能让 。它们叫卡迈克尔数,比如:
所以费马检测只能用来“排除合数”,不能用来“确认素数”。米勒–拉宾就是在它的基础上多随机几个底数,把被骗的概率降到极低。
三、埃拉托斯特尼筛法
如果我们要找出 N 以内的所有素数,一个一个判断就太慢了。这时候要用“筛子”。
方法如下:
- 把 2 到 N 的所有整数写下来。
- 2 是素数,把 2 的倍数(4、6、8……)全部划掉。
- 下一个没被划掉的是 3,它是素数,把 3 的倍数划掉。
- 下一个没被划掉的是 5,把 5 的倍数划掉。
- 一直重复。最后没被划掉的,就是素数。
为什么可以停?因为如果 p 是当前素数,并且 ,那么所有小于等于 N 的 p 的倍数早就被更小的素数划掉了。所以只需要筛到 。
这个算法叫埃拉托斯特尼筛法,是古希腊图书馆长埃拉托斯特尼发明的,到今天还在用。
在游乐场里,你可以选一个 N,看筛子一层层地划掉合数:先划 2 的倍数,再划 3 的倍数……最后剩下的绿色数字,就是素数。
四、素数森林的地图
筛出素数之后,小π 把前 100 个素数写在纸上,问欧拉:“它们有规律吗?”
欧拉说:“有‘大规律’,但没有‘小公式’。我们一张一张地图看。”
地图一:π(n) 曲线
记 为不超过 n 的素数个数。比如:
- (2、3、5、7)
把 画成曲线,你会发现它一直在涨,但越涨越慢。
素数定理告诉我们:
意思是:当 n 很大时, 和 的比值趋近于 1。
这也意味着,素数出现的“密度”大约是 。n 越大,遇到素数的概率越小。
地图二:素数的间隔
相邻两个素数之间的差,叫间隔。比如 11 和 13 的间隔是 2,13 和 17 的间隔是 4。
平均间隔大约是 。n 越大,间隔整体越大。
但有趣的是,间隔为 2 的素数对(孪生素数)一直出现:
孪生素数有没有无穷多对?这是数学界最著名的未解问题之一。2013 年,张益唐证明了“相差不超过 7000 万的素数对有无穷多对”,震惊了世界。后来这个上界被不断缩小。
地图三:乌岚螺旋
把自然数排成螺旋,再把素数涂上颜色,会看到一些斜线。
这不是巧合。螺旋对角线上的数,往往可以写成 这样的二次多项式。某些二次多项式“碰巧”更容易产生素数,于是就排成了线。
但注意:这些线是“图案”,不是“规律”。素数没有已知的简单生成公式。
地图四:末位数字
除了 2 和 5,所有素数都只能以 1、3、7、9 结尾。因为偶数结尾能被 2 整除,5 结尾能被 5 整除。
这四种末位出现的次数大致接近,但并不是严格平均。素数在末位上的分布,仍然有微妙的偏差。
五、素数有无穷多个
欧拉说:“最后,我教你一个两千年前的证明。”
假设素数只有有限个,把它们全部乘起来,再加 1:
这个 N 除以任何一个 ,都会余 1。所以它要么本身是素数,要么有一个不在名单里的素因数。无论哪种情况,都说明“素数已经列完了”是错的。
所以,素数有无穷多个。
六、素数有什么用
小π 问:“研究素数有什么用?”
欧拉说:“你现在上网的每一次支付,背后都站着两个很大的素数。”
RSA 加密的原理是:把两个大素数乘起来很容易,但把乘积分解回两个素数极其困难。公钥里放的是乘积,私钥里放的是那两个素数。只要素数足够大,分解就要花掉宇宙年龄那么长的时间。
除此之外,素数还出现在:
- 哈希函数和随机数生成;
- 纠错码;
- 计算机科学的算法设计;
- 甚至蝉的进化策略(有一种蝉的生命周期是 13 年或 17 年,素数年数能减少与天敌“撞车”的概率)。
素数是数学的“原子”,也是现代密码学的基石。
七、小心四个坑
八、挑战
看答案
① 25 个。
② 101 是素数(试到 √101≈10,2、3、5、7 都除不尽);221 ,不是素数。
③ 8 对:(3,5)、(5,7)、(11,13)、(17,19)、(29,31)、(41,43)、(59,61)、(71,73)。
④ 是。它是一个梅森素数,也是 32 位有符号整数能表示的最大素数。
一句话记住
素数是数字的原子,分布像森林——越走越稀,却永远走不到尽头。
四种看数字的眼光
把四座游乐设施装进口袋
从游乐场出来,小π 的口袋里多了四张票根。
欧拉问:“你学到了什么?”
小π 想了想,说:“我学会了几个公式。”
欧拉摇头:“公式是结果。我想知道的是,你看数字的眼光有没有变。”
四种眼光
第一种:配对的眼光。看到一个“一长串”的加法,先别急着加。看看首尾能不能配对,看看能不能复制一份拼成矩形。 的公式,就是这样“折叠”出来的。
第二种:折叠的眼光。看到乘法、看到翻倍,就要想到等比数列。公比的绝对值小于 1,数列会收敛;大于等于 1,就会爆炸。无限项相加不一定无穷大——这是这一章最反直觉的一件事。
第三种:形状的眼光。看到平方和、立方和,不要只看到符号。平方和是网格里的正方形,立方和是正方形边框一层层长大。数字可以变成图形,图形可以变成数字。这就是“数形结合”。
第四种:筛选的眼光。看到一类特殊的数,就要想到“如何高效地把它们找出来”。试除法、筛法、概率检测,都是“筛选”的不同层次。素数是数字的原子,而筛子是寻找原子的工具。
四张公式卡片
| 内容 | 公式 | 一句话画面 |
|---|---|---|
| 自然数和 | 楼梯拼成矩形 | |
| 等比有限和 | 错位相减,中间抵消 | |
| 等比无限和 | 越变越小,靠近极限 | |
| 平方和 | 网格里数正方形 | |
| 立方和 | 正方形边框长成立方 | |
| 四次方和 | 五次方差分的望远镜 |
三种方法
这一章反复出现了三个“招数”,它们比公式更值得记住:
- 配对。 把对称的东西放在一起,让复杂变简单。高斯配对、正方形边框,都是配对。
- 错位相减。 把两个“几乎一样”的式子错开一位再相减,消掉中间一大堆项。等比数列求和靠它。
- 望远镜求和。 构造 ,逐项相加时中间抵消,只剩两头。平方和、立方和、四次方和,都靠它。
自测:你真的懂了吗
不用计算器,试着回答:
- 为什么 ?
