
谢
邀。
各位知友已经答的很多了,我觉得说的很有道理。
我想以轻松的语气以及通俗的语言,来说明导数这个东西到底是什么,顺便回答题主的问题。
略长,可直接跳到后面半段。
开始吧。
讨论一个东西,首先搞清楚它是如何定义的,然后搞清楚我们为什么要定义它。
导数的定义,通俗的讲,很简单,是曲线的切线的斜率。
问题来了,什么是切线?
圆的切线我们都知道,垂直于半径就行了。一般的曲线呢?我们无法定义出一个类似“半径”的东西,然后做垂直。要知道,曲率半径是由导数定义的啊。先有了导数才有了曲率半径这种东西。
于是我们回到最原始的“切线”的定义。
曲线上两个点确定一条割线。当两个点足够靠近的时候,割线变成了切线。
好,什么叫足够靠近?足够靠近的两个点,是一个点还是两个点?
如果是两个点,这还是割线。如果是一个点,那直线是怎么画出来的?
于是人们陷入了困惑。然而,“极限”思想出现了。这时候人们从另一条路去考虑切线的问题。
人们慢慢接受了用ε-δ语言,去理解“无穷小”,“无限接近”等概念。
这是人类数学史上伟大的进步。
我们可以理解成这样:
一条曲线的割线,总是有斜率的。
固定住一个点,让另一个点去靠近它,这时候斜率在发生变化。
但是这些斜率有一个特点,就是它们可以在两个点越来越近的时候,越来越接近一个数值。
诶,这个值,就叫做【导数】了。
当然我们可以严格的用ε-δ语言写出它,此处就略了吧。
原先我们想,严格的画出曲线的切线,测出它的斜率,把它叫做导数。
可是实际上,我们画不出切线,但是我们却先求出了导数。
可见极限,是个好东西啊。
【各位记着我这句话,切线是算出来的,不是画出来的。 】
导数定义完了。
这么费劲的定义它,有什么用呢?
稍微扯远一点。
有数学家(不止一个)曾说,人类知道的越多,越感到自己的无知。
以这样的心态来看问题,我们现在所知的东西,其实甚少。
对于函数,我们只对于线性的函数有大致的了解。
为了对一切函数都进行研究,我们只能将其化为线性,考察它的切线的性质。
数学分析中曾经被认为【最有用】的泰勒展开,说白了也就是把函数展开成各阶线性的和。
说回我们的事。
导数定义好了,从定义上我们能知道这么几件事。
第一, 它在每一个点都可以如法定义。也就是说,它是一个全定义域上的定义。正因如此,它可以被看成是一个新的函数。
第二, 它对函数增减的快慢有着清楚的描述。
定义完成了,就可以来回答题主的小小疑惑。
第一个小问题,为什么函数有定义才能有导数,没有定义也可以有导数啊。
确实,在题主的例子下,我们可以发现,没有定义的地方有切线,进而有斜率。
可是在其他情况下,没有定义的点压根就没有切线,怎么去定义那些导数呢?
比如 y = 1/x ,在x=0 处?
那这时候你就反驳了,说我们可以定义“无定义点有切线的函数”和“无定义点没有切线的函数”。
确实是这样,但是这样好麻烦啊。我们更喜欢这样定义:
把“无定义点有切线的函数”的“无定义点”补上,形成完整的函数,对它来进行研究。
这样省去了很多困扰。
所以干脆我们就人为地规定:每一个没有定义的点,都不许有导数。有切线也不行。
为了方便统一管理。
你要是有切线,你干脆把那点填上不好么。
这样一规定,世界单纯多了。
第二个问题,说时间静止的时候,速度是不是零。
当然不是,而且我要恭喜你,问了一个和古人问的一模一样的问题。
芝诺悖论(飞矢不动悖论):一个飞出去的箭,让时间停止,这时候箭有速度么?
按常识(当时的常识),没有。
下一时刻再让时间停止,箭有速度么?
还是没有。
每一时刻箭都没有速度,那它是怎么走的呢?
那岂不是飞矢不动?
这个悖论的回答应该刚好解答了题主的困惑。
牛顿对这个问题进行了深入的研究。研究的第一步,是问了自己这样的问题:
什么是一个物体在某一时刻的瞬间的速度?
由此我们也能看出,任何的研究,都是从一个叫做“定义”的东西出发的。
当时的物理学,只承认平均速度的概念,而对瞬时速度并没有明确的认识。
当时物理学家普遍认为,任何短的一段时间内,平均速度都是有的,而在某一点的瞬时速度,是零。
这逻辑当然是不对的。永远不能把“未定义”或“无意义”当成是“零”。
这个时候牛顿用已经定义好的极限概念(当然是ε-δ语言),去定义瞬间的速度(后来叫做瞬时速度),发现这个定义意外的好用。
它定义了以前未定义的量,并且求出了值!
这时候芝诺悖论被攻破了。我能算出某一瞬间的速度值,你还能说它是静止的吗?
题主的问题描述里面有一句话是说,让时间停止然后用工具测量。
这话不对。
时间停止了,工具测不出来。
但是,注意,极限是用ε-δ语言定义的,在这个定义中,并没有真正的去测一个凝固时间的速度。而是用极短时间的速度来逼近。
换句话说,瞬时速度不是测出来的,是算出来的。
用工具去测瞬时速度,就陷入了芝诺悖论。
还记得刚才说的那句话吗?
【切线是算出来的,不是画出来的。】
以上。
