人工智能通識-科普-微積分計算曲線長度

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這篇我們介紹微積分弧長公式的推導(dǎo),復(fù)習(xí)微積分的概念臭杰。
如何計算任意函數(shù)曲線的長度褪那?


人工智能通識-2019年3月專題匯總

細(xì)分曲線

如下圖,如何計算在[a,b]區(qū)間上任意連續(xù)函數(shù)f(x)曲線的長度涂屁?

使用積分的思路,我們把[a,b]區(qū)間劃分為n份灰伟,然后研究每一份的曲線長度如何計算拆又。

如上圖所示,我們把曲線長度L劃分為n段栏账,變?yōu)椋?/p>

L=\lim_{n \to \infty} \sum_{i=0}^{n}|P_i-P_{i-1}|

每段長度

現(xiàn)在問題就變成了如何計算|P_i-P_{i-1}|長度了帖族。

從上圖可以知道,每段弧線的長度最終可以近似成為兩點之間的直線長度挡爵,就是x和y的微分量竖般,即:

\begin{align} |P_i-P_{i-1}|&=\sqrt{(\Delta x)^2+(\Delta y)^2}\\ &= \sqrt{(x_i-x_{i-1})^2+(y_i-y_{i-1})^2}\\ &= \sqrt{(x_i-x_{i-1})^2+(f(x_i)-f(x_{i-1}))^2}\\ \end{align}

使用微分函數(shù)

從微分定義和斜率概念我們知道:

f'(x)=\frac{\Delta y}{\Delta x}

關(guān)于微分部分請參考這兩個文章:
0117數(shù)學(xué)-微分
0118數(shù)學(xué)-微分2

所以每段細(xì)分線段的長度就可以轉(zhuǎn)換成:

\begin{align} |P_i-P_{i-1}|&=\sqrt{(\Delta x)^2+(\Delta y)^2}\\ &=\sqrt{(\Delta x)^2+(f'(x)*\Delta x)^2}\\ &=\sqrt{(\Delta x)^2(1+(f'(x))^2)}\\ &=\Delta x\sqrt{1+(f'(x))^2}\\ \end{align}

由于\Delta x就是dx,所以可以寫作:

|P_i-P_{i-1}|=\sqrt{1+(f'(x))^2}dx

使用積分

我們利用上面這個結(jié)論就可以替換掉曲線總長公式中的|P_i-P_{i-1}|部分內(nèi)容:
\begin{align} L&=\lim_{n \to \infty} \sum_{i=0}^{n}|P_i-P_{i-1}|\\ &=\lim_{n \to \infty} \sum_{i=0}^{n}\sqrt{1+(f'(x))^2}dx \end{align}

如果我們把上面結(jié)果的根號下面內(nèi)容視為一個函數(shù)茶鹃,那么看上去就很像是積分定義的格式:

\int_a^bf(z)dx= {\lim_{n \to +\infty}}\sum_{i=1}^{n}f(z)dx

關(guān)于積分的內(nèi)容請參考這兩個文章:
人工智能通識-科普-微積分定理
人工智能通識-科普-微積分概念

所以我們可以寫作把曲線的長度積分公式表示為:

L=\int_a^b\sqrt{1+(f'(x))^2}dx

從這里我們知道捻激,要求[a,b]區(qū)間一個曲線函數(shù)f(x)的曲線長度,那么只要找到它的斜率函數(shù)f'(x)前计,然后就可以用積分求得。

在下一篇我們將使用這個曲線公式推導(dǎo)圓周長的算法垃杖,為什么圓周長是2\pi r男杈?

可能大家已經(jīng)發(fā)現(xiàn),我很久沒有更新編程類文章了调俘,尤其是Python和TensorFlow相關(guān)文章伶棒,對這方面感興趣的讀者可以觀看這里獲得更多技巧,例如:
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