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附加数学 · 微分

小变化与近似值

题目要近似值,你直接按计算机却拿不到分。

x 的一个小变化,会使 y 变化大约「梯度乘以 x 的变化」。写成公式就是 δy ≈ (dy/dx) × δx,其中 δ 表示很小的变化。

本课属于 SPM 附加数学微分 单元,会用到幂、积与商的微分法则。

为什么这个公式成立?

在很短的一小段范围内,光滑曲线看起来几乎就是它的切线。切线的梯度是 dy/dx,所以沿曲线走 δx,y 就变化大约 (dy/dx) × δx。

δx 越小,估计越准确。

例题一:y 的变化

对于 y = x²,求 x 由 5 增加到 5.02 时,y 的近似变化。

x = 5 时,dy/dx = 2x = 10。这里 δx = 0.02。

δy ≈ 10 × 0.02 = 0.2。精确值是 5.02² − 25 = 25.2004 − 25 = 0.2004,可见估计很接近。

例题二:求根的近似值

用微分求 √16.3 的近似值。

令 y = √x = x^(1/2),则 dy/dx = 1 ÷ (2√x)。选 x = 16,因为 √16 = 4 是精确值,并取 δx = 0.3。

x = 16 时,dy/dx = 1/8,所以 δy ≈ (1/8)(0.3) = 0.0375。

于是 √16.3 ≈ 4 + 0.0375 = 4.0375。计算机给出 4.03733,所以近似值准确到小数点后三位。

例题三:圆的面积

圆的半径是 10 cm,增加了 0.2 cm。求面积的近似增加量。

A = πr²,所以 dA/dr = 2πr,r = 10 时等于 20π。δr = 0.2,所以 δA ≈ 20π × 0.2 = 4π cm²,约 12.57 cm²。

会丢分的写法

常见的错误是:起点选错,或最后一步直接用计算机。

步骤 错误 正确
求 √16.3 的起点 x = 16.3 x = 16,δx = 0.3
最后答案 计算机给 √16.3 = 4.0373 4 + 0.0375 = 4.0375,并写出过程

选一个接近的数,并让它的根或幂是精确值,再写明 δx 是多少。

自测

用微分求 27.3 的立方根的近似值。

答案

令 y = x^(1/3),则 dy/dx = (1/3)x^(−2/3)。x = 27 时,x^(−2/3) = 1/9,所以 dy/dx = 1/27。

取 δx = 0.3:δy ≈ 0.3 ÷ 27 = 0.0111。

27.3 的立方根近似于 3 + 0.0111 = 3.0111。

接下来学什么

用微分练习题检查整个单元。如果最优化和变化率还不稳,请回头读最优化与变化率问题。

想请老师检查你选起点的方法,可以了解线上一对一附加数学补习。

常见问题

δy ≈ (dy/dx) × δx 是什么意思?

符号 δ 表示很小的变化。公式说,x 的一个小变化会使 y 变化大约「梯度乘以 x 的变化」。这是因为光滑曲线在很短的一段上几乎是直的。

怎样估计 √16.3 这样的数?

选一个接近又容易计算的值,例如 16。令 y = √x,求 x = 16 时的 dy/dx,取 δx = 0.3,算出 δy,再加到 √16 上,就得到估计值。

为什么我的答案和计算机显示的不完全一样?

因为这是近似值。x 的变化越小,估计越接近。SPM 要求用这个方法求近似值,所以必须写出过程,不能直接按计算机。

δx 是正数还是负数?

它带符号。x 增加,δx 为正;x 减少,δx 为负,此时 δy 的符号与梯度的符号相反。

如果你懂公式,却不确定该从哪个 x 出发,一对一课堂里老师可以用新的根式题和你练习怎样选起点。

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