Производная и интеграл — проще некуда / Хабр
19 декабря 2020 г. на Хабре вышла статья «Интуитивное объяснение интеграла».
В комментариях к ней некоторые пользователи указали, что объяснение получилось не очень интуитивным, например:
“Тема сама по себе интересная, недавно снова повторял курс, но должен сказать, что на мой взгляд, в материале нет изюминки. Автор прав, что в современных изданиях часто даются темы без описания их прикладного применения, из-за чего непонятен смысл их изучения.
Но конкретно интегралы это такая тема, которую надо описать или короче, чем у вас, или намного дольше.
Иначе и школьник не поймет, и те, кто знает, ничего нового не откроют.»
Я попробую изложить материал максимально коротко и просто. Так, чтобы школьники, наконец, поняли, пусть и с помощью родителей. Итак:
Я живу на плоскости, и мой мир выглядит так:
Все мои перемещения ограничиваются прямой линией, которую я называю «ось абсцисс» и обозначаю ее латинской буквой х. Таким образом, я могу гулять от точки, обозначенной цифрой ноль (там находится мой дом), вправо до бесконечности и назад, до нуля. Цифры на оси абсцисс позволяют мне понять, как далеко я от дома. Сейчас я нахожусь в 10 делениях от него.
Да, я слышал, что есть миры, в которых можно перемещаться и влево от нуля, и там расстояния обозначаются отрицательными числами: -1, -2 и т. д., до бесконечности. Кроме того, в тех мирах можно опуститься ниже оси абсцисс, но мой мир максимально прост.
Как-то раз, летящие птицы навели меня на мысль, что по нашему миру можно перемещаться не только влево или вправо, но и «вверх». Потом я узнал, что есть некие люди, умеющие строить дороги, ведущие в наши плоские небеса. Было бы неплохо бы с ними переговорить. И вот я общаюсь со специалистом (С), по строительству таких дорог:
Я: Здравствуйте, вы занимаетесь строительством дорог в небо?
С: Добрый день, да.
Я: А какие дороги вы умеете строить?
С: Самые простые варианты — прямые дороги различной крутизны.
Я: А что такое «крутизна»? Я всегда жил на горизонтальной прямой, и понятия не имею, что это слово может значить.
С: «Крутизна» показывает то, насколько трудно будет вам подниматься (или опускаться) по данной дороге. Чем круче дорога, тем тяжелее подъем или спуск. Давайте нарисуем на нашей плоскости еще одну ось — вертикальную. Мы назовем ее осью ординат, и обозначим латинской буквой у. На этой оси есть цифры, обозначающие «высоту» — расстояние до оси х.
Чтобы нам было проще ориентироваться в нашем двухмерном мире, нанесем на его плоскость линии, идущие от цифр, расположенных на осях х и у:
Теперь любое место (точку) на плоскости мы можем обозначить двумя цифрами. Первая цифра будет обозначать расстояние от нуля до проекции этой точки на ось х…
Я: Простите, а что такое «проекция»?
С: Видите внизу, на оси абсцисс, тень от летящей птицы? Она находится в точке, обозначенной цифрой 6 на оси х. Эта тень и есть проекция тела птицы на ось х. А если бы Солнце находилось справа от птицы, мы бы увидели ее тень на оси у, в районе цифры 8. Это есть проекция тела птицы на ось ординат. Она показывает, на какой высоте летит птица. То есть, расстояние от «земли» (от оси х) до нее.
Мы можем обозначить положение птицы двумя цифрами (6, 8). Первая цифра — проекция на ось х, вторая — проекция на ось у. Эти две цифры мы называем координатами птицы.
Вместо запятой между целой и дробной частями чисел, я буду ставить точку (т.е., не 13,5 а 13.5) для того, чтобы не путать с запятыми между соседними числами.
Я: Отлично, что дальше?
С: Дальше мы отгоним птицу и нарисуем дорогу:
Вы можете заметить, что эта дорога поднимается на одну клеточку вверх, при перемещении проекции на ось х на одну клеточку вправо.
Когда человек перемещается из точки с координатами (4, 4) в точку с координатами (10, 10), его проекция на ось х меняется на 6 цифр. То есть, его тень перемещается вправо на 6 единиц (клеточек). Такое же изменение проекции происходит по оси у. То есть, он одновременно поднимается вверх также на 6 единиц.
Изменение какого-либо параметра (например, проекции на ось х или у), мы обозначаем буквой d (дельта). Изменение высоты мы запишем как dy, а изменение проекции на ось х — как dx. То есть, в данном случае, dу = 6, и dx также = 6.
Разделив изменение высоты на изменение положение тени человека при его перемещении (dy/dx), мы узнаём крутизну данного участка дороги: 6 / 6 = 1.
В нашей проектной документации мы используем очень краткое описание маршрута прокладываемой дороги. В данном случае оно будет выглядеть как математическая формула у = 1*х.
Это значит, что у всегда равен х, и это справедливо для любой точки дороги. Если человек будет находиться, например, в точке, тень от которой падает на ось х в точке 15, он будет находиться на высоте 15. Два параметра — положение тени человека на оси абсцисс и высота, на которой он находится, жестко связаны между собой вышеуказанной формулой.