- 为什么 ,而 没有有限和?
- 为什么判断素数只需要试到 ?
- 四个公式里,哪几个是“面积”,哪几个是“边框”?
如果卡住了,回到对应的小节,或者再玩一遍那个网页。玩比背有用。
下一站
欧拉在游乐场的地图上,用爪子指了指远处:
“下一章,我们去看看分数。整数排完队之后,会出现一些‘不完整’的数。它们会带我们去一个更奇怪的地方——那里有不能写成分数的数,也有比任何分数都更‘密’的数。”
小π 问:“那是什么?”
欧拉打了个哈欠:“那是下一章的事了。先把这一章的票根收好。”
圆周运动和三角函数
圆上的运动怎样变成波浪
游乐场的中央,立着一座巨大的摩天轮。
小π 坐进 3 号座舱,摩天轮缓缓转动。他低头看着地面,发现自己的高度一会儿升高、一会儿降低,升到最高点时,风最大;转到最低点时,能看清地上的蚂蚁。
“欧拉,”小π 问,“如果我知道自己转到了哪个角度,能不能算出我离地面多高?”
欧拉趴在旁边的座舱里,尾巴搭在窗沿上:“不光能算高度。你把高度随角度的变化画出来,会得到一条波浪。这条波浪,就是这一章的主角。”
同一个圆的四种看法
第 1 章里,数字有四种长相:排队、折叠、形状、原子。到了圆这里,同一件事也有四种看法:
- 角度。 你转了多少度?转了多少弧度?
- 坐标。 圆上的一个点,横坐标和纵坐标分别是多少?
- 波浪。 点的高度随时间变化,画出来是什么样?
- 旋转。 先转 α 再转 β,能不能一次转完?
这四种看法,分别对应这一章的四个小节。
本章地图
- 2.1 摩天轮与单位圆:角度、弧度,以及 、 到底在量什么。
- 2.2 把圆展开成波浪:把圆周“剪开”铺平,得到正弦曲线;振幅、周期、频率、相位。
- 2.3 旋转的加法:两个旋转合起来,为什么会得到和角公式?
- 2.4 影子乐队:圆周运动的影子为什么会变成简谐运动?几个影子叠在一起,为什么能变成声音?
每一节都配了一个可以动手玩的网页。你会拖着角度转圈,也会真的“听见”一条波。
出发前,欧拉的问题
欧拉从口袋里掏出一张皱巴巴的纸,上面写着三个问题:
- 为什么数学家用弧度,而不是度数?
- 摩天轮转一圈,高度变化几次?
- 两个相差 6 Hz 的音叉一起响,为什么声音会“嗡——嗡——”地一强一弱?
小π 想了半天:“第二个我好像能猜到,另外两个完全没概念。”
欧拉很满意:“很好。这一章结束的时候,三个都要能答上来。”
摩天轮与单位圆
角度、弧度与 sin/cos 的投影
摩天轮转到 30° 的时候,小π 离地面多高?
欧拉没有直接回答,而是在纸上画了一个圆,圆上点了一个点。“先别管摩天轮有多大。我们先看一个半径为 1 的圆,叫它单位圆。”
“为什么是 1?”
“因为 1 最省事。所有圆都能按比例放大缩小,先把 1 研究清楚,别的圆乘个半径就行。”
一、角度有两种写法
我们平常说“转 90°”,用的是角度制:一整圈 360°,半圈 180°。
但数学家更爱用弧度制。它的定义很朴素:在圆上截一段弧,如果这段弧的长度正好等于半径,那么这段弧对应的圆心角就是 1 弧度。
因为整个圆的周长是 ,所以一整圈是 弧度:
于是:
弧度不是“另一种单位”那么简单。它把角度和弧长直接绑在一起:
其中 是弧长, 是半径。当 时,角度就等于弧长。这就是为什么微积分、物理、工程里几乎都用弧度——它让“角”和“长度”用同一把尺子。
二、单位圆上的坐标
把单位圆的圆心放在原点,从正 x 轴开始,逆时针转一个角 ,圆上会落在一个点 。
这个点的坐标,就是:
也就是说:
- 横坐标是 ;
- 纵坐标是 。
这不是定义,而是“投影”的结果:从 向 x 轴作垂线,垂足到原点的距离就是 ;向 y 轴作垂线,垂足到原点的距离就是 。
小π 盯着图看了一会儿:“所以 sin 和 cos 不是两个新数,是圆上点的两个坐标?”
