有没有人能系统工程论述题的论述一下如何学好高等数学

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如何学好高等数学
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  在很多人抱怨学不好数学的时候,也有人能用自己的方法学好这门课。兴趣是一个动力,方法助你走得更快。
  作者王冲,是一个像matrix67那样的数学爱好者。这是他的意见,供大家参考。这篇文字回答的问题在知乎上共有近万关注。
  作者在文中提及了大量例子,对我们学习数学有一定参考价值
  [理解的意义]
  很多同学谈到不用理解,我这里想介绍一种相反的方法,打桩法(彻底理解法)。
  我的记忆力很差,记不住任何不能理解的东西。所以,我一直坚持彻底理解。成果大概是:大学里面的一门数学课,在我脑子里差不多就是半页纸的概念。没有刻意去背,但是怎么也忘不掉。带着这半页纸,基本上可以把书重新写出来。同时,对于这些概念,我不是记住,而是有感情。
  真的有感情,因为数学从来不无聊。以线性代数为例。我看到了一个蔚为壮观的模式。
  首先,从物理的角度,这个世界上充满了线性变换、线性关系。微分是线性变换,这就是为什么线性代数可以用来解微分方程组。几何操作经常是线性变换,这就是为什么3d图形学经常用线性代数。物理中经常有线性关系,如牛顿定理、胡克定理、电阻上电压与电流的关系。为什么到处都是线性关系?因为物理中大量的概念都是可以叠加的,如电流、电压、重量、压力,两股电流输入,一股电流输出,则输出为输入之和。而为什么物理概念可以叠加?其本质是守恒性。为什么经常有比例关系?这个我没有好的答案,我只是虔诚的信仰这个世界是简单的,因为简单,所以美。
  其次,从使用的角度,只要你发现笔下的公式中包含了向量的线性组合、线性方程组、坐标变换、线性变换,不管它们是怎么来的,有没有物理意义你都可以迅速链接到线性代数这个强大的工具箱,大量使用矩阵、行列式、秩、特征向量等概念。
  最后,你使用线性代数的理论刷刷刷的往后推,得到一个结果。然后你往往可以享受最美妙的部分:理解结果的几何意义。这是因为线性代数链接上了几何。
  [什么是理解]
  所谓理解一个概念,就是把这个概念和已有概念建立联系。你对已有概念越熟悉,这个联系越强,你就会觉得自己越理解。
  楼主谈到中学的每个概念在脑子里都能画出来。这是一种最直观的理解,即把概念和生活体验建立关系。能在中学时代做到这点的同学,基本上都是好学生了。
  高等数学的麻烦在于:已有概念不是生活体验,而是另外一些数学概念。概念间的联系不是视觉联系,而是逻辑联系。所以,如果不能正确理解基础数学概念,后续概念也就没法理解了。同时,如果不牢牢地把握住逻辑,企图用直观来把握,就会觉得,书上说什么就是什么,我就记住把。反正我不理解。
  我不是说直觉不重要,你可以从直觉出发,把这个直觉落实到严格证明,或者先看懂了严格证明,再反向去感觉直觉是什么。随着数学学习的深入,更多的直觉是来自于这后一条路。无论如何,如果忽略证明,只关心直觉,脑子就会乱成一锅粥。
  我们现在以欧拉公式为例。
  首先,我们通过对实数域函数的分析,得到了e^x, cos(x), sin(x)的泰勒级数形式。
  然后,我们通过对复数域的分析,得出了i^2 = -1。
  然后,我们假设泰勒级数公式在复数域也成立。
  e^(iy) =1+iy-y^2/2!-iy^3/3!+y^4/4!+iy^5/5!-y^6/6!-..... =(1-y^2/2!+y^4/4!-y^6/6!+.....) +i(y-y^3/3!+y^5/5!-....)
  由于 cosy = 1-y^2/2!+y^4/4!-y^6/6!+....., siny = y-y^3/3!+y^5/5!-....