Разумеется, можно было просто указать крутизну дороги одно цифрой, в данном случае, единицей, но проблема в том, что во-первых, дороги не всегда начинаются у вашего дома — в точке с координатами (0, 0). Во-вторых, существуют дороги, крутизна которых не постоянна. Но о них позже. А пока давайте нарисуем еще пару прямых дорог:
Мы видим, что верхняя дорога поднимается круче, чем та, которую мы рассмотрели ранее. А нижняя дорога — наоборот, более пологая. Высота (проекция на ось у), на которой находится человек, идущий по верхней дороге, равна 10. То есть, перемещаясь от начала координат до точки, в которой он находится сейчас, он изменил свою проекцию на ось у на 10 единиц. В то же самое время, его тень (проекция на ось х) переместилась вправо всего на 5 единиц. Разделив 10 на 5, мы получаем цифру 2. Эта цифра — соотношение высоты и удаленности от нуля по оси х — есть показатель крутизны дороги. Понятно?
Я: Да, я понял это еще на первом примере. А если мы разделим проекцию перемещения человека, идущего по нижней дороге на ось у, на перемещение его тени по оси х, (5/10), мы получим цифру 0.5, или 1/2. Это и есть показатель крутизны нижней дороги?
С: Совершенно верно! Между каждой из дорог и осью х (горизонталью) есть некоторый угол. Чем больше этот угол, тем круче поднимается дорога. Соотношение координаты любой точки дороги (если дорога прямая) по оси у и координаты этой же точки по оси х, называют тангенсом этого угла. Для каждого угла — свой тангенс. Тангенс угла верхней дороги равен 2, тангенс угла нижней, более пологой дороги, равен 0. 5. Соответственно, формулы, которыми мы опишем две последние дороги будут выглядеть как у = 2х и у = 0.5х.
Эти формулы мы называем функциями. Мы говорим, что у — функция от х, где х независимая переменная (мы ее задаём), а у — зависимая переменная, так как мы ее вычисляем, исходя из заданного значения х. И она жестко зависит от значения х. Например, задав х = 12 для дороги, описываемой формулой у = 0.5х, мы, подставляя цифру 12 вместо х, узнаём, что у в этой точке равен 6.
В математике функции обозначают, например, так: f(x) = x. Эта функция справедлива для дороги, рассмотренной нами в самом первом примере. Для второй и третьей дорог, функции будут выглядеть соответственно, как f(x) = 2x и f(x) = 0. 5x. Не очень сложно, да?
Я: Не очень. Что еще мне нужно знать о дорогах?
С: Мы делаем не только прямые дороги. Например, мы можем построить дорогу, которая описывается формулой (функцией) у = x2, или f(x) = x2. Крутизна этой дороги будет увеличиваться, по мере ее удаления от оси у.
Чтобы построить рисунок этой дороги, мы найдем (вычислим) координаты нескольких ее точек. Для этого мы подставим в формулу у = x2 вместо х сначала 1, потом 2, затем 3 и т.д. И рассчитаем значение у для всех этих точек. Сначала подставим 1:
y = х2 = 12 = 1.
Это значит, что для точки, с координатой по х равной 1, ее координата по у также равна 1. Нанесем эту точку на график:
Теперь рассчитаем координату по у для точки, с координатой по х равной 2:
y = x2 = 22 = 4.
Таким образом, наша вторая точка будет иметь координаты (2, 4). Рассчитав у для точек с координатами по х 3 и 4, получим их полные координаты (3, 9) и (4, 16) соответственно. Нанесем эти точки на график:
Теперь соединим все точки линией, обозначающей дорогу:
Для любой точки этой дороги справедлива формула y = x2. Например, для точки, с координатой по х = 1,5, мы получим ее координату по у, возведя 1,5 в квадрат. То есть, ее координаты (1.5, 2.25). Таким образом, мы можем узнать высоту любой точки дороги, задавая ее абсциссу (положение ее тени на оси х).
Но возникает проблема: мы не можем посчитать крутизну какой-либо точки дороги, так как она меняется постоянно. Не получится просто взять две точки дороги сверху и снизу от исследуемой и посмотреть, насколько изменится высота при прохождении пути между ними, разделив перемещение проекции на ось у на перемещение тени по оси х. Точнее, мы можем это сделать, но полученная цифра не будет соответствовать крутизне в средней точке между ними. Смотрите:
Допустим, мы хотим узнать крутизну нашей кривой дороги на участке от начала координат (точки с координатами (0, 0)), до точки с координатами (3, 9). На этом участке дорога поднимается на 9 единиц, в то время, как удаление от начала координат по х составляет 3 единицы. Считаем крутизну так же, как мы считали ее для прямой дороги: 9 / 3 = 3. То есть, крутизна на этому участке, вроде бы, равна 3. Но если мы проведем прямую с крутизной, равной 3, то увидим, что на самом деле дорога в самом низу идет гораздо более полого, чем прямая, а в точке пересечения прямой и дороги, крутизна дороги уже больше крутизны прямой! Крутизна кривой в центре между этими точками также не совпадает с крутизной прямой. Засада. Что же делать? Как нам узнать крутизну каждой точки в ситуации, когда первая постоянно меняется, и нет ни единого прямого участка? Вот для таких случаев господин Ньютон и придумал дифференцирование.
