微积分是什么?

从小学开始我们就在学习数学,但是大学之前的数学只能算是思维训练。而微积分才算是数学真正的起点,是很多学科基础中的基础。
本节简单介绍下,微积分研究的是什么?
1 开普勒第二定律

人类文明从仰望星空那一刻起,就已经距离揭示宇宙奥秘仅有一步之遥了。

----刘慈欣《朝闻道》

自古以来,人们都渴望揭示星空的秘密,似乎做到这一点,就可以从神的手中接过权杖。
第谷·布拉赫(1546 -1601),丹麦贵族,天文学家兼占星术士和炼金术士。他花了20多年在丹麦皇家天文观察行星运行,临死的时候把这个数据交给了他的助手开普勒(但是貌似没有书面文件说明开普勒可以使用这个数据,所以后面还扯了些官司出来)。
约翰内斯·开普勒(1571-1630),德国天文学家、数学家。他继承了第谷的天文观测数据之后,就以“日心说”为假设,花了好几年的时间,日算夜算,归纳总结出了开普勒三定律(是的,活生生的通过数据猜出来的),成功地预测了一个个天文现象,达到了中世纪天文的高峰。
来看看开普勒第二定律,说的是,在相等时间内,太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的:
也就是说,上图中:
因为要求每块的面积,而且行星运动曲线往往不是规则的椭圆形,这就对数学提出了一个不好回答的问题。
2 面积计算
先不算那么复杂的面积,简化一下,看看怎么求这个曲线下的面积吧:
2.1 线性近似的思想
阿基米德(前287年-前212年),古希腊数学家、物理学家、发明家、工程师、天文学家。他曾经说过:“给我一个支点,我可以举起整个地球。”
为了计算圆的面积,阿基米德用内接等边多边形去逼近:
多边形是直线组成的,圆是曲线,所以这种思想叫做“线性近似”,或者“以直代曲”。
2.2 通过矩形来逼近曲面面积
根据之前“线性近似”的思想,当然可以用矩形来逼近曲线下面积:
越大,则矩形越多,则逼近效果越好: