从基普乔格与马拉松讲起
决定来蹭一波热点...…虽然有点晚了。
众所周知,2019 年 10 月 12 日,来自肯尼亚的跑者埃鲁德·基普乔格突破了马拉松记录(并且这个被打破的记录也是他本人创的),跑进 2 小时大关;为了纪念这一里程碑式的时刻,也为了和高中的机械运动专题相关联,本文就来看看基普乔格跑步中的一些问题。
注:本文所用符号:
- , ——位移;——初始位移
- , ——速度;——初始速度
- , ——加速度
- ——时间;, ——t 的微分
- ——时刻
一、瞬时速度与从 d-t 图到 v-t 图
无论如何,人类也不可能跑出严格的匀速运动——虽然在较大的尺度上,基普乔格的确做到了速度基本一致,但在秒的尺度上,一定是一步一步,有快有慢。假设基普乔格起步时的运动情况如下图:
其中横坐标表示时间;纵坐标表示位移。所以,每一个点 (T,d) 代表了一个时刻 T 和对应的基普乔格的位移 d。因为此图展示了 d 随着 t 变化而变化的规律,所以叫做 d-t 图。
问题 1、通过 d-t 图,可以得到基普乔格在每一个时刻的位移;那么,如何求出他在这个时刻的瞬时速度?
这个问题乍一看十分不着实际——速度怎么能脱离时间而存在?“瞬时”这个词就好像拍了一张照片,如果是位移,还比较容易知道;但怎么能从照片上知道他的速度呢?速度必须是与时间一同存在的。
为了解决这个问题,我们可以假设他跑了极短的一段时间 ,短到比任何一个你能想到的数都接近 0,但不等于 0。在如此短的时间内,他基本是在作匀速运动;我们也认为,这个速度就是他在 的瞬时速度,即
在上一篇文章关于误差传递与导数运算的发现中,已经介绍了导数的概念,一般式为:
这两个式子长得何其相像!那么,如果我们把 当作自变量, 当作 的函数, 就是 的导函数。它在几何上表示为在 点附近的一段曲线的切线,如这样:
每一个时刻 都能对应一个瞬时速度 。如果画出 关于 变化的曲线,就会长下图这样:
这张图叫做 v-t 图。
所以,从 d-t 图画出 v-t 图的过程,本质上是一个求导,即微分的过程。
(由于是一元函数,导数和微分的区别不做深究)
二、时间段中的位移与从 v-t 图到 d-t 图
问题 2、通过上一节的 v-t 图,可以知道基普乔格在任意两个时刻 与 间的速度变化情况;那么,如何求出他在这段时间中的位移?
显然,由于速度在不停变化,不可能用直接得出结果。
我们想象一个场景:如果一个人在第一秒的速度为,第二秒为,第三秒为,那么,他在这三秒内的总位移就是。所以,总位移可以用每一个做匀速运动的时间内的位移之和来计算。
我们在上一节中已经做出了假设:在足够短的时间中,所有运动都是匀速直线的。所以,用同样的思路,如果设 表示一个无限小时间,则基普乔格在 处的速度为 , 处的速度为 , 处的速度为 ……一直到 的速度为 ,其中 满足 ,那么他的总位移就是
在第一节中,我们把一个整体切成极小的部分来分析,称之为微分;在这里,我们则把无数个极小的部分拼成一个整体,这种过程叫做积分——准确地说,此处我们在讨论一定范围内的无数个极小部分之和,是定积分。在 平面几何大宝鉴:祖暅原理的平面几何运用 中,便运用了定积分的思想,可以在那里找到一种比较几何的积分推导方法。定积分在几何上的意义便为曲线与 x 轴围成的图形面积,如下图。
由于牵涉到无限小、无限大,再用传统的 sigma 显得不大合适;所以,便用 summa 符号表示积分。
summa 就是那个拉长的曲线。它的右下角的数表示积分下界,即 对应的时刻,;右上角是积分上界,即 对应的时刻,。它表示把从 到 间所有的 乘积相加。由于是无限项相加, 又是无限小量,所以结果可以是一个数。
所以,求某个时间中的位移,便是求定积分的过程。
而如果想从 v-t 图还原出 d-t 图,便要做不定积分。一般形式是
通过这种方法,可以通过导函数构建出原函数;但这个原函数并不确定。因为细心的话,可以发现,在求导的过程中,损失了一部分信息——即该点的实际纵坐标。所以,积分后的函数,可以上下平移。
这也解释得通——如果知道每一个时刻的速度,也只能知道位移的变化,而不能知道位移的绝对大小,因为起始位置不一定为 0。
三、速度的变化
问题 3、如果我们拿着一个测速仪站在冲来的基普乔格面前,可以求出他在这一刻的所有运动情况,如果基普乔格的运动情况不再发生突然改变,能不能重复出他的整个运动过程?
首先,这个测速仪肯定测得出他的加速度。加速度 的定义为速度 的变化与时间 的比值,也就是速度的变化率。毫无疑问,瞬时加速度 是 的导数,就好像 是 的导数一样。
如果 为定值,通过这个方程组:
可以得到:
它的意思是,如果知道 d-t 图上的一点 ,以及在这一点的导数 ,以及导数的导数 (定值),就可以通过此公式得到任意时间 后的位移 。写得稍微一般化一点,由于 , , ,可以得到
下一步,如果 不是定值呢?如果测速仪还测出了加速度的变化率、加速度变化率的变化率,等等,就又会有 的导数 , 的导数 ……此时又怎么调整公式?泰勒告诉我们,有:
其中 右上角的 表示 的 阶导数,即 有 个“”。这便是大名鼎鼎的泰勒展开。
如果上面的代数式太抽象,我们可以用一些手段来看出它的本质。首先,如果设 的话,就可以消去它;其次,设 ;经过这两步,函数式变成了这样:
这不就是一个多项式函数么!在知道曲线在 点的各阶导数的情况下,, 等等都是定值。这样,所有的函数就都可以用多项式函数来无限近似了。
用这种方法,你也可以跑出和基普乔格一模一样的成绩——只要基普乔格不在中途突然改变加速度。不然的话,只要函数在某一点不连续,泰勒展开就会失效。形象化地说,就是你不可能知道他之后是怎么跑的——是要喝水而减了速?还是突然加速?
通过以上三个问题,我们在机械运动和微积分间建立起了联系,用一种模式化的思路,把看似琐碎的问题变为了纯粹的理论推导,并可以直接代入对应的微积分公式求解,充分体现了数学之美。事实上,微积分的发明,本来就是作为辅助物理研究的数学工具——数学作为一种描述宇宙工具,还有无限的魅力。