مبانی و کاربردهای حساب دیفرانسیل و انتگرال در علوم مختلف

حساب دیفرانسیل و انتگرال یکی از شاخه های ریاضیات است که به مطالعه نرخ تغییرات می پردازد. پیش از اختراع حساب، تمام ریاضیات ثابت بود و تنها می توانست به محاسبه اشیاء کاملاً ساکن کمک کند. اما جهان به طور مداوم در حال حرکت و تغییر است. هیچ شیئی—از ستاره ها در فضا گرفته تا ذرات زیر اتمی یا سلول های بدن—هرگز در حالت سکون نیستند. در واقع، تقریباً همه چیز در جهان به طور مداوم در حال حرکت است. حساب دیفرانسیل و انتگرال به ما کمک می کند تا تعیین کنیم که ذرات، ستاره ها و مواد چگونه واقعاً در زمان واقعی حرکت و تغییر می کنند.

حساب دیفرانسیل و انتگرال در زمینه های متعددی که ممکن است فکر نکنید که می توانند از مفاهیم آن بهره ببرند، استفاده می شود. از جمله این زمینه ها می توان به فیزیک، مهندسی، اقتصاد، آمار و پزشکی اشاره کرد. همچنین در زمینه های گوناگون مانند سفر در فضا و تعیین نحوه تعامل داروها با بدن و حتی نحوه ساخت سازه های ایمن تر مورد استفاده قرار می گیرد. اگر کمی درباره تاریخچه آن و همچنین آنچه که طراحی شده است تا انجام دهد و اندازه گیری کند بدانید، متوجه خواهید شد که چرا حساب دیفرانسیل و انتگرال در بسیاری از حوزه ها مفید است.

نکات کلیدی: نظریه بنیادی حساب دیفرانسیل و انتگرال

• حساب دیفرانسیل و انتگرال مطالعه نرخ تغییرات است.
• گوتفرید لایب نیتس و آیزاک نیوتن، ریاضیدانان قرن هفدهم، هر دو به صورت مستقل حساب را اختراع کردند. نیوتن ابتدا آن را اختراع کرد، اما لایب نیتس نمادهایی را ایجاد کرد که ریاضیدانان امروز از آن استفاده می کنند.
• دو نوع حساب داریم: حساب دیفرانسیل که نرخ تغییر یک مقدار را تعیین می کند، در حالی که حساب انتگرال، مقداری را پیدا می کند که نرخ تغییر آن شناخته شده است.

چه کسی حساب دیفرانسیل و انتگرال را اختراع کرد؟

حساب دیفرانسیل و انتگرال در نیمه دوم قرن هفدهم توسط دو ریاضیدان، گوتفرید لایب نیتس و آیزاک نیوتن توسعه یافت. نیوتن ابتدا حساب را توسعه داد و به طور مستقیم آن را به درک سیستم های فیزیکی اعمال کرد. به طور مستقل، لایب نیتس نمادهای استفاده شده در حساب را توسعه داد. به سادگی می توان گفت که در حالی که ریاضیات پایه از عملیات هایی مانند جمع، تفریق، ضرب و تقسیم (+، -، × و ÷) استفاده می کند، حساب از عملیات هایی استفاده می کند که از توابع و انتگرال ها برای محاسبه نرخ تغییرات بهره می برد.

این ابزارها به نیوتن، لایب نیتس و دیگر ریاضی دانانی که بعداً آمدند، اجازه داد تا مواردی مانند شیب دقیق یک منحنی در هر نقطه را محاسبه کنند. داستان ریاضیات اهمیت نظریه بنیادی نیوتن در حساب دیفرانسیل و انتگرال را توضیح می دهد:

"برخلاف هندسه ی ایستا یونانیان، حساب به ریاضیدانان و مهندسان این امکان را داد تا حرکات و تغییرات پویا در جهان در حال تغییر دور و برمان، مانند مدار سیارات و حرکت مایعات، را درک کنند."