Дифференцирование преобразует нашу функцию в другую функцию, которая как раз-таки позволяет точно вычислить крутизну дороги в данной точке. Мы не будем вдаваться в то, как он пришел к своему решению, а просто воспользуемся результатом его работы — таблицей дифференциалов. Я не буду ее приводить, в Сети такого добра навалом. Можно просто ввести в строку поиска формулу, которую нужно дифференцировать.
Для нашей функции f(x) = x2 дифференцирование будет выглядеть таким образом: нам нужно перенести двойку из показателя степени влево, перед х, и уменьшить степень х на единицу. То есть, в данном случае степень х станет равна 1: f ‘(x) = 2x.
Обратите внимание на штрих после буквы f: f ‘(x) — так обозначается функция, которая произошла от нашей оригинальной функции. Поэтому ее называют производной функцией.
Но что нам теперь делать с этой производной? Как с ее помощью найти крутизну какой-либо точки оригинальной функции f(x) = x2? Очень просто. Мы подставляем в производную значение проекции на ось х, точки дороги, крутизна которой нас интересует. Допустим, мы хотим узнать, насколько круто поднимается дорога в точке, находящейся над цифрой 1 по оси х. Мы подставляем эту единицу в производную, и вычисляем значение:
f ‘(x) = 2x = 2*1 = 2.
Эта двойка и показывает нам крутизну дороги над точкой 1 по оси х.
А какова крутизна дороги в точке с абсциссой 4 (проекцией на ось х = 4)? Подставляем эту четверку в производную функцию f ‘(x) = 2x = 2*4 и получаем цифру 8.
Эта восьмерка означает, что крутизна дороги в точке с абсциссой 4 равна 8. То есть, в этой точке дорога поднимается так же круто, как верхняя прямая на правом графике. Вот и весь смысл дифференцирования (нахождения производной).
Слева — график самой дороги, а справа — прямые, крутизна которых соответствует крутизне дороги в указанных точках. То есть, в указанных точках дороги подниматься так же тяжело, как по соответствующим этим точкам прямым. «Здесь так же круто, как там».
Давайте найдем производную нашей самой первой функции f (x) = x.
Мы проделаем такой же трюк: перенесем степень переменной вперед, перед х (это ничего не изменит, так как степень х была равна 1). Кроме того, мы уменьшим степень х на единицу. При этом степень станет равна нулю, и х превратится в единицу (потому, что любое число (кроме нуля) в нулевой степени равно 1).
Мы получили производную функции f(x) = x. Она выглядит так: f ‘(x) = 1. Что это значит? Это значит, что крутизна данной дороги на любом ее участке равна 1. То есть, при изменении абсциссы на dx, dy изменится ровно на такую же величину. В принципе, мы это знали и раньше, но теперь мы вычислили крутизну дороги через производную.
В учебниках пишут, что производная постоянной (некоторого числа) равна нулю. Почему это так?
Давайте построим дорогу, которая описывается функцией f(x) = 5. Это означает, что высота (проекция на ось у) любой точки данной дороги всегда равна 5, следовательно, dy (изменение высоты) равно нулю.
Поэтому эта дорога идет параллельно оси абсцисс, то есть, никакого изменения высоты не будет, на сколько бы мы не перемещались вправо. А раз крутизна дороги равна нулю, то и производная данной функции равна нулю (dy/dx = 0/dx = 0).
Повторим: производная отображает крутизну функции (графика, дороги), а в данном случае никакой крутизны нет. Что и имеется ввиду, когда говорят, что производная постоянной равна нулю.
Я: Хорошо, я все понял: по оригинальной функции я могу вычислить высоту дороги в любой ее точке, а по производной — крутизну в любой ее точке. Но дорога не может висеть в воздухе, она же должна опираться на ось х?
С: Совершенно правильный вопрос. Под дорогой нам придется сделать насыпь. И чем больше материала (клеточек) мы потратим на данный участок дороги, тем больше вам придется заплатить.
Я: А как вы посчитаете, сколько клеточек вам понадобится? Для участка прямой дороги, параллельной оси абсцисс f(x) = 5, все просто:
У нас получается прямоугольник, высота которого равна постоянной 5, а длину мы можем посчитать, вычитая координату по х левой стороны прямоугольника из координаты его правой стороны: 10 — 3 = 7. То есть, ширина прямоугольника равна 7, соответственно, его площадь равна 5 * 7 = 35 клеточек. Я буду вам должен за 35 клеточек.
Нет проблем и с дорогой, которая поднимается (или опускается) по прямой.
Как и в предыдущем случае, ширину основания мы узнаём, вычитая координаты границ по оси х друг из друга: 9 — 3 = 6.
Высоту найти немного сложнее: нам придется вычислить ее среднее значение. Для этого мы берем высоту (проекцию на ось у) левой верхней точки закрашенной фигуры, прибавляем к ней высоту правой верхней точки и делим пополам:
(1.5 + 4.5) : 2 = 3. Эта тройка — средняя высота фигуры. Мы умножаем ее на ширину фигуры и получаем цифру 18. То есть, на данный участок дороги потрачено 18 клеток, верно? Но как узнать, сколько клеток потребует участок дороги типа y = x2?
