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数学新算法-求补积分算法
[楼主] 作者:王普霖  发表时间:2014/03/03 18:39
点击:262次

考虑一个在x-y平面第一象限内内的单调递增函数y=f(x),x≥0,y≥0,函数上一点(x,y)和点(0,0)、(x,0)、(0,y)为顶点的矩形面积函数为s(x)

=xy,则面积微分ds=d(xy)=(x+dx)(y+dy)-xy=xy+xdy+ydx+dxdy-xy=xdy+ydx+dxdy,舍去高阶无穷小dxdy,得到ds=xdy+ydx
矩形面积s=xy=∫ds=∫xdy+∫ydx
因此也得到结果∫ydx=xy-∫xdy…………(1)
只需将x、y代换u、v,(1)这个结果也可用公式d(uv)=udv+vdu和∫udv=uv-∫vdu直接得来。
引出(1)这样一个结果是要说明一个什么问题呢?函数的定积分知识告诉我们,定积分表达式∫ydx(下限为零,上限为x),表达的是以自变量x、变量y形成的曲线和直线y=0之间的面积。那么相同的曲线和x=0的直线之间的面积就是∫xdy(下限为零,上限为y),存在一个十分显然的道理是:一个单调函数曲线y=f(x)和x轴之间的面积s1与它和y轴之间的面积s2之代数和等于xy。

比如我们求解y=x^3和x轴(y=0)之间的面积公式S(x),可以通过定积分直接求得S(x)=∫x^3dx(下限0,上限x)=x^4/4,
我们也可以通过公式(1)求得此结果。这时x=y^(1/3)
S(x)=xy-∫xdy=x^4-∫y^(1/3)dy(下限0,上限y=x^3)
=x^4-(3/4)y^(4/3)
=x^4-(3/4)(x^3)^(4/3)
=x^4-(3/4)x^4
=x^4/4

函数例子中,比直接计算稍复杂,但是遇到一些不能直接公式积分的函数时,这个算法可以提供有效的解。这个算法暂时称为“求补积分算法”,是我推出的一种新算法。

这是我在解决已知电子速度求加速时间,并试图求出电子位移时遇到问题时找到的一个方法。在我的《质增并非相对论效应》中给出了电子速度
v=c[1-exp(-(vm+Eet)/2cm)]
。这个位移直接求解遇到了困难,物理含义是位移)
s=vt-s1=vt-∫tdv…………(2)

s1=∫tdv=(m/Ee)∫[2c[ln(c)-ln(c-v)]-v]dv(下限0,上限v)………………(3),求得s1后,代入(2)式可得到位移函数。

希望大家指正。 

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[楼主]  [2楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/03/03 19:04 

∫ydx(下限0,上限x)=xy-∫xdy(下限0,上限y=f(x))式子中∫xdy的x是以f^(-1)形式表达的、以y为自变量的、f的反函数。f^(-1)中的(-1)不是指数。
[楼主]  [3楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/03/03 20:27 

主贴第五段第三行的公式v=c[1-exp(-(vm+Eet)/2cm)]之后,从写字板往这里粘贴时竟然遗漏了了句子,现在重新补齐:
这是我在解决已知电子速度求加速时间,并试图求出电子位移时遇到问题时找到的一个方法。在我的《质增并非相对论效应》中给出了电子速度
v=c[1-exp(-(vm+Eet)/2cm)]
在我进一步想通过它得到电子位移函数时遇到困难,因为v=ds/dt,代入后得到ds/dt=c[1-exp(-(mds/dt+Eet)/2cm)],以我的数学水平无法得到位移s的解析式,但是在推导v时却得到了t=[2c[ln(c)-ln(c-v)]-v]m/Ee。我们知道,速度函数v(t)对时间的积分就是位移s=∫v(t)dt。这个位移直接求解遇到了困难,我用我这个方法,转而计算速度函数和速度轴之间面积s1(物理含义是位移)
[楼主]  [4楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/03/03 23:46 

这个算法简单地说就是:一个通过原点的单调曲线y=f(x),把点(0,0)、(x,0)、(x,y)、(0,y)四个点连成的矩形面积分割成两部分s1=∫ydx(下限0,上限x)和s2=∫xdy(下限0,上限y),这两部分的代数和就是矩形总面积s=xy。当计算积分s1=∫ydx(下限0,上限x)遇到困难时,可以转而求s2=∫xdy(下限0,上限y),最后s-s1就是要求的s1
s1=xy-∫xdy(下限0,上限y)

这个算法可形成一个定理。这要经过严格的数学语言叙述和函数适用条件的制约。也能扩大适用范围,虽然我举例和推导过程使用的是经过原点的单调递增函数曲线,但实际上,这个定理可适应一般曲线。比如曲线不一定要经过原点(0,0)、曲线也不局限于在第一象限、曲线也不局限于递增等。
[楼主]  [5楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/03/03 23:46 