“对。”欧拉说,“三角函数不是从三角形里长出来的,是从圆上长出来的。三角形只是圆的一个切片。”
在 2.1 的游乐场里,左边是摩天轮,右边是单位圆。你拖动角度,两边的点会一起转:摩天轮的高度对应 ,水平位置对应 。
三、几个必须记住的角
单位圆上最常用的几个点:
| 角度 | 弧度 | ||
|---|---|---|---|
不用死记。画一个单位圆,把 、、 的点标出来,再向两条轴作垂线,坐标自然就出来了。
四、符号与象限
单位圆被两条坐标轴分成四个象限。点落在不同象限, 和 的正负也不同:
- 第一象限(右上):
- 第二象限(左上):
- 第三象限(左下):
- 第四象限(右下):
口诀可以记成“一全正,二正弦,三正切,四余弦”,但更可靠的办法是:直接看坐标的正负。
五、最重要的恒等式
因为 在单位圆上,而单位圆的方程是 ,所以:
这个式子叫平方关系。它其实是勾股定理穿了三角函数的衣服。
它还有一个直接推论:无论 是多少, 和 的绝对值都不会超过 1,也不会同时为 0。点永远在圆上。
六、摩天轮的高度
现在回到小π 的问题。
假设摩天轮的中心离地面 米,半径 米,座舱从水平位置开始逆时针转 。那么座舱离地面的高度是:
- 转到最高点 :;
- 转到最低点 :;
- 转一整圈 :高度回到起点。
所以摩天轮转一圈,高度完成一次完整的“高—低—高”循环。这个循环,就是下一节要展开的波浪。
七、小心三个坑
八、挑战
看答案
① ,,。
② 最高 米,最低 米。
③ 在第三象限,,。
④ ,第一象限取正,。
一句话记住
三角函数,就是单位圆上那个点的坐标。
把圆展开成波浪
振幅、周期、频率与相位
摩天轮转一圈,小π 的高度完成了一次“低—高—低”。如果他把每一时刻的高度画在纸上,会得到一条上下起伏的曲线。
欧拉把圆从纸上“剪开”,铺成一条直线,然后在旁边画了一条波浪:“你看,圆上的点转一圈,正好对应波浪走完一个周期。”
一、从圆到波
单位圆上的点,纵坐标是 。
- 当 从 0 增加到 , 从 0 升到 1;
- 从 到 ,从 1 降回 0;
- 从 到 ,从 0 降到 −1;
- 从 到 ,从 −1 升回 0。
把 当作横坐标, 当作纵坐标,把这些点描出来,就得到一条正弦曲线。
“圆展开成波”这句话,在数学上可以写得很具体:弧长 ,把 铺在横轴上,把圆上的高度铺在纵轴上。对单位圆来说,横轴就是 。
二、波的四个参数
真实世界里的波,很少是“标准”的 。它可能更高、更密、更早或更晚。于是我们写出:
这里出现了四个量:
- 振幅 :波最高能到多少。 是振幅, 时波会上下翻转。
- 角频率 :转得多快。 越大,波越“密”。
- 周期 :走完一个完整波形需要的时间。。
- 频率 :一秒钟走完几个周期。。
- 初相 : 时波已经走到了哪里。它让整条波左右平移。
小学、初中的“频率”常指每秒几次,这里的 正是这个意思;而 是“每秒转多少弧度”,所以多了一个 。
三、sin 和 cos 是同一条波
把 曲线向左平移 ,就得到 曲线:
所以 sin 和 cos 不是两种波,而是同一条波的两个“起跑位置”。这也解释了为什么它们的图像形状完全一样,只是错开了四分之一个周期。
同理,,。正弦是奇函数,余弦是偶函数。
四、参数怎么改变图像
- 把 变大:波被纵向拉高。
- 把 变大:波被横向压密,周期变短。
- 把 变大:整条波向左平移; 变小则向右平移。
- 把 变成负数:波上下翻转。
在 2.2 的游乐场里,你可以同时拖动这三个滑块,看圆上的点和右边的波浪怎样同步变化。你还会看到一条“周期标尺”,能量出相邻两个波峰之间的距离。
五、声音也是波
声音是空气的振动。振动的快慢决定音高,振动的幅度决定响度,波形的细节决定音色。
- 频率越高,音越高。标准音 A4 是 440 Hz,意思是每秒振动 440 次。
- 振幅越大,声音越响。
- 同样频率下,正弦波听起来很“纯”,吉他的波形更复杂,所以音色不同。
这一节先建立“波”的图像,下一节我们会让几个波叠在一起,做出更复杂的声音。
六、小心三个坑
七、挑战
看答案
① 振幅 2,角频率 3,周期 ,初相 。
② 秒,。
③ 。
④ 。
一句话记住
圆上的匀速旋转,展开就是一条波。
旋转的加法
和角公式的几何证明
小π 在游乐场里发现了一个“双转盘”:先转第一个盘 α 角,再转第二个盘 β 角。
“那不就是一次转 吗?”小π 说。
“对。”欧拉说,“但你想过没有: 能不能拆成 、、、 的组合?”
小π 试了试:“?”
欧拉摇头:“你转 30° 再转 30°,高度会变成两倍吗?”
一、先看一个反例
取 ,。
,所以 。
但 ,不是 1。
所以 。三角函数不是“拆开就加”的。
二、旋转的合成
单位圆上,先转 ,再转 ,等于一次转 。
用坐标表示,旋转 会把点 变成:
这是旋转矩阵的作用:
先转 再转 ,相当于把两个旋转矩阵乘起来。而结果应该等于一次转 的矩阵。比较两边的元素,就得到和角公式:
把 换成 ,利用 、,还能得到差角公式:
三、用图看一遍
在 2.3 的游乐场里,你会看到:
- 一条从原点出发的射线,先转到 ;
- 再转 ,落到 ;
- 两个角对应的横纵投影,被分别标了出来。
把 的投影拆开,正好是“ 减去 ”。这不是代数变形,而是几何上的两段长度相减。
四、倍角公式
令 ,和角公式就变成倍角公式:
倍角公式在物理里很常见:比如简谐运动里的“倍频”,就是倍角公式在起作用。
五、辅助角公式
形如 的式子,看起来是两个波,其实可以合成一个波:
其中 满足 ,。
这个公式在 2.4 会派上大用场:两个同频率的波叠加,结果还是一条同频率的波,只是振幅和相位变了。
六、小心三个坑
七、挑战
看答案
① 。
② 。
③ ,所以 。
④ 。
一句话记住
旋转会相加,三角函数会展开。
影子乐队
简谐运动、叠加与声音
游乐场的最里面,有一个奇怪的舞台。
舞台上有两个转盘,转盘上各有一个小球。灯光从侧面照过来,小球在墙上的影子落在同一条竖线上。两个影子一上一下,合成了一个更复杂的上下运动。
“这就是影子乐队。”欧拉说,“每一个转盘是一个乐手,影子是它的歌声。两个影子叠在一起,声音就变了。”
一、圆周运动的影子
一个点匀速转圈,它在一条直径上的投影,会来回摆动。
让转盘半径为 ,角速度为 ,初始角为 ,那么影子离中心的位置是:
这个“来回摆动”叫简谐运动(SHM)。摩天轮的高度、钟摆的摆动、弹簧的振动、声带的振动,本质上都是某个圆周运动的投影。
为什么是投影?因为圆周运动有两个分量:一个在 x 方向,一个在 y 方向。从侧面看,你只看到其中一个分量,它就在做“余弦式”的往复运动。
二、周期与频率
简谐运动走完一次完整来回,需要的时间是周期:
一秒钟完成几次来回,是频率:
- 钟摆慢悠悠:周期长,频率低。
- 蜂鸟翅膀:周期极短,频率高。
- 声音:空气每秒振动几百次,所以频率在几百 Hz 量级。
在 2.4 的游乐场里,你可以拖动两个转盘的频率。频率越接近,影子合成的波形越“纠缠”;频率差得远,波形就很快变得复杂。
三、波的叠加
两个影子叠在一起,位置相加:
如果两个转盘的频率相同,结果还是一条同频率的余弦波,只是振幅和相位变了(这就是 2.3 的辅助角公式在帮忙)。
如果两个频率很接近,会出现一种特别的现象:拍。
两个频率相差 的波叠在一起,合振动的振幅会以 的频率一强一弱地变化。人耳听到的,就是“嗡——嗡——”的周期性起伏。
四、声音是什么
声音是空气的振动。它有三个基本要素:
- 音高:由频率决定。频率越高,音越高。
- 响度:由振幅决定。振幅越大,声音越响。
- 音色:由波形的细节决定。同样是 440 Hz,小提琴和钢琴听起来不一样,因为它们的波形里混着不同的高次谐波。
在游乐场里,点“听一听”按钮,你会听到两个相差几赫兹的音同时响起。仔细听,声音会一强一弱地起伏——这就是拍。
五、为什么投影这么重要
物理里到处是“圆周运动的投影”:
- 单摆在小角度下近似做简谐运动;
- 弹簧振子的位移是余弦函数;
- 交流电的电压是正弦函数;
- 潮汐、声波、光波,都可以用正弦波叠加来描述。
一个看起来简单的“转圈”,投影出来就是整个振动与波的世界。
六、小心三个坑
七、挑战
看答案
① 振幅 3,,,。
② 拍频 Hz。
③ 两个波分别为 和 ,相加为 0。
④ 座舱高度 ,而 ,所以 是正弦型函数,正是简谐运动。
一句话记住
圆周运动的影子,就是简谐运动;影子的叠加,就是波。
圆、波与旋转
把旋转园装进口袋
从旋转园出来,小π 的头发被风吹得乱糟糟的。
欧拉问:“你学到了什么?”