با استفاده از حساب دیفرانسیل و انتگرال، دانشمندان، ستاره شناسان، فیزیک دانان، ریاضیدانان و شیمیدان ها اکنون می توانستند مدار سیارات و ستاره ها را ترسیم کنند و همچنین مسیر الکترون ها و پروتون ها را در سطح اتمی ردیابی کنند.

حساب دیفرانسیل در مقابل حساب انتگرال

دو شاخه از حساب وجود دارد: حساب دیفرانسیل و حساب انتگرال. "حساب دیفرانسیل به مطالعه مشتق می پردازد و حساب انتگرال به مطالعه... انتگرال."، موسسه فناوری ماساچوست اشاره می کند. اما بیشتر از این است. حساب دیفرانسیل نرخ تغییر یک مقدار را تعیین می کند و به نرخ تغییر شیب ها و منحنی ها می پردازد.

این شاخه به مطالعه نرخ تغییرات توابع نسبت به متغیرهایشان می پردازد، به ویژه از طریق استفاده از مشتقات و دیفرانسیل ها. مشتق، شیب یک خط بر روی نمودار است و شما می توانید شیب یک خط را با محاسبه نسبت افزایش به ران تعیین کنید.

در مقابل، حساب انتگرال به دنبال یافتن مقداری است که نرخ تغییر آن شناخته شده است. این شاخه بر مفاهیم شیب های خط مماس و سرعت ها متمرکز است. در حالی که حساب دیفرانسیل بر خود منحنی تمرکز دارد، حساب انتگرال به فضایی یا مساحت زیر منحنی می پردازد. حساب انتگرال برای محاسبه اندازه یا ارزش کل، مانند طول ها، مساحت ها و حجم ها استفاده می شود.

حساب دیفرانسیل و انتگرال نقش اساسی در توسعه ناوبری در قرن 17 و 18 ایفا کرد زیرا به دریانوردان این امکان را می داد که با استفاده از موقعیت ماه، زمان محلی را به دقت تعیین کنند. برای ترسیم موقعیت خود در دریا، ناوبرها نیاز داشتند تا بتوانند هم زمان و هم زوایا را به دقت اندازه گیری کنند. پیش از توسعه حساب، ناوبرهای کشتی و کاپیتان ها هیچ کدام از این کارها را نمی توانستند انجام دهند.

حساب—هم مشتق و هم انتگرال—به فهم این مفهوم مهم در مورد منحنی زمین، فاصله ای که کشتی ها باید برای رسیدن به یک نقطه خاص در اطراف یک منحنی طی کنند و حتی هم راستایی زمین، دریاها و کشتی ها نسبت به ستاره ها کمک کرد.

کاربردهای عملی حساب دیفرانسیل و انتگرال

حساب دیفرانسیل و انتگرال کاربردهای عملی زیادی در زندگی واقعی دارد. برخی از مفاهیمی که از حساب دیفرانسیل و انتگرال استفاده می کنند شامل حرکت، برق، گرما، نور، هارمونیک ها، آکوستیک و نجوم می باشد. حساب در جغرافیا، بینایی کامپیوتری (مانند راندن خودکار خودروها)، عکاسی، هوش مصنوعی، رباتیک، بازی های ویدئویی و حتی فیلم ها مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین حساب برای محاسبه نرخ های تجزیه رادیواکتیو در شیمی و حتی برای پیش بینی نرخ های زاد و ولد و مرگ و مطالعه جاذبه و حرکت سیارات، جریان مایعات، طراحی کشتی، منحنی های هندسی و مهندسی پل ها استفاده می شود.

در فیزیک، برای مثال، حساب به تعریف، توضیح و محاسبه حرکت، برق، گرما، نور، هارمونیک ها، آکوستیک، نجوم و دینامیک کمک می کند. نظریه نسبیت اینشتین به حساب متکی است، که زمینه ای از ریاضیات است که همچنین به اقتصاددانان کمک می کند تا پیش بینی کنند یک شرکت یا صنعت چقدر سود می تواند کسب کند. و در کشتی سازی، حساب برای سال ها برای تعیین هم منحنی بدنