Найти тему

Введение в математический анализ, пределы

Понимание того, как функционируют пределы и что означает стремление к чему-то, пожалуй, одно из важнейших критериев для осмысленного восприятия сути математического анализа. Чтобы глубже вникнуть в эту тему, а не просто запомнить некоторое количество формул, давайте попробуем изобрести математический анализ с самого начала.

Задача о нахождении площади круга

Cделаем вид, что нам известно практически столько же, сколько и ученым древности. А именно:

  • Есть некая константа π, которая представляет собой отношение длины окружности (L) и диаметра (D).
  • Радиус (R) - это D/2.

Оперируя этой информацией, попробуем найти длину окружности при известном радиусе. Мы знаем, что D = 2R и что π = L/D. Опираясь на эту информацию, мы легко выводим формулу L = πD или L = 2πR. Но как это поможет посчитать площадь круга? Попробуем упростить задачу и привести круг к фигуре, о которой нам известно больше, например, к четырехугольнику. Для этого, для начала попробуем разделить круг на 8 равных частей.

Понимание того, как функционируют пределы и что означает стремление к чему-то, пожалуй, одно из важнейших критериев для осмысленного восприятия сути математического анализа.

А теперь разделим каждую половинку на 2, и развернем, словно дольку апельсина.

Понимание того, как функционируют пределы и что означает стремление к чему-то, пожалуй, одно из важнейших критериев для осмысленного восприятия сути математического анализа.-2

Пока что еще не совсем понятно, что с этим делать, правда? Но что, если мы вставим дольки одной половины круга в промежутки между дольками второй?

Понимание того, как функционируют пределы и что означает стремление к чему-то, пожалуй, одно из важнейших критериев для осмысленного восприятия сути математического анализа.-3

Уже постепенно вырисовывается что-то знакомое. Если срезать дуги и провести прямую по вершинам получившихся треугольников, то получится параллелограмм, площадь которого мы можем легко посчитать! Но всё-таки, это еще не совсем то, чего мы хотим, так как получившаяся цифра будет лишь примерной площадью круга, потому что мы пренебрегли площадью между дугами и прямой, поэтому не будем на этом останавливаться. Резюмируем, что мы получили на этом этапе:

  1. Мы смогли посчитать примерную площадь круга.
  2. Мы получили некую фигуру, которая состоит в основании из 4 дуг длиной πR/4 и по бокам из R.
  3. Эта фигура отдалённо напоминает параллелограмм.

Откуда берётся значение πR/4? Вспомним, что мы начали с того, как разделили круг на 2 равные части, а значит длина дуги 1 половины = πR, и далее мы разделили эту половину на ещё 4 равные части, а значит длина дуги в 1 таком секторе = πR/4.

После того, как мы это всё проанализировали, становится очевидно, что нужно делить круг дальше, так как таким образом мы сможем минимизировать погрешность. И действительно, попробуем разделить круг не на 8 частей, а на 16.

Понимание того, как функционируют пределы и что означает стремление к чему-то, пожалуй, одно из важнейших критериев для осмысленного восприятия сути математического анализа.-4

Не вооруженным глазом видно, что сейчас фигура на много больше напоминает прямоугольник, и площадь между дугой и прямой стала куда меньше. Следовательно, если мы сейчас попробуем посчитать площадь этой фигуры, она будет куда ближе к истинной площади круга, чем предыдущая. Тогда в нашу голову приходит идея: "Чем больше мы будем делить круг, тем точнее у нас получится приблизиться к его истинной площади". Но это еще не все, через несколько минут усердных дум, у нас в голову может приплыть сумасшедшая идея: "А что если разделить круг на бесконечное количество бесконечно малых частей?"

Но как это возможно?! Математика - это наука о точных величинах, а бесконечность - это что-то из области фантастики или философии!

Давайте попробуем это понять. Для начала не много изменим подход к нашей задаче. Разделим наш круг на бесконечное количество секторов.