小π 说:“我知道了 sin 和 cos 是圆上点的坐标,还知道圆展开就是波。”
欧拉点点头:“那你说说,为什么摩天轮的高度、钟摆的摆动、声音的振动,看起来完全不一样,却能用同一套公式描述?”
小π 想了想:“因为它们都是‘圆上的点’投下来的影子。”
“答对了。”
三张脸
这一章的三角函数有三张脸:
- 圆上的坐标:。
- 直角三角形的比:对边比斜边、邻边比斜边。
- 波浪:。
它们是同一个东西。看到其中一张,要能想到另外两张。
六个公式
| 内容 | 公式 |
|---|---|
| 弧度与角度 | , |
| 平方关系 | |
| 周期与频率 | , |
| 和角公式 | |
| 和角公式 | |
| 辅助角 |
两种眼光
第一种:投影的眼光。 看到旋转,就想到它在某条轴上的影子;看到摆动,就想到它背后那个匀速转动的圆。
第二种:叠加的眼光。 复杂的波,可以拆成简单波的叠加;反过来,简单的波叠在一起,也可能变成复杂的声音、潮汐、电流。
自测
- 为什么数学家用弧度?
- 摩天轮转一圈,高度变化几次?周期是多少?
- 两个频率相差 3 Hz 的音叉,拍频是多少?
- 能不能写成 ?
如果卡住了,回到对应小节,或者再玩一遍游乐场。
挑战答案
2.1
① ,,。
② 最高 22 米,最低 2 米。
③ ,。
④ 。
2.2
① 振幅 2,角频率 3,周期 ,初相 。
② 秒,。
③ 。
④ 。
2.3
① 。
② 。
③ 。
④ 。
2.4
① 振幅 3,周期 ,频率 。
② 4 Hz。
③ 两个波相位相反,逐点抵消。
④ 高度是正弦型函数 。
下一站
欧拉指着远处的过山车:“下一章,我们去看‘变化的速度’。摩天轮转得有多快,过山车在某一瞬间有多快,曲线在每一点有多陡——这些问题的答案,都叫导数。”
小π 问:“导数难吗?”
欧拉笑了:“你已经在旋转园里见过它了。圆的影子,就是变化的开始。”
导数的意义及常用求导法则
变化的速度与曲线的斜率
游乐场的东边,有一条长长的下坡路。
小π 骑着一辆借来的自行车,冲下坡。码表上的数字不停跳动:12、18、25、31……他越骑越快。
“欧拉,”小π 喊,“码表上显示的是我现在的速度,可速度本身也在变啊。‘现在’这一刻的速度,到底是什么意思?”
欧拉坐在后座,尾巴被风吹得笔直:“这个问题,问出了整个微积分。”
一个瞬间,怎么会有速度?
速度是“路程除以时间”。可如果你只取“一个瞬间”,时间是 0,路程也是 0, 没有意义。
数学家没有硬算这个 ,而是换了一个问题:
如果我只取很小很小的一段时间,平均速度会趋近于什么?
这个“趋近于什么”,就是导数。
本章地图
- 3.1 从平均速度到瞬时速度:割线怎样变成切线?导数定义里的极限是什么意思?
- 3.2 切线与导函数:每一点的斜率组成一个新函数;为什么尖点没有导数?
- 3.3 求导积木:幂函数、和差、乘积、商的求导法则,以及乘积法则为什么不是简单相乘。
- 3.4 链式法则与最优:变化套着变化;怎样用导数找山顶、山谷和最大面积。
每一节都有一个可以动手玩的网页。你会拖动 让它越来越小,也会亲手把切线“贴”到曲线上。
出发前,欧拉的问题
欧拉从口袋里掏出一张纸条:
- 平均速度和瞬时速度,差在哪里?
- 为什么切线斜率能代表“变化快慢”?
- 为什么 不等于 ?
- 过山车的最高点,为什么切线是水平的?
小π 想了想:“第一题我大概能说,后面三个完全没底。”
欧拉笑了:“等你玩完这一章,四个都能答。”
从平均速度到瞬时速度
割线、切线与导数的定义
小π 的自行车下坡时,码表每秒跳一次。
第一秒,他从 0 米骑到 1 米;第二秒,从 1 米骑到 4 米;第三秒,从 4 米骑到 9 米。
“你第一秒平均速度 1 米/秒,第二秒 3 米/秒,第三秒 5 米/秒。”欧拉说,“可码表不会等你骑完一秒才显示速度。它显示的是‘此刻’。”
小π 问:“那‘此刻’到底是哪一刻?”
欧拉说:“这就是这一节要回答的问题。”
一、平均速度
如果物体的位置是时间 的函数 ,那么在时间段 里,平均速度是:
这里的 是时间间隔。 越小,平均速度就越接近“某一瞬间”的速度。
比如 (单位:米),在 附近:
- :平均速度
- :平均速度
- :平均速度
- :平均速度
数字越来越接近 4。
二、让 h 趋近于 0
不能真的等于 0,否则分母为 0,式子没有意义。但我们可以让 越来越小,看平均速度趋近于什么。
用代数算一遍:
只要 ,就可以约掉 。当 越来越接近 0, 就越来越接近 4。
我们把这个“趋近的目标”记作:
读作“当 趋近于 0 时,这个式子的极限是 4”。
所以 在 时的瞬时速度是 4 米/秒。
三、从割线到切线
把函数图像画出来,平均速度就是连接两点的割线斜率:
当 越来越小,第二个点沿着曲线滑向第一个点,割线就越来越接近切线。
所以:
瞬时速度 = 切线斜率 = 导数。
在 3.1 的游乐场里,你可以拖动 ,看割线一点点贴到切线上;右边的表格会显示 和平均速度,数字会越来越靠近一个固定值。
四、导数的定义
把上面的过程写成一般形式:
这个数叫函数 在 处的导数。它表示:
- 几何上:曲线在 处的切线斜率;
- 物理上:瞬时变化率;
- 生活里:那一刻“变化得有多快”。
导数的记号有好几种:
它们说的是同一件事。 不是“ 除以 ”的普通分数,而是“ 对 的变化率”的记号——但它长得像分数,是因为它本来就是从“差商”来的。
五、用定义算一个导数
求 在任意点 处的导数:
所以 。
- 在 :切线水平,导数为 0;
- 在 :导数为 4;
- 在 :导数为 (切线向下倾斜)。
这个结果,下一节会从图像上再看一遍。
六、挑战
看答案
① 。
② 。
③ ,所以 。
④ 上升:切线斜率为正,函数在 附近随 增大而增大。
一句话记住
让间隔越来越小,平均就变成了瞬时;割线就变成了切线。
切线与导函数
每一点的斜率组成一条新曲线
小π 把手指放在 的图像上,从左往右慢慢滑。
“每到一个点,切线都不一样。”他说。
欧拉点头:“把每个点的切线斜率都记下来,你会得到一条新的曲线。这条新曲线,叫导函数。”
一、从“一点的导数”到“导函数”
上一节,我们算的是 在某一点 的导数 。
如果让 动起来,每一点都有一个导数值,于是就得到一个新函数:
它叫 的导函数,简称导数。
- 给出“高度”;
- 给出“每一点的陡峭程度”。
在 3.2 的游乐场里,上面是 的曲线和切线,下面是 的轨迹。你拖动切点,两条曲线会同时动。
二、几个基本导数
用定义算一遍,能得到最常用的一批结果:
更一般地,对任何实数 :
这就是幂法则。
常数的导数是 0:一条水平线,斜率为 0。
三、导函数图像怎么读
把 和 画在一起,会发现:
- 为正: 上升;
- 为负: 下降;
- : 的切线水平,可能是山顶、山谷,也可能是“平台”。
以 为例,:
- :, 下降;
- :,最低点;
- :, 上升。
所以导函数像一张“心电图”,告诉你原函数在哪里上、哪里下、哪里停。
四、不是所有点都有导数
在 处有一个尖角。
- 从左边靠近 0,斜率是 ;
- 从右边靠近 0,斜率是 。
左右两边的“趋势”不一样,所以 不存在。这个点叫不可导点。
直观地说:曲线在这一点没有唯一的切线。你可以画出很多条“贴着”尖角的直线,但没有一条能同时贴住左右两边。
五、挑战
看答案
① ,。
② ,函数在 附近下降。
③ 左导数为 ,右导数为 ,左右不相等,所以没有唯一的切线斜率。
④ 上升。
一句话记住
导函数是原函数的“斜率地图”。
求导积木
和、差、乘积与商的求导法则
欧拉把一张纸撕成几块,每块写上一个函数。
“求导不是从头算。”她说,“大多数函数,都是由几块简单积木拼出来的。你只要知道每块积木怎么变,再知道拼法怎么变。”
小π 看着纸片:“所以先学积木,再学拼装?”
“对。这就是求导法则。”
一、和、差与常数倍
如果 、 都可导,那么:
也就是说:和的导数等于导数的和;常数可以提出来。
比如:
多项式求导,就是一项一项地求,再把结果加起来。
二、幂法则回顾
配合和差法则,任何多项式都能快速求导:
三、乘积法则:为什么不是简单相乘
很多人第一次会猜:
这是错的。
取 ,,则 ,导数是 。而 ,不等于 。
正确的法则是:
用面积看乘积法则
把 、 看成一个矩形的两条边,面积是 。
现在 增加一点点 , 增加一点点 。面积增加了三块:
- 右边新增的竖条:;
- 上边新增的横条:;
- 右上角的小方块:。
所以:
两边除以 ,再让 。最后那个“二阶小量” 会趋于 0,于是:
直观地说:面积的变化,主要来自“两条边各自的变化”,而“两条边同时变化”的角落太小,可以忽略。
四、商法则
如果 ,那么:
记忆方法:上导下不导,减去上不导下导,再除以分母的平方。
例子:
五、把法则串起来
求 的导数。
方法一:先展开,再求导。
方法二:用乘积法则。
两种方法结果一样。展开更稳,乘积法则在“展开很麻烦”时更快。
六、挑战
看答案
① 。
② 。
③ 。
④ 错。;乘积法则给出 。
一句话记住
积木各有各的导数,拼装要按法则来。
链式法则与最优
变化套着变化,怎样找山顶
游乐场里有一组齿轮。
第一个齿轮转一圈,第二个齿轮转三圈;第二个齿轮转一圈,又带动第三个齿轮转两圈。
小π 盯着看:“所以第一个齿轮转一圈,第三个会转六圈?”
