03.04函数的微分
误差是可以速算的封面场景

函数的微分 · 沉浸式数学故事

误差是可以速算的

轴径量偏 0.02 毫米,配合面积大约会差多少?老师傅用 dy 先报范围,软件随后才给精确值。

第 3 章 · 导数与微分 · 5 幕故事 · 1 个训练

误差是可以速算的:0.02 毫米不大,面积误差却会被放大。

测量台 · 轴径偏差

0.02 毫米不大,面积误差却会被放大。

小罗测得圆轴直径 d 比设计值多 0.02 mm。配合截面积 A=πd²/4,他需要立刻判断零件是否超差。

A(d)=πd²/4,Δd=0.02精确增量要算 A(d+Δd)−A(d)。
误差是可以速算的:在很小的范围里,曲线几乎像直线。

切线先开口

在很小的范围里,曲线几乎像直线。

以设计尺寸 d₀ 为中心,函数图像与切线非常接近。沿切线算出的纵向变化叫微分 dy。

dy=f′(x₀)dx这里 dx=Δx,而 dy 是 Δy 的线性主部。
误差是可以速算的:导数给敏感度,测量误差给扰动。

把数代进去

导数给敏感度,测量误差给扰动。

面积对直径的导数是 πd/2。设计直径越大,同样 0.02 mm 造成的面积变化越明显。

dA≈(πd₀/2)·Δd单位也随导数与 dx 一起变成面积单位。
误差是可以速算的:被省掉的部分,比 dx 更快变小。

近似为什么可靠

被省掉的部分,比 dx 更快变小。

可微意味着 Δy=f′(x₀)Δx+o(Δx)。当 Δx 很小,余项相对 Δx 可以忽略。

Δy=dy+o(Δx)近似精度来自余项的阶,而不是经验保证。
误差是可以速算的:先用 dy 筛查,临界件再精算。

快速放行

先用 dy 筛查,临界件再精算。

小罗用微分几秒内得到误差范围;只有接近公差边界的零件才交给软件做精确复核。

绝对误差 ≈ |f′(x₀)|·|Δx|微分最适合小扰动下的快速估计。
误差是可以速算的训练场景

尾声 · 带着方法进课堂

故事落幕,判断才刚开始。

把这一课的条件、公式与易错点带进最后一次判断。

函数在 x₀ 可微时,Δy 的线性主部是?
再读一遍

互动实验 · 定位杆热胀的面积账dy ≈ Δy

不用精算,切线先把误差报出来

圆截面积 A=πd²/4。直径变化 Δd 时,真实增量 ΔA 要顺着曲线走;而微分 dA=A′(d₀)·Δd 只沿切线直线估算。两者的差是 o(Δd),比 Δd 更快地趋零——所以 Δd 一小,切线估算就几乎等于真值。拖动 Δd,看真实增量与切线估算的缝越缩越小。

A(d)=πd²/4 · d₀=50 真实 Δy切线 dy