С протяженностью участка дороги слева направо разобраться легко, она равна 4 — 1 = 3 клетки, но как быть с высотой? Ведь мы не можем в данном случае сложить 1 и 16, затем разделить пополам и получить среднюю высоту фигуры? Как нам посчитать площадь этой насыпи?
С: Господин Ньютон предусмотрел и это. Метод подсчета площади криволинейных фигур называется «интегрирование». Нам придется вспомнить то, как мы находили производную функции f (x) = x2Она выглядит так: f ‘(x) = 2x.
Эту, как и многие другие математические операции, можно производить и в обратную сторону. Если нам известна производная функции, мы можем восстановить эту изначальную функцию, называемую первообразной. То есть, имея функцию, показывающую изменение крутизны дороги, мы можем восстановить функцию, показывающую саму дорогу — высоту любой ее точки.
Если для нахождения производной мы переносили вперед показатель степени переменной (двойку), и уменьшали степень переменной х на единицу
f(x) = x2=> f ‘(x) = 2x,
то теперь нам следует поступить ровно наоборот: двойку, стоящую перед х следует перенести наверх, в степень: f ‘(x) = 2x => f(x) = x2.Так мы получаем первообразную функцию. То есть, ту функцию, от которой производная произошла.
Но не все так просто, давайте рассмотрим дорогу, описываемую функцией
f (x) = x2+ 4:
Она выглядит точно так же, как дорога f (x) = x2, но располагается выше. Если мы найдем производную этой функции, то обнаружим, что она выглядит точно так же, как производная от функции f (x) = x2! То есть, как f ‘(x) = 2x. Ибо при нахождении производной четверка (постоянная) будет отброшена.
Я: Почему?
С: Потому, что она не влияет на крутизну графика. Вы же помните, что производная описывает крутизну оригинального (первообразного) графика на каждом его участке? А теперь посмотрите на точки обоих графиков, расположенные, к примеру над цифрой 3 на оси х. Крутизна верхнего и нижнего графиков в этих точках одинакова! То же самое касается любых двух точек этих графиков, расположенных друг под другом. Эти две дороги идут параллельно друг другу, поэтому, их крутизна везде совпадает. Отличается только высота.
Но производная — это не про высоту, а про крутизну дороги. Потому и получается, что обе функции f (x) = x2и f (x) = x2+ 4 приводят к одной и той же производной f ‘(x) = 2x.
Я: Погодите, но тогда получается, что функции, к примеру, f (x) = x2 + 5 или f (x) = x2 + 1.3 и даже f (x) = x2— 2 также приводят к одной и той же производной? Ведь они все параллельны друг другу, и их крутизна в точках, расположенных друг под другом, совпадает?
С: Да, наша производная имеет бесконечный набор первообразных. Поэтому первообразную функции f (x) = 2x записывают как F (x) = x2 + C, где буква С может быть любым числом. От этого числа зависит только высота, на которой проходит дорога. Точнее, разница высот между данной дорогой, и дорогой, у которой С = 0. Если Вы снова посмотрите на графики выше, то увидите, что любая точка верхнего графика ровно на 4 клетки выше аналогичной точки нижнего графика.
Обратите внимание также на то, что буква F в первообразной — заглавная (большая), Первообразная является «матерью» производной, поэтому мы относимся к ней с уважением, и пишем ее имя заглавной буквой.
Все множество функций, описываемых формулой F (x) = x2 + C, называется неопределенным интегралом. Самая распространенная формула для нахождения неопределенного интеграла выглядит так:
По этой формуле мы можем найти неопределенный интеграл нашей функции f (x) = x2. Для этого мы увеличиваем степень переменной на единицу, а в знаменатель просто ставим получившуюся степень переменной. Степень нашей переменной была 2, увеличив ее на единицу, получаем x3. Эту же тройку мы ставим в знаменатель (под дробную черту). Получается выражение F (x) = x3/3 + С.
Теперь вернемся к нашей криволинейной фигуре.
Чтобы узнать ее площадь, в полученный нами неопределенный интеграл нужно подставить абсциссу ее правой границы — цифру 4 (при этом постоянная С отбрасывается):
F (x) = x3/3 = 43/3 = 21 1/3 (двадцать одна целая и одна треть)
То же самое проделаем с левой границей фигуры:
F (x) = x3/3 = 13/3 = 1/3 (одна треть)
Теперь нам остается вычесть из первого числа второе: 21 1/3 — 1/3 = 21
Искомая площадь равна 21 клетке. Для проверки вы можете примерно посчитать закрашенные клетки на картинке.
Давайте подытожим все вышесказанное. Итак, у нас есть некоторая формула (функция) f(x), описывающая некую линию на графике.
Чтобы найти крутизну этой линии (функции) в какой-либо ее точке, мы находим производную данной функции f ‘(x), затем подставляем в полученную производную проекцию на ось х интересующей нас точки оригинальной функции, и вычисляем искомый параметр. Полученная цифра будет показывать тангенс угла наклона прямой, которая поднимается (или опускается) так же круто, как исходный график в исследуемой точке.
А чтобы найти площадь под участком графика исходной функции, следует найти ее первообразную F, затем, в эту первообразную по очереди подставить координаты по х правой и левой границы фигуры, площадь которой мы хотим найти, а затем вычесть два полученных числа друг из друга. Результат вычитания и есть искомая площадь.
Я: А почему вы отбросили постоянную С? Разве это не приведет к тому, что площадь под участками кривых f (x) = x2и f (x) = x2+ 4, находящимися друг под другом, будут одинаковыми?
С: Не беспокойтесь, при нахождении интеграла второй функции, постоянная 4 в ее первообразной превратится в 4х, поэтому, к площади под ней добавится прямоугольник высотой 4 клеточки и ошибки не будет. Ну так что, какую дорогу Вы выбираете?
Акустика для начинающих | Интеграл
Третье издание 10-го выпуска «Общедоступной серии» Библиотеки «Интеграла» — книги Григория Давыдовича Изака «Акустика для начинающих».
В книге «Акустика для начинающих», ставшей последней работой доктора технических наук Г.Д. Изака, автор в популярной форме изложил основы акустики. Неформальная манера изложения − диалог деда с внуком − и обилие иллюстраций делают материал интересным и понятным. Книга позволит получить (или освежить) базовые знания по шуму и борьбе с ним. Книга рассчитана на широкий круг читателей, в том числе может быть полезна преподавателям и студентам архитектурно-строительных вузов, специалистам по охране окружающей среды и здоровья человека, разработчикам, главным инженерам и главным архитекторам проектов производственных, общественных и жилых зданий, всем, кто, по роду своей деятельности, сталкивается с вопросами распространения звука и защиты от шума.
Второе издание книги выходит под редакцией доктора технических наук, профессора И.Е. Цукерникова
Н.И. Иванов, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации:
«Эта книга, кажется, должна была появиться давно, но никто из нас, специалистов, не смог взяться и решить эту задачу: сложнейшие вопросы инженерной и архитектурно-строительной акустики изложить так, чтобы их мог понять даже молодой человек со школьной скамьи. Автор этой книги был высочайшим профессионалом и мудрым человеком, и вот перед нами этот чрезвычайно полезный и в немалой степени занимательный труд.
Несколько слов об актуальности этой книги. Она в основном описывает базовые принципы и основополагающие положения борьбы с шумом. В ней изложены основные положения физиологической акустики, даны методики расчетов распространения шума, приведены основные методы борьбы с шумом. Это великолепное практическое пособие для любого начинающего (и не только) специалиста, которое не будет стареть со временем.
Из всех опасных и вредных факторов среды обитания шум − самый массовый, под влиянием повышенного шума находится почти половина населения Земли. ЮНЕСКО сформулировала шумовую ситуацию в мире очень образно: «Шум − бедствие современного мира и нежелательный продукт технической цивилизации». Сложность решения проблем шума объясняется не только подчас ошеломляющими затратами на проектирование, изготовление и установку средств защиты от шума, но также недостаточной грамотностью проектировщиков, конструкторов, строителей.
Действительно, акустику не преподают в школе, а основам борьбы с шумом в технических вузах уделяется в основном не более 2-4-х часов (исключение здесь − наш Балтийский Государственный Технический университет «Военмех» им. Д.Ф. Устинова). И специалист, решающий задачи снижения шума, оказывается без базовых знаний в мире сложнейшей нормативно-технической документации. С чего начать, как действовать, что правильно – эти и еще многие вопросы задавали себе и я и многие мои коллеги, начиная свой профессиональный путь в этой потрясающе интересной и такой нужной человечеству области деятельности.
Как я завидую тебе, читатель, ты держишь в руках книгу, которая отвечает на многие, многие вопросы и, поверь мне, очень поможет не только в начале твоего профессионального пути. Ты будешь еще и еще раз возвращаться к ней, черпая в ней новые и новые знания.
Почти полвека я профессионально занимаюсь акустикой, но читал ее с неослабевающим интересом до последней страницы. Блестяще, профессионально, полезно.»
158 страниц, формат А5, мягкая обложка. Цена без учета доставки.
Примеры интегрального исчисления – математические тайны
На этой странице я привожу примеры U-подстановки , Интеграция по частям и Тригонометрическая подстановка . Обычно я не привожу примеры, но интеграция требует много времени, чтобы распознать различные типы и методы их решения. Это хорошая отправная точка для вашего назидания, а не для слабонервных, и помните МАТЕМАТИКА ВЕСЕЛАЯ . Кроме того, не забудьте понять основную теорему исчисления!
Ниже приведены некоторые правила интегрирования и памятки, которые помогут вам при изучении и выполнении интегрального исчисления.
Common Functions | Function | Integral | |
Constant | ∫ a dx | ax + C | |
Variable | ∫ x dx | x 2 /2 + C | |
Квадрат | ∫ x 2 dx | x 3 /3 + C | |
Обратная | ∫ 7 l0 (1/x) + C | ||
Exponential | ∫ e x dx | e x + C | |
∫ a x dx | a x /ln(a) + C | ||
∫ ln(x) dx | x ln(x) − x + C | ||
Тригонометрия (x в радианах) | ∫ COS (x) DX | SIN (x) + C | |
∫ SIN (x) DX | -COS (x) + C | ||
-COS (x) + C | |||
-COS (x) + C | |||
. | ∫ sec 2 (x) dx | tan(x) + C | |
Rules | Function | Integral | |
Multiplication by constant | ∫ cf(x) dx | c ∫ f(x) dx | |
Power Rule (n≠−1) | ∫ x n dx | ||
Sum Rule | ∫ (F + G) DX | ∫ F DX + ∫ G DX | |
Правило разности | ∫ (F — G) DX | ∫ F DX – – g g g g g g g g g g g. dx | |
Интеграция по частям | См. Интеграция по частям | ||
Правило подстановки | См. «Интегрирование путем подстановки» |
«Шпаргалка по исчислению». 2022. tutorial.math.lamar.edu . https://tutorial.math.lamar.edu/pdf/Calculus_Cheat_Sheet_All.pdf.
⭐ Райан, Марк. «Рабочая тетрадь по исчислению для чайников. Шпаргалка — чайники». 2022. dummies.com . https://www.dummies.com/article/academics-the-arts/math/calculus/calculus-workbook-for-dummies-cheat-sheet-208666/.
U-подстановка
Как меня учили, U-подстановка — это способ работы с цепным правилом дифференцирования: оно переворачивает его! Цепное правило имеет дело с производными составных функций. В подобных примерах мы говорим, что производная функции f(g(x)) равна f’(g(x))*g’(x). Вот почему производная -cos(2x) не просто sin(2x): нам не хватает дополнительного коэффициента 2 в производной внутренней функции 2x. Теперь нам должно быть очевидно, почему интеграция sin(2x) не дает просто -cos(2x). Абсолютно необходимо «учитывать» цепное правило как в задачах дифференцирования, так и в задачах интегрирования. Давайте вместе рассмотрим пример задачи. 1
См. следующие веб-страницы:
«Интеграция путем замены — Википедия». 2022. en.wikipedia.org . https://en.wikipedia.org/wiki/Integration_by_substitution.
«Интеграция методом подстановки (решенные проблемы)». 2022. БАЙЮС . https://byjus.com/maths/integration-substitution/.
«U-замена». 2022. math.ucdavis.edu . https://www.math.ucdavis.edu/~kouba/CalcTwoDIRECTORY/usubdirectory/USubstitution.html.
⭐ «𝘶-Замена Интро (Видео) | Академия Хана». 2022. Академия Хана . https://www.khanacademy.org/math/ap-calculus-ab/ab-integration-new/ab-6-9/v/u-substitution.
Интеграция по частям
Интеграция по частям — это интеграционная версия правила продукта для дифференциации. Основная идея интегрирования по частям состоит в том, чтобы преобразовать интеграл, который вы не можете сделать, в простое произведение минус интеграл, который вы можете сделать. Вот формула: 3
Пока не пытайтесь это понять. Дождитесь следующих примеров.
Если вы помните это, вы легко можете вспомнить, что интеграл справа такой же, как и интеграл слева, за исключением того, что u и v перевернуты.
См. следующие веб-страницы:
«Как выполнить интеграцию по частям — макеты». 2022. dummies.com . https://www.dummies.com/article/academics-the-arts/math/calculus/how-to-do-integration-by-parts-192235/.
«Интегрирование по частям — формула, правило ILATE и примеры решений». 2022. БАЙЮС . https://byjus.com/maths/integration-by-parts/.
«Интеграция по частям — Википедия». 2022. en.wikipedia.org . https://en.wikipedia.org/wiki/Integration_by_parts.
⭐ «Интеграция по частям, введение (видео) | Академия Хана». 2022. Академия Хана . https://www.khanacademy.org/math/ap-calculus-bc/bc-integration-new/bc-6-11/v/deriving-integration-by-parts-formula.
Тригонометрическая подстановка
Этот метод работает, когда подынтегральная функция содержит радикалы вида 2
(или степени этих корней), где a — константа, а u — выражение в
4 x 9.
См. следующие веб-страницы:
«Исчисление II — Триггерные замены». 2022. tutorial.math.lamar.edu . https://tutorial.math.lamar.edu/Classes/CalcII/TrigSubstitutions.aspx.
«Как интегрировать sin(x)cos(x)? – Вопросы и ответы по математике». 2022. BYJU’s . https://byjus.com/questions/how-do-you-integrate-sin-x-cos-x/.
«Интегрирование тригонометрической подстановкой – исчисление | Сократ». 2022. socratic.org . https://socratic.org/calculus/techniques-of-integration/integration-by-trigonometric-substitution.
«Интеграция Tan X – формула, вывод и примеры». 2022. БАЙЮС . https://byjus.com/maths/integration-of-tan-x/.
⭐ «Введение в тригонометрическую замену (видео) | Академия Хана». 2022. Академия Хана . https://www.khanacademy.org/math/integral-calculus/ic-integration/ic-trig-substitution/v/introduction-to-trigonometric-substitution.
