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机器学习基础知识学习-积分基本公式定理、相关变化率及场景应用

积分

积分就是还原dy,

= y 在讲微分的时候讲过积分的符号,它是由Summation --> S 演变而来。
是积分符号,
是积分式

y = x² + x + 1的导函数是 y' = 2x + 1,导函数也可以用莱布尼茨符号表示

= 2x + 1

= 2x + 1推导出 dy = (2x + 1) * dx (变化率的估计),积分表示为
dy =
2x+ 1 dx,2x + 1被称作“被积分函数”

被积分函数 2x + 1 反推原式 x² + x + C ( C为未定常数 ),C可以是任一常数,所以被积分函数反推的式子可以是无穷多的

反导函数和积分的基本公式

积分就是要还原微分,或者说做积分的动作相当于反过来的微分

接着看这个式子

2x+1 dx = x² + x + C x² + x + C是 2x + 1所有可能的反导函数

像 x² + x 是 2x + 1的一个反导函数, x² + x + 1,x² + x + 2,x² + x - 1001 等等都是 2x+1的反导函数

由此可推出:

n项多项式 dx = x²+x+C 左边有一个积分符号和dx,中间是n项多项式,右边推导的反函数有常数项,可以对应无穷多个反函数,称为这样的式子叫(不定)积分

看几个不定积分的例子:

x+1 dx =
x² + x + C ;
+3x²-4x-6 dx =

- 2x² - 6x + C

积分的基本公式

dx =
[
] + C(r≠-1) 验证一下这个公式:
[
]' =
[
] =
需要注意的是该公式的r≠-1,因此
不能做被积分函数

自由落体

自由落体是只受重力(如地球吸引力)等的加速运动,速率成比例的加快。公式为

= -9.8t

公式中的 - 代表速度朝下的,公式可以理解为自由落体时,当时间为 t (sec)时,下降时的速率为 9.8t ( m/sec )

看一个例子:x = x(t),为瞬间 t 的高度(m)。假设 x 从1000m下落,求10秒后 x 有多高,几秒x落地

解: x =

dt =
-9.8t dt = -4.9t² + 1000 ( x 为当时间是t时的高度)

当 t = 10 时,x(10) = 510,即10秒后 x 有510m高

-4.9t² + 1000 = 0

t² =

≈ 204

t =

≈ 14.3(sec)

即大约14.3秒落地

微积分基本定理

定积分表示为

dx,不定积分表示为
dx

定积分算出来是一个数,,是 f(x) 对 x 从 a 到 b 的积分;不定积分算出来是一个函数

举一个例子:f(x) =

(变化率,这里指速度),y = F(x) 是某物体在时间 x (sec) 的位置(m);由此可推出
= F'(x) = f(x),F 是 f 的一个反导函数
=运动后从时间 a 到时间 b 的位移 = F(b) - F(a)

定积分的总量含义

不定积分:可推出F,常数无穷多

若f(x)是F(x)的导函数(F的变化率) f(x) = F'(x) =

dx =
dx =
dF = F(b) - F(a) 定积分:求 x = a 到 x = b 的数

变化率在物理上最常见的是指速度(F 位移),变化率在金融主要是指边际利润(F 利润,x 销量)、边际成本

定积分的面积含义

若 f(x) 表示高度(m),x 表示宽(m)

f(x) dx = F(b) - F(a) = f(x)图形在 a, b之间,在 x 轴上方的面积

看一个例子:高f(x)=2,求 x 轴从 0 到 3 的面积。该例用求解长方形面积的方法很好求解:长方形的面积 = 宽*高 = 2*3 = 6

现在熟悉下定积分求解面积:

f(x) dx =
2 dx =
= [2*3] - [2*0] = 6

再看一个例子,求下图直角三角形的面积

解:

dx =
=
= [
* 2²] - [
* 0²] = 3

即直角三角形的面积是 3

供需平衡

首先了解一个概念:供需曲线包括需求和供给,是price(价格)与供应量需求量的数学模型

假设需求 P = 0.4x² - 2x + 6

供给 P = 0.6x² + 1

(x:需求量或供给量(万件);P:价格(元))

看上图,需求量曲线和供应量曲线交汇的地方达到了供需平衡,以 y =

为分割线,
和需求量交汇的面积叫消费者剩余,
和供应量交汇的面积叫生产者剩余

消费者剩余的面积:

0.4x² - 2x + 6 -
dx

生产者剩余面积:

- 0.6x² - 1 dx

连续函数值的平均

...
,这些数的平均值为
=

* n = 总和

看下图,求 y = x²在 x ( 0 ≤ x ≤ 2)之间的平均值为多少

如果长方形的面积等于连续函数的面积,则认为高

为平均值(注:这是经过多轮演算推理的经验所得)

f(x) 在 x 的 a 与 b 之间的平均值定义为:

=
dx =
dx =

*
-
*
=

连续函数的面积转换成长方形的面积,长方形的高就是平均值。∴

=

机率密度函数

假设某地工作人口收入占比如下表

年收入(万元)