“对。”欧拉说,“变化会沿着齿轮传下去,而且变化率会相乘。这就是链式法则。”
一、复合函数
有些函数是“套”出来的:
先算里面 ,再算外面 。
这种函数叫复合函数,记作 。
求导时,不能只对外面求导,也不能只对里面求导,而要两层都管。
二、链式法则
如果 ,而 ,那么:
用 的记号写:
一句话:外层导数 × 内层导数。
齿轮的类比
- :第一个齿轮带动第二个,传动比是 ;
- :第二个带动第三个,传动比是 ;
- 总传动比是两者相乘:。
变化率也是这样一层层传下去的。
例子
求 的导数。
外层是 ,导数是 ;内层是 ,导数是 3。所以:
再比如:
最后这个式子,第 4 章会反复出现。
三、用导数找山顶和山谷
导数告诉我们函数在哪里上升、哪里下降。
- 如果 ,函数上升;
- 如果 ,函数下降;
- 如果 ,切线水平,可能是山顶、山谷,也可能是平台。
山顶: 由正变负(先上后下)。山谷: 由负变正(先下后上)。
所以找极值的步骤是:
- 求 ;
- 解 ,找到“可疑点”;
- 看 在可疑点两侧的符号;
- 判断是山顶、山谷,还是都不是。
四、优化问题
游乐场要围一个矩形花坛,篱笆总长 20 米。怎样围,面积最大?
设矩形的一边为 ,另一边就是 ,面积:
求导:
令 ,得 。此时另一边也是 5,面积:
所以,围成正方形时面积最大。
导数不是只在纸上算斜率。它能帮我们在所有可能里,找到“最好”的那一个。
五、小心三个坑
六、挑战
看答案
① 。
② 。
③ ,; 由负变正,是山谷,最小值 。
④ 设一边 ,另一边 ,面积 ,,,最大面积 平方米。
一句话记住
变化套着变化,就把变化率乘起来;找山顶,就看切线什么时候水平。
变化、斜率与最优
把坡度园装进口袋
从过山车上下来,小π 的腿有点软。
欧拉问:“你学到了什么?”
小π 说:“导数就是瞬时变化率,也是切线斜率。还有,变化可以一层层套起来。”
欧拉点头:“那你说说,为什么山顶的切线一定是水平的?”
小π 想了想:“因为在最高点,再往左往右都往下走,瞬间既不在上升也不在下降,变化率是 0。”
“答对了。”
三张脸
导数有三张脸:
- 变化率:某一瞬间变化得有多快。
- 切线斜率:曲线在这一点有多陡。
- 新函数:每一点的斜率组成导函数 。
它们是同一个东西的三种说法。
公式速查
| 内容 | 公式 |
|---|---|
| 导数定义 | |
| 幂法则 | |
| 和差 | |
| 常数倍 | |
| 乘积法则 | |
| 商法则 | |
| 链式法则 | |
| 极值条件 | ,且两侧变号 |
两种眼光
第一种:局部的眼光。 把曲线放大到一点附近,它几乎是一条直线;这条直线的斜率就是导数。
第二种:优化的眼光。 想知道“什么时候最好”,就找导数为 0 且变号的地方。山顶、山谷、最大面积,都藏在那里。
自测
- 平均速度和瞬时速度有什么区别?
- 的导函数是什么?在 处的切线斜率是多少?
- 为什么 ?
- 链式法则里,为什么要乘内层导数?
- 过山车最高点的导数是多少?
挑战答案
3.1
① 5。
② 4。
③ 。
④ 上升。
3.2
① ,。
② ,下降。
③ 左导数 ,右导数 ,左右不相等。
④ 上升。
3.3
① 。
② 。
③ 。
④ 错,。
3.4
① 。
② 。
③ ,最小值 。
④ 最大面积 9 平方米。
下一站
欧拉指着游乐场深处的一扇门,门上写着一个奇怪的符号:。
“下一章,我们去看一个常数。它来自银行利息,却出现在细菌、放射性、冷却的咖啡里,最后还会和圆、三角函数撞个满怀。”
小π 问:“一个常数,能有这么多故事?”
欧拉推开门:“进去看看就知道了。”
揭开自然常数 e 的神秘面纱
增长、复利与旋转
游乐场最深处,有一扇写着 的门。
小π 推开门,里面是一家奇怪的银行。柜台上摆着一块牌子:
年利率 100%,按连续复利计算。
“年利率 100%?”小π 眼睛亮了,“那我存 1 元,一年后是不是变成 2 元?”
欧拉从柜台后面探出头:“如果一年只算一次利息,是 2 元。如果半年算一次呢?”
“半年 50%,两次…… 元!”
“如果每个月算一次呢?每天呢?每时每刻呢?”
小π 愣住了:“会一直变大吗?”
欧拉笑了:“不会。它会停在一个数附近。这个数,就是 。”
一个“利滚利”的极限
把一年分成 段,每段利率是 ,那么 1 元钱一年后的金额是:
- :2
- :2.25
- :2.4414…
- :2.6130…
- :2.7146…
越大,结果越接近一个固定的数:
它不会无限变大,也不会停在 2.7 之前。它稳稳地停在 。
本章地图
- 4.1 利滚利:e 从哪里来:复利、连续增长,以及 的极限定义。
- 4.2 e 的两种面孔:一个极限,一个无穷级数;为什么它算得这么快?
- 4.3 eˣ:导数等于自己:增长、衰减、半衰期,以及 最特别的性质。
- 4.4 e 与圆:欧拉公式彩蛋:当 走进复数平面,它竟然开始转圈。
每一节都有一个可以动手玩的网页。你会在银行里把复利次数调到“每时每刻”,也会亲眼看见 。
出发前,欧拉的问题
欧拉递给小π 一张写着四个问题的卡片:
- 为什么复利次数越多,金额不会无限变大?
- 为什么可以用“”算出来?
- 为什么 的导数还是 ?
- 里的 是什么?为什么这条式子被称为“最美的公式”?
小π 看着卡片:“这四个问题,一个比一个不像小学数学。”
欧拉把门推开:“但每一个,都能用你已经学过的圆、增长和变化来理解。”
利滚利:e 从哪里来
复利次数与连续增长
欧拉的银行有一个奇怪的规则:年利率 100%,但你可以选择“一年算几次利息”。
如果一年算一次,1 元变 2 元。如果一年算两次,每次 50%,1 元变 元。如果一年算四次,每次 25%,1 元变 元。
小π 发现,算得越勤,钱越多。他问:“那我让你每秒算一次,是不是就发财了?”