Понимание того, как функционируют пределы и что означает стремление к чему-то, пожалуй, одно из важнейших критериев для осмысленного восприятия сути математического анализа.-5

Что такое ΔL? В математике Δ - это величина изменения, а ΔL в нашем случае - это шаг разделения L нашей окружности или длина дуги в получившихся дольках.

Что же получается, когда мы делим наш круг на бесконечное количество секторов? ΔL становится бесконечно малой! А что это означает? Вернемся к первым попыткам деления круга. Помните, как мы пробовали разделить круг в начале на 8 частей, а затем на 16 и почему мы вообще решили попробовать разделить круг на бесконечное количество частей? Мы выявили закономерность, что когда мы делим круг на все большее и большее количество частей, площадь между дугой и прямой становится все меньше и меньше, а точность расчета площади круга становится все больше и больше. Это означает, что когда мы делим круг на бесконечное количество частей, а дуга ΔL в каждом секторе становится бесконечно малой, площадь между дугой и прямой тоже становится бесконечно малой. А это в свою очередь означает, что ΔL в каждом секторе бесконечно приближается к прямой!

Понимание того, как функционируют пределы и что означает стремление к чему-то, пожалуй, одно из важнейших критериев для осмысленного восприятия сути математического анализа.-6

Почему L/2? L - это длина всей окружности, и так как одна сторона получившегося прямоугольника - это половина от всей дуги, она равна L/2. И для полного счастья давайте вспомним, что L = 2πR, а значит L/2 = πR. Подставим это вместо L/2 и посмотрим, что получится.

Понимание того, как функционируют пределы и что означает стремление к чему-то, пожалуй, одно из важнейших критериев для осмысленного восприятия сути математического анализа.-7

Это прямоугольник со стороной πR и R! А площадь прямоугольника мы можем легко посчитать! Не долго думая, мы это делаем и получаем формулу:

S = πR^2

Согласитесь, это было красиво.

Что это было?

Как получилось, что от приблизительного мы пришли к точному? Еще раз в кратце пробежимся по нашим действиям.

  1. Мы попробовали упростить задачу, превратив круг в уже знакомую нам фигуру.
  2. В процессе деления круга на все большее и большее количество частей, мы обнаружили, что чем больше мы делим круг, тем точнее получается посчитать его площадь.
  3. Мы попробовали разделить круг на бесконечно много частей, чтобы получить бесконечно точный результат, и пришли к формуле S = πR^2

Пределы

Что же такое предел? Предел описывает стремление чего-либо к чему-либо.

Вернемся к нашему решению. Для того, чтобы прийти к ответу, мы делили круг на бесконечное количество частей и, следовательно, получили бесконечно маленькое ΔL. Но это не совсем так. У нас действительно было бесконечно много секторов, но это скорее было следствием того, что мы решили, что ΔL будет стремиться к 0.

Математически это можно записать так:

Понимание того, как функционируют пределы и что означает стремление к чему-то, пожалуй, одно из важнейших критериев для осмысленного восприятия сути математического анализа.-8

Не поняли - не страшно

Если у вас не получилось понять, что такое пределы с первого раза - не страшно. Это достаточно сложная концепция, которую обычно проходят в 11 классах или на первом курсе университета. Главное, не сдавайтесь, попробуйте перечитать статью с самого начала, или посмотреть ролики на YouTube. Также, попробуйте самостоятельно повторить все те действия, которые мы совершали в процессе решения задачи. Можете для наглядности нарисовать круг, вырезать его, и разделить его на части, как мы это делали в статье, а потом посчитать его приближенную площадь и сравнить с той, которая получается по формуле.

Полезные ссылки

https://ru.wikipedia.org/wiki/Предел_(математика)

https://youtu.be/kfF40MiS7zA?si=JRs8Co_9D_L7eMD5

https://youtu.be/WUvTyaaNkzM?si=QJenbxKOaZN42Rf3