«Тригонометрическая замена — инструмент для вычисления интегралов». 2022. web.iit.edu . https://web.iit.edu/sites/web/files/departments/academic-affairs/academic-resource-center/pdfs/Trigonometric_Substitution.pdf.
«Тригонометрическая замена – Учебники по исчислению». 2022. math.hmc.edu . https://math.hmc.edu/calculus/hmc-mathematics-calculus-online-tutorials/single-variable-calculus/trigonometric-substitution/.
«Тригонометрическая замена — Википедия». 2022. en.wikipedia.org . https://en.wikipedia.org/wiki/Тригонометрическая_подстановка.
Ссылки
1 Минг, Альберт. «3 важных метода интеграции, которые нужно знать». 2021. Средний . https://albertming88.medium.com/3-important-methods-of-integration-to-know-dfc6108f8eea.
2 «Рабочая тетрадь по математическим вычислениям для чайников — Шпаргалка для чайников». 2022. dummies.com . https://www.dummies.com/article/academics-the-arts/math/calculus/calculus-workbook-for-dummies-cheat-sheet-208666/.
3 «Как выполнять интегрирование по частям — макеты». 2022. dummies.com . https://www.dummies.com/article/academics-the-arts/math/calculus/how-to-do-integration-by-parts-192235/.
Дополнительное чтение
⭐ Райан, Марк. Расчет для чайников . Индианаполис, Индиана: Wiley Publishing, Inc., 2003.
«Правила интеграции». 2022. mathsisfun.com . https://www.mathsisfun.com/calculus/integration-rules.html.
«Интеграция по частям». 2022. mathsisfun .com . https://www.mathsisfun.com/calculus/integration-by-parts.html.
«Интеграция путем замены». 2022. mathsisfun .com . https://www.mathsisfun.com/calculus/integration-by-substitution.html.
«Введение в интеграцию». 2022. mathsisfun.com . https://www.mathsisfun.com/calculus/integration-introduction.html.
⭐ Предлагаю прочитать весь справочник. Другие ссылки можно прочитать полностью, но я оставляю это на ваше усмотрение.
Интеграция данных и ETL для чайников (таких как я)
В начале 2020 года друг, который работал в этой отрасли, познакомил меня с идеей интеграции данных. Да, я знаю. Чрезвычайно поздно. Все, что я знал об этом, это то, что я мог хранить свои данные в одном (виртуальном) месте, а затем волшебным образом отображать их в другом (виртуальном) месте. Я понятия не имел, как это было сделано и насколько это важно для современного бизнеса.
Чтобы дать вам некоторую информацию, мой предыдущий опыт работы не связан с какой-либо технической областью. Он занимается развитием бизнеса и маркетингом нетехнических продуктов. Я, наверное, должен был больше знать об окружающем меня техническом мире, но пока вы должны простить меня за мое невежество.
Через пару дней после того, как мой друг и я впервые обсудили пространство интеграции данных, он просветил меня о важности возможности извлечения, преобразования и загрузки (ETL) данных. Мне было любопытно, как работает этот процесс, поэтому я решил, что хочу больше узнать об ETL и интеграции данных.
Моя цель в этой статье — помочь вам изучить основы, которые, по моему мнению, являются наиболее важными для понимания того, что такое интеграция данных. Как нетехнический специалист, я понятия не имел, с чего начать, кроме поиска «Что такое интеграция данных?» Итак, давайте начнем с этого.
Что такое интеграция данных?
В общем, это мост для данных. Интеграция данных позволяет объединить данные, находящиеся в разных местах (часто называемые источниками ), в единое представление. Унифицированное представление — это когда все данные, которые вы собрали из различных источников, помещаются в одно место, что позволяет вам просматривать все свои данные в одном месте.
Это не означает, что данные больше не существуют в исходном источнике, из которого вы их извлекли. Более точный способ изобразить это так, как если бы кто-то скопировал данные из исходного источника, а затем отправил эту копию исходных данных по мосту. Это похоже на идею репликации данных, за исключением того, что репликация данных — это просто копирование данных в разные места в целях безопасности.
Таким образом, на самом деле интеграция данных — это не перемещение исходных данных, а скорее их репликация и помещение копии исходных данных в другое место (которое обычно называют целью ) для целей, которые мы получим в далее в статье.
Другой важной частью пространства интеграции данных является преобразование данных. Это важная часть мира интеграции данных, поскольку она может помешать вашей интеграции данных конвейер (конвейер — это интеграция данных от начала до конца — от импорта данных до экспорта данных) от возможности объединения всех данных.
Проблема в том, что данные из разных источников часто поступают в разных форматах, которые невозможно объединить в единое представление, если только некоторые или все данные не будут преобразованы в один и тот же формат. Я коснусь этого позже в статье.
Кому нужна интеграция данных?
Существует два основных варианта использования интеграции данных.