  所以e^(iy) = (cosy+isiny)
  这个证明是不严格的,真正严格的证明方法需要重新定义复数域上的cosz和sinz函数。但是这个证明充分说明了什么叫数学意义上的理解,那就是一点直觉+一点证明。
  在复数域上最初我们只定义了加法和乘法。我们从直觉上甚至没法想象e^(iy)是什么,但是,既然大家都是数,我们直觉上认为(或者从美学的角度认为),如果实数域上的泰勒公式在复数域上也成立,那是很漂亮的。基于这个直觉,加上一点点证明,我们就知道怎么定义e^(iy)了。
  数学家们也是这样定义出高维空间中的超平面的,他们觉得超平面这样定义是美的,且与现有的平面性质吻合。不使用逻辑推导,我们根本看不到超平面。
  [打桩法]
  在介绍欧拉公式的证明的时候,我们其实已经初窥打桩法的门径了。也就是,想要理解未知概念(欧拉公式),首先找到自己认同的已知概念(实数域中的泰勒级数),然后建立两者间的联系。
  现在我系统的介绍一下怎么用打桩法来学习。
  一本书来了,找到你最有感觉的概念,学习之,即打下一棵桩。不一定非要按顺序读书。采取几个行动:看目录,找有感觉的桩。或者随机的翻开一页,读完,然后问自己这一大段到底想讲什么。既然作者不是笨蛋,他一定想讲些东西。打下几根桩后,你还可以问自己,我现在读的东西和现有的几根桩有什么关系?
  打桩没有任何约束。一本书上看什么都行,有图画就看看图画,有题目就看看题目。这都行。但凡能帮助你打桩产生感情的内容都可以读。
  但是桩打到一定程度,脑子里攒了一堆乱七八糟的直觉后,基本上整本书到处都是桩,到处都是你的卧底。这时候你就可以追逐严密性了。看清楚概念。然后看定理,其实概念的桩打牢了,大部分定理都能够自己证明出来。慢慢的就把这本书给啃了。
  为什么非要自己搞懂定理的证明?因为有的时候你以为你看懂了定理,但是你根本没看懂。逼着自己证明,你才会知道这个定理到底在讲什么。还有一个原因是:定理讲的是概念之间的联系,可以帮你复习概念的定义。同时如果你看不懂一个定理的证明,很可能是你对概念的内涵没有理清楚。很多时候概念的定义就那么几个字,但真是意味深远,一字不可更易。定理得证明不用背,你真的看懂了,就会发现好几个定理的证明其实是同一个技巧,而你自己会不知不觉地把技巧上升为一个概念。你根本就忘不掉这个概念。如果一个技巧只在一处用到,那说明它根本就不重要,干脆忘掉好了。
  一定要反复理清概念、定理之间的联系。读书的时候,很多概念、定理第一眼看过去觉得这不是显而易见的吗,然后就跳过去了。下一次又看到的时候,因为对于整本书的理解加深了,再看一遍,真有“于无声处听惊雷”的感觉,往往不起眼的一句话,串起好几个零散的概念。
  当然,有些内容如果一直到最后都孤零零的,和别的概念没什么关系,那很可能是这本书的重点不在这里,所以在这边的讨论很薄弱。干脆放弃也没关系。
  这里给大家举学习线性代数的例子
  一、第一遍学的时候,我问自己“线性代数到底在鬼扯什么”?我回答不了。但是听说线性代数和解析几何有关系。我就去学了一本解析几何。有一半内容是中学已经学过的,所以还学得下去。学完了之后,发现书上好几处用到行列式,我就把行列式学了。
  二、解析几何讲坐标变换的时候,会讲过渡矩阵和矩阵乘法,所以我把线性代数的这两部分也学了。顺便理解了方阵可逆等价于对应的行列式不等于0。因为基于“行列式”和“矩阵”这两个概念,我能够理解“可逆”这个概念。矩阵的初等变换、秩什么的我不理解,所以算了。
  三、研究线性方程组。高斯消元法和中学学过的解方程很想,所以学了。然后我突然意识到高斯消元法就是矩阵的初等变换,也还是行列式的初等变换,所以基于“高斯消元法”和“行列式的初等变换”这两个我有感情的概念,把矩阵初等变换给学了。
  四、高斯消元法得出系数矩阵A的秩等于n的时候,线性方程组只有非零解。我对于线性方程组的求解还是有兴趣的,因为经常用到。既然有这么个定理,逼上梁山,把秩给学了吧。真学起来,才发现秩的性质是基于行列式这个我有感情的概念定义的,我自己认为秩其实就是行列式=0这个概念的一个推广。所以学起来轻松愉快。
  还有其他例子,以及打桩法其实可以用到其他地方……
  未完……
  作者:王冲
  已获作者授权
  每天阅读数学文章
  锻炼自己的理性思维
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