欧拉摇头:“我们算给你看。”
一、把一年切成 n 段
一年算 次,每次利率是 。1 元钱一年后的金额是:
把 取大一点:
| 次数 | 每次利率 | 一年后金额 |
|---|---|---|
| 1 | 100% | 2 |
| 2 | 50% | 2.25 |
| 4 | 25% | 2.441406… |
| 12 | 8.33% | 2.613035… |
| 52 | 1.92% | 2.692597… |
| 365 | 0.27% | 2.714567… |
| 8760 | 0.011% | 2.718126… |
数字确实在变大,但增长越来越慢。它不会冲破 3,也不会无限上涨。
它趋向于一个固定的数:
这个数叫自然常数,记作 ,为了纪念数学家欧拉(Euler)。
二、为什么不会无限变大
直觉上,每多算一次利息,确实多一点点。但每次的利率也在变小。
- 段数 变大,每段利率 变小;
- 虽然段数多了,但每段带来的增长越来越薄;
- 两种力量打平,结果停在一个有限值。
用二项式展开可以看清:
当 越来越大,后面的项越来越接近
这个级数收敛,所以 是一个有限的数。下一节会专门算它。
三、连续复利
如果让 ,就是“每时每刻都在算利息”,叫连续复利。
存 元,年利率 ,连续复利 年后:
比如存 1 元,年利率 100%,连续复利 1 年:
如果年利率是 5%,连续复利 10 年:
也就是 1 元变约 1.65 元。
四、e 不是“随便定的”
不是为了好看而规定的。它是“连续增长”这件事本身长出来的数。
- 银行复利:;
- 细菌分裂:数量按比例增长;
- 冷却的咖啡:温差按比例缩小。
它们最后都通向同一个极限 。这就是它叫“自然”常数的原因。
五、挑战
看答案
① 元。
② 元。
③ 每次利率 随段数变小,增长越来越慢,极限是有限的 。
④ 都是无限不循环小数,都不能写成分数;都在数学里“自然出现”,不是人为规定。
一句话记住
复利次数越多,钱越接近 倍; 是连续增长的“天花板”。
e 的两种面孔
极限与无穷级数
欧拉在纸上写下两个式子:
小π 皱眉:“同一个数,怎么有两种写法?”
“因为 有两张脸。”欧拉说,“一张来自复利,一张来自加法。今天我们把第二张脸看清楚。”
一、阶乘
先认识阶乘:
并且规定:
阶乘长得非常快:
| 1 | 1 |
| 2 | 2 |
| 3 | 6 |
| 4 | 24 |
| 5 | 120 |
| 10 | 3,628,800 |
所以 会非常快地变小。这正是级数能收敛的原因。
二、用加法拼出 e
把下面这些项加起来:
算前几项:
| 加到第几项 | 部分和 |
|---|---|
| 1 | 1 |
| 2 | 2 |
| 3 | 2.5 |
| 4 | 2.666666… |
| 5 | 2.708333… |
| 6 | 2.716666… |
| 7 | 2.718055… |
| 8 | 2.718253… |
只加到第 8 项,就已经和 很接近了。加到第 10 项,误差小于 。
在 4.2 的游乐场里,你可以一块一块地加,看部分和贴着 往上爬,而且几乎不再往下掉。
三、两种面孔为什么相等
复利的极限:
用二项式定理展开:
当 ,像 这样的系数趋近于 1,于是每一项趋近于 。
所以两个式子给出同一个数。一个是“把一年切得越来越细”,一个是“把无穷多项加起来”。
四、e 是什么样的数
是无理数:它不能写成分数,小数无限不循环。
它还是超越数:它不是任何整系数多项式方程的根。 也是超越数。
这两个性质都不影响我们使用它。工程里通常取 就够了。
五、为什么它叫“自然”
第 3 章我们学过, 的导数等于它自己:
在所有指数函数 里,只有以 为底时,导数刚好等于原函数。这个性质让 成为微积分里最“自然”的底。
所以“自然常数”不是因为它出现在大自然里,而是因为它在变化率的意义上最自然。
六、挑战
看答案
① ,。
② 。
③ 。
④ 因为 增长得越来越快,分母越大,分数越小。
一句话记住
既是复利的极限,也是阶乘倒数的无穷和。
eˣ:导数等于自己
增长、衰减与半衰期
欧拉在纸上画了一条曲线,越往右越陡。
“这是 。”她说,“你随便点一个点,量一量它的高度,再量一量切线的斜率。”
小π 量了三个点,发现一个奇怪的现象:
“高度和斜率……总是一样?”
“对。”欧拉说,“这就是 最特别的地方:它的导数等于它自己。”
一、为什么导数等于自己
用导数定义算:
后面这个极限:
这是 的定义带来的结果。于是:
不管 是多少,曲线在这一点的高度和斜率都相等。
- 在 :高度 1,斜率 1;
- 在 :高度 ,斜率也是 ;
- 在 :高度 ,斜率也是 。
二、链式法则:e 的 kx 次方
第 3 章的链式法则在这里很好用:
例如:
如果 ,函数增长;如果 ,函数衰减。
三、增长与衰减
很多自然过程满足:
- :初始数量;
- :增长(细菌、人口、复利);
- :衰减(放射性、冷却、药物代谢)。
细菌繁殖
假设细菌每小时增长 50%,初始 100 个:
3 小时后约有 个。
半衰期
放射性物质的“半衰期”是数量减半所需的时间。
设 ,令 :
两边取对数,得到:
这就是半衰期公式。
例如碳-14 的半衰期约 5730 年,考古学家就用它来估算古物的年代。
四、eˣ 为什么“自然”
在所有指数函数 中,只有 的导数等于自己。
- 以 2 为底:,多了一个因子 ;
- 以 10 为底:,多了一个因子 ;
- 以 为底:因子是 ,刚好干净。
所以数学家和物理学家总喜欢把指数写成 。它让“变化率”和“当前值”直接相等。
五、挑战
看答案
① 。
② 。
③ ,所以 。
④ ,约 364 个。
一句话记住
的高度就是它的斜率;增长和衰减,都写着 。
e 与圆:欧拉公式
从增长到旋转
欧拉把小π 带到游乐场最深处的房间。
房间中央有一个圆盘,圆盘上有一根指针。指针的末端亮着一个小点,旁边写着:
“这不是指数吗?怎么跑到圆上来了?”小π 问。
“这就是这一章最漂亮的彩蛋。”欧拉说,“ 本来在讲增长,可它一走进复数平面,就开始转圈了。”
一、先认识 i
我们熟悉的数都在数轴上:。
但有些方程在实数里没有解,比如:
数学家引入了一个新数 ,规定:
于是 和 都是 的解。
有了 ,就可以写出复数:
其中 是实部, 是虚部。复数可以画在平面上:横轴是实部,纵轴是虚部。
二、e 的 iθ 次方
欧拉发现了一个惊人的关系:
右边正好是单位圆上的点:
- 实部 ;
- 虚部 。
所以 的几何意义是:单位圆上角度为 的那个点。
当 从 0 增加到 , 就沿着单位圆逆时针转一整圈:
三、为什么指数会变成旋转
如果你把 按泰勒级数展开,会得到:
把实部和虚部分开:
前面是 的级数,后面是 的级数。于是:
指数函数的级数,和三角函数的级数,在这里合二为一。
四、欧拉恒等式
令 :
移项:
这就是欧拉恒等式。
它把五个最重要的常数放在一起:
- :加法单位元;
- :乘法单位元;
- :自然增长;
- :虚数单位;
- :圆周率。
一条短短的式子,把增长、旋转、实数、虚数全部串了起来。很多人把它称为“数学中最美的公式”。
五、旋转的乘法
还有一个很好用的性质:
几何上,这就是“先转 ,再转 ,等于一次转 ”。
第 2 章的和角公式,也可以从这里推出来:
而左边乘开:
比较实部和虚部,就得到和角公式。圆、波、指数、复数,在这里全部会合。
六、挑战
看答案
① 。
② 。
③ ,所以 。
④ 。
一句话记住
是单位圆上的旋转; 是增长与圆的握手。
增长、旋转与最美的公式
把增长园装进口袋
从银行出来,小π 手里拿着一张写着 的存单。
“所以 1 元钱无论怎么复利,一年后都不会超过 元?”