这个算法简单地说就是:一个通过原点的单调曲线y=f(x),把点(0,0)、(x,0)、(x,y)、(0,y)四个点连成的矩形面积分割成两部分s1=∫ydx(下限0,上限x)和s2=∫xdy(下限0,上限y),这两部分的代数和就是矩形总面积s=xy。当计算积分s1=∫ydx(下限0,上限x)遇到困难时,可以转而求s2=∫xdy(下限0,上限y),最后s-s1就是要求的s1
s1=xy-∫xdy(下限0,上限y)

这个算法可形成一个定理。这要经过严格的数学语言叙述和函数适用条件的制约。也能扩大适用范围,虽然我举例和推导过程使用的是经过原点的单调递增函数曲线,但实际上,这个定理可适应一般曲线。比如曲线不一定要经过原点(0,0)、曲线也不局限于在第一象限、曲线也不局限于递增等。
[楼主]  [6楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/03/03 23:54 

[5楼]第三行:“最后s-s1……” 应为:“最后s-s2……”
[楼主]  [7楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/04/03 03:46 
[楼主]  [8楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/04/03 03:50 

前面说过:
一个通过原点的单调递增曲线y=f(x),把点(0,0)、(x,0)、(x,y)、(0,y)四个点连成的矩形面积分割成两部分s1(x)=∫ydx(下限0,上限x)和s2(y)=∫xdy(下限0,上限y),这两部分的代数和就是矩形总面积s(x,y)=xy。当计算积分s1(x)=∫ydx(下限0,上限x)遇到困难时,可以转而求s2(y)=∫xdy(下限0,上限y),最后s(x,y)-s2(y)就是要求的s1(x),这里f^-1(y)是f(x)的反函数,并将x、y调换位置。具体表达式就是:
s1(x)=xy-∫xdy(下限0,上限y)
这个特例是在第一象限形成的。在第三象限也依然成立。因此,对于过原点的单调递增连续曲线y=f(x),在整个定义域满足∫f(x)ds(下限0,上限x)=xy-∫f^-1(y)dy(下限0,上限y)。

对于过原点的单调连续递减函数,xy为负值面积,s1、s2也是负值面积,因此s1(x)=xy-∫xdy(下限0,上限y)在二、四象限依然成立。
因此,对于经过原点的单调连续函数y=f(x),s1(x)=xy-∫xdy(下限0,上限y)在函数定义域内成立。这就是我命名的求补积分定理。
对于不经过原点的单调连续函数,可以通过移轴的方法,先将其化为过原点的函数,然后使用求补积分定理计算,得到结果后,再将轴移回来。

[楼主]  [9楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/04/03 03:59 

我已经通过使用该定理完成了函数v(t)=c[1-exp(-(v(t)m+Eet)/2cm)]对时间轴t的积分。使用的反函数即t=[2c[ln(c)-ln(c-v)]-v]m/Ee。
[楼主]  [10楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/04/03 05:58 

本定理虽未经数学家用标准数学语言严格证明,但我认为已经可以使用了。这对于不能完全分离出自变量和变量的函数很有效。对于不存在变量显式表达的函数y=f(x,y),存在变量显式表达的反函数y=f^-1(x)不一定不存在。如果存在y=f^-1(x),调换x、y即可得到x=f^-1(y),按求补积分定理计算就可以了。

本定理所叙述方法未经检索,如有先例,我自当放弃发现权。特此声明。
[楼主]  [11楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/04/03 07:40 

为什么称为求补呢?狭义的补数是两数相加等于10、或100、或1000等等,这两数互为补数。我这里定义广义的补数,两数相加的和可以是任何数,包括变量。在我这个例子中,矩形面积就是一个变量,s1、s2同样也是变量。矩形面积总等于s1+s2,因此s1、s2互为补数,我称为补变量。在能够容易求得矩形面积变量又能求得两补变量中任一个面积变量后,利用补变量的关系可求出另一面积补变量。
[楼主]  [12楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/04/05 02:30 

还以y=x^3为例,现在把它变成不过原点的函数y=(x-a)^3,x>a时出现正面积,x<a时出现负面积。不能直接使用求补积分定理所叙述的方法,这时我可以令x'=x-a,把它变成过原点的函数,再使用求补积分定理计算,过程略去,最后结果是S(x)=(x-a)^4/4,和直接对(x-a)^3进行积分结果一致。

求补积分定理可如下阐述:
单调连续函数f(x)总可以通过移轴的方法将其化为通过原点的函数φ(x),使得运算xy-∫φ^-1(y)dy(下限0,上限y)在函数定义域内成立。再经过移轴将函数xy-∫φ^-1(y)dy(下限0,上限y)变换回原坐标,即得到函数f(x)在区间[0,x]的积分∫f(x)dx(下限0,上限x)。
[楼主]  [13楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/04/05 02:35 

本定理可委托无忧先生替我检索、成文、并发表,并列署名。不知无忧先生意下如何?
[楼主]  [14楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/04/05 03:16 

此方法如果没有先例,将是我对数学的一个贡献。

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