0~3

3~10

10~20

20~40

40~60

60以上

13%

24%

28%

21%

10%

4%

年收入0~20万占总工作人口的比例可以表示为 P(0~120) = 65% 可以将比率看作面积,用直方图表示的时候x轴数值范围不断缩小(x轴数值细化,比如0~1,1~2,2~3······),顶端会有平行,从0~60像一个抛物线。

将抛物线称做机率分布函数(pdf,probibility distaibution function)

在机率分布函数中抽取一个样本 P( a ≤ x ≤ b ), 抽取的样本可用定积分表示

P( a ≤ x ≤ b ) =

f(x) dx 当在a ≤ x ≤ b这个区间找精确的值会发现得到的数是0

如当P(x = a) =

f(x) dx = F(a) - F(a) = 0

数学概念上有误差,但是也不可以太大。比如 x = a 在 a ≤ x ≤ b 找不到,可以给 x = a加误差,这样 x = a也会在这个误差范围内找到

假如 P( x = a )

P( a -
≤ x ≤ a +
)

P( x = 10 )

P( 9.95 ≤ 10 ≤ 10.05 ) =
f(x) dx

当 P (x ≥ 60 ) 时 ,P (x ≥ 60 ) =

f(x) d(x)

当 P(x ≤ 10 ) 时,P( x ≤ 10 ) =

f(x) d(x)

由此可推出,pdf(机率分布函数)的性质为:① f(x) ≥ 0;②

f(x) d(x) = 1 = 100%

相关变化率

先记住一个重要的式子:

=
*

若 y =

- x + 1

y =
=
[
- x + 1 ] = 3x² - 1

是一个算子,是一个动作,对 x 进行微分

接着往下看,y =

- x + 1,对 t 进行微分

y =
[
- x + 1 ]

=
[
- x + 1 ]

= [ 3x² - 1 ]

若 x 与 t 无关,

= 0
= 0

若 x 与 t 有关,则为相关变化率

相关变化率-吹气球

吹气球若每分钟吹气 80 cc/min,求时间 t 时,吹的半径是多少

解:球的体积公式:V(

) =

对时间 t 进行微分,

=
(
)

除了时间 t ,r 也是未知数,∴

=
(
) *

= (4
r²) *

=
=

结合题意可知:

= 80 cc/min,
为气球某一时间内的半径放大率(cm/min)

①当 t = 1 时,V = 80 由V(

) =
得 r =
≈ 2.8

则当 t = 1 时,

=
= 0.83 cm/min

②当 t = 3 时,V = 80 * 3 = 240 由V(

) =
得 r =
≈ 3.9

则当t = 3 时,

=
= 0.42 cm/min

相关变化率范例-利润

设利润 P = 500x -

,x 为数量;每天多卖10个,则可表示为
= 10 个/天

当日销售量为500时,求利润变化率(元/天)

解:

=
(500 -
)

=
(500 -
) *

= ( 500 -
) *

当日销售量为500,即 x = 500 时,

= (500-
)* 10

= 2500 元/天

∴ 当日销售量为500时,利润变化率为2500 元/天

再看一个例子,若边际利润等式为

= 3500 - 0.02x(P:利润(元),x:销量(个),边际利润的意思是每多卖出一个产品,利润就会多赚多少钱

问销量从100增至110,多了多少利润?

解:P(110) - P(100) =

dx =
dx =
= [3500*110 - 0.01*(110)²] - [3500*100 - 0.01*(100)²] = 384879 - 349900 = 34979 元

即销量从100增至110,多了34979元利润

弓形面积

看一个特例,已知 y = 1 - x²,x ∈ [-1, 1],求[-1,1]之间抛物线的面积

解:

dx =
= [1-
*
] - [ (-1) -
*
] =

即[-1,1]之间抛物线的面积是

阿基米德与罗马军队作战时制作了弓箭等防御性、攻击性武器,像在制作弓箭时也用到了数学知识。看下图抛物线,像是一个弓箭,怎么求'弓箭'的面积呢?

求“弓箭”面积可以先求 y = x² 中(a²,a²),(b²,b²),(a,0),(b,0)四个点围成的面积

看这四个点围成的面积像一个倒放的梯形,其中b²是下底,a²是上底, b-a是高

梯形的面积是

=

梯形中'弓箭'外面的面积可用抛物线的定积分求解:

f(x) dx =
x² dx =
=

[

] - [
] =

则'弓箭'的面积为

-
=

=

=

=

=
+

=

-

=

(
-
)
=
(
)

=

=

平均成本范例

假设成本模型 C(t) = 0.15t² + 0.2t + 400 (千元)

t 指月份 0,1,2,... 24

求这两年的平均成本

解:这两年的平均成本 =

0.15t² + 0.2t + 400 dt 这个计算式可以用Maxima计算,这里不在详细阐述了

至此,微积分的学习告一段落了,下一章节开始概率论的学习

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