Бизнес-аналитики
Первые — это бизнес-аналитики, которые хотят иметь возможность проверять всю свою бизнес-аналитику в одном месте. Вместо того, чтобы обращаться к Google Analytics, чтобы проверить, сколько людей посетило их веб-сайт, Mixpanel, чтобы проверить, что люди нажимали на своем веб-сайте, Chargebee, чтобы проверить аналитику своих счетов за подписку, и Mailchimp, чтобы проверить, как работает их кампания по холодной электронной почте, интеграция данных позволяет это аналитики, чтобы увидеть все это в одном месте. Давайте посмотрим на пример.
Это простая информационная панель с двумя графиками. Первый показывает ежемесячный регулярный доход, а второй показывает отток компании. Используя конвейер интеграции данных, пользователь этой информационной панели смог подключить свои бизнес-аккаунты для заполнения этих графиков. Теперь они могут просматривать свои данные из нескольких источников в простом унифицированном представлении. Начинаете понимать, почему это может быть полезно?
Разработчики
Второй вариант использования предназначен для разработчиков, которые создают продукты, требующие ввода данных. Попробуйте представить себя в этом сценарии.
Вы разработчик, создающий бухгалтерский продукт, который помогает бухгалтерам выявлять несоответствия в их (онлайн) бухгалтерском учете. Для этого вам необходимо иметь доступ к данным банковского счета, с которым они работают, их ERP-системе ( ERP-система — это программное обеспечение, помогающее управлять основными бизнес-процессами) и их биллинговой системе.
Чтобы собрать все эти данные вместе, разработчик должен настроить конвейер интеграции данных, который извлекает данные из банковского счета, системы ERP и системы выставления счетов. Сделав это, они могут загрузить данные в свой продукт и проверить наличие несоответствий в бухгалтерском учете.
Как вы видите, сегодня интеграция данных является ценной и важной частью бизнес-процессов практически любой компании. Подробнее о том, почему это так важно, мы поговорим позже в этой статье.
Как происходит интеграция данных?
Это, наверное, самая абстрактная вещь, которую я затрону в этой статье. Как я упоминал ранее, вы должны представлять интеграцию данных как виртуальный мост между источником и целью.
Аналитики или разработчики могут выбрать один из трех вариантов построения конвейера интеграции данных. Во-первых, у них есть собственная интеграция с командой. Это трудоемкий процесс — «одна интеграция (имеется в виду интеграция с одним конкретным источником) может занять у небольшой команды до двух недель, но это даже не самые большие затраты.
После создания эти интеграции необходимо поддерживать. Это связано с тем, что, если не вдаваться в технические подробности, есть некоторые движущиеся части, которые меняются на постоянной основе, что требует регулярного обновления конкретной интеграции.
Второй вариант — нанять команду профессионалов, которые создадут для вас интеграцию. Хотя это индивидуальное решение, не требующее вмешательства, этот вариант обычно стоит дорого. Команда профессионалов выполняла бы точно такую же работу, если бы вы построили его самостоятельно, но (очевидно) это отвлекло бы любую работу от вашей собственной команды.
Третий вариант — использовать сторонний инструмент, чтобы помочь компании построить свою воронку продаж. Это гибрид между двумя предыдущими вариантами. Вы по-прежнему используете свою собственную команду для настройки интеграции, но многие из необходимых ресурсов абстрагируются программной платформой, которую они решили использовать. Вам не нужно создавать интеграцию или создавать цель, а обычно просто определяете слой преобразования (это означает, что вы решаете, в каком формате должны быть ваши данные).
Следует отметить, что некоторые из этих инструментов предназначены для разработчиков (например, горячий клей), а другие — для аналитиков (например, Fivetran). Инструменты для разработчиков часто обрабатывают более сложные процессы, поскольку они позволяют разработчикам использовать более детальный подход, в то время как инструменты аналитики отлично подходят для нетехнических специалистов, которым нужно настроить простой конвейер интеграции данных.
В последние несколько лет многие компании отдают предпочтение этим типам инструментов, поскольку они становятся все более эффективными, настраиваемыми и доступными.
Причина, по которой некоторые компании выбирают собственный конвейер интеграции данных, заключается в сложности, которую может потребовать интеграция. Как правило, сторонние решения имеют тенденцию быть немного более жесткими и не позволяют компаниям настраивать свой конвейер на детальном уровне.
На более конкретном уровне существует множество конкретных процессов, которые относятся к термину интеграция данных. Самый популярный из них…
ETL (Extract, Transform, Load)
ETL — самый популярный процесс интеграции данных. Он используется, когда кто-то хочет объединить данные из нескольких источников, но также требует изменения формата данных.
Например, если у кого-то есть файл Excel или CSV , который он хотел переместить в определенную базу данных, но все остальные источники данных были в формате JSON (очень популярный формат обмена данными), этот файл должен быть быть преобразован в JSON, чтобы его можно было объединить с другими.
После преобразования файл отправляется в цель, определенную для этого конкретного конвейера, где он объединяется со всей другой полученной информацией.
Иногда процесс изменяется на ELT (извлечение, загрузка, преобразование) для различных вариантов использования с меньшими объемами данных, но каждый шаг по-прежнему выполняет одну и ту же функцию.
Почему важна интеграция данных?
Компании, которые хотят оставаться конкурентоспособными, должны использовать преимущества данных, несмотря на проблемы, возникающие при интеграции данных.