三角函数为什么是基本初等函数
人类的基本数学理论,一切从三角形开始。勾股定理和三角函数是人类初等数学的基础研究理论,这展示了人类所观测到的世界的一些本征特性。
勾股定理和三角函数都与直角三角形有关。从测量计算到算术论断证明,定理的推算也用了人类几百年的历史,这是值得的而且是伟大的,这两个定理是后续人类十几个世纪以来所有数学公里的基础。
圆周率π,直径与周长,以直代曲思想的萌芽
跟直角三角形一样,人类凭肉眼观测,也能发现一些端倪,因为无论圆的大小怎样,直径和周长都是随着圆变化的,这足以说明这就是圆自身的一种性质。
割圆术等是初代的微积分思想,直线近似利用直角三角形求圆周率,是我国古代对数学界的伟大贡献。
所以,圆周率与直角三角形有关,π的性质也是直角三角形的极限的性质。圆周率有多准确,取决于在圆内分割多少个直角三角形。
牛顿力学,微积分时代,变化率函数与连续性
以直代曲的思想停滞了一千多年,没有任何进步。
直到人类需要求曲线的性质,需要求速度等抽象的物理现象的时候,才得以进一步发展。
伟大的牛顿力学,展示了物体的受力分析。
物理的受力分析如果是恒定的,那物理特性可以抽象为数学模型,这个数学模型也是连续的,这里就引申出连续性的定义。很多课本认为连续性是用数学定义去定义的,我认为这是本末倒置的。连续性应该用物理需求去定义,他更应该是一个物理学的概念,是一个物理学的前提条件,数学的定义只是这个物理学概念的延伸。
连续性是一个框架级别的工具,他表明了物理现象和数学工作的范围。一旦超出这个范围,数学公式和物理现象将是混乱的,毫无意义。你可以想象一个石头在天空无序地飞来飞去吗?你怎么去求它的速度变化率?这是不可能的,因为它的受力图混乱,甚至每一秒的函数都不一样,所以无法求速度变化率等。
可幸的是牛顿时代界定的力不多,只有万有引力,电磁力(摩擦力,空气阻力等),所以物体运动的体系被人类确定下来,维持了几百年之久。
物理学过程 -> 物体受力的时间与范围(物体在某个时段内受什么力) -> 数学模型(跟时间t有关的函数连续性) -> 求取函数变化率 -> 推断出物理现象的连续性与函数性质 -> 从而预测物理现象
是的,无论是牛顿力学还是微积分,到最后都是为了预测。
至此,人类可以用很少的条件,预测大量的自然现象,甚至帮助自己研发工具和武器。
大炮的轨道,天体的运动,燃料与动力学等,汽车,大炮,这些关键的工具无一不经历过精密的牛顿定律和数学模型推导。