“对。”欧拉说,“而且 还会出现在细菌、放射性、冷却的咖啡里,最后甚至跑到圆上。”
小π 回头看了一眼那扇写着 的门:“这一章,好像把前面三章都串起来了。”
“答对了。”
四张脸
有四张脸:
- 复利的极限:。
- 无穷级数:。
- 指数函数: 的导数等于自己。
- 单位圆上的旋转:。
它们看起来完全不一样,却说的是同一个数。
公式速查
| 内容 | 公式 |
|---|---|
| e 的极限 | |
| e 的级数 | |
| 连续复利 | |
| 指数导数 | , |
| 增长/衰减 | |
| 半衰期 | |
| 欧拉公式 | |
| 欧拉恒等式 |
三种眼光
第一种:增长的眼光。 变化率和当前量成正比,就会长出 。
第二种:计算的眼光。 用级数 可以很快算出 。
第三种:旋转的眼光。 在单位圆上转,把指数、三角、复数连成一体。
自测
- 复利次数 越大, 会无限变大吗?
- 的级数前 4 项是多少?
- 等于什么?
- 半衰期 20 年, 是多少?
- 等于多少?
挑战答案
4.1
① 元。
② 元。
③ 每次利率变小,增长越来越慢,极限有限。
④ 都是无限不循环小数,都不能写成分数。
4.2
① ,。
② 。
③ 约 。
④ 分母 增长得越来越快。
4.3
① 。
② 。
③ 。
④ 约 364 个。
4.4
① 。
② 。
③ ,所以 。
④ 。
全书回顾
从第 1 章的数字排队,到第 2 章的圆与波,到第 3 章的变化率,再到第 4 章的增长与旋转,我们其实一直在做同一件事:
用不同的眼睛,看同一个世界。
数字可以排列、折叠、堆成形状;圆可以展开成波;变化可以变成斜率;增长可以写成 ;而 最终又回到圆上。
小π 把存单折好,放进兜里。
“下一册,我们去哪里?”
欧拉指了指游乐场外面:“去一个更大的地方。那里有无限、有概率,还有更多看起来毫不相干、最后却握手的数。”
第一册,完。
挑战答案与公式速查
卡住的时候再翻,不卡就别翻
这份附录有两个用途:对答案,和查公式。建议先自己做完,再翻。
1.1 高斯的一记神配对
①
②
提取公因数 2:。
③ ,求 n
。估算 ,所以 。
1.2 越变越小的饼干
①
首项 1,公比 ,所以 。
②
有限等比数列,首项 1,公比 2,共 11 项:。
③
公比是 ,所以 。
1.3 方块堆里的秘密
① 10×10 网格里的正方形总数
②
,。
③
1.4 素数的筛子与森林
① 100 以内的素数个数
25 个。
② 101 和 221 是不是素数
101 是素数(试到 ,2、3、5、7 都除不尽);221 ,不是素数。
③ 100 以内的孪生素数对
8 对:(3,5)、(5,7)、(11,13)、(17,19)、(29,31)、(41,43)、(59,61)、(71,73)。
④ 是不是素数
是。它是一个梅森素数,等于 2147483647,也是 32 位有符号整数能表示的最大素数。
公式速查表
| 名称 | 公式 | 条件 |
|---|---|---|
| 等差数列求和 | n 为正整数 | |
| 自然数求和 | n 为正整数 | |
| 等比数列有限和 | ||
| 等比数列无限和 | ||
| 奇数和 | n 为正整数 | |
| 平方和 | n 为正整数 | |
| 立方和 | n 为正整数 | |
| 四次方和 | n 为正整数 | |
| 素数定理 | n 很大时 |
术语小词典
等差数列:相邻两项的差固定的数列,如 1、3、5、7。
等比数列:相邻两项的比固定的数列,如 1、2、4、8。
公比:等比数列里固定的那个倍数,通常记作 q 或 x。
三角形数:,因为可以摆成三角形。
正方形数:,可以摆成正方形。
素数:大于 1,且只有 1 和自身两个正因数的整数。
合数:大于 1,但不是素数的整数。
:不超过 n 的素数个数,读作“pi n”。注意它和圆周率 不是一回事。
孪生素数:相差 2 的素数对,如 11 和 13。
望远镜求和:形如 的差分逐项相加,中间项成对抵消,只剩首尾。
收敛:随着项数增加,和越来越接近某个固定的数。
卡迈克尔数:能骗过费马小定理的合数,如 561、1105、1729。
继续往前走
如果你还想过瘾,可以试试这些:
- 用筛法找出 10000 以内的素数,数一数 是多少。
- 用公式计算 ,自己动手推一遍(提示:六次方差分)。
- 在乌岚螺旋里找出最长的一条“素数斜线”,看看它对应哪个二次多项式。
- 查一查“哥德巴赫猜想”:每个大于 2 的偶数,是不是都能写成两个素数之和?
数学的世界很大。这一章只是游乐场的入口。
小π 说:“下一章见。”欧拉说:“先把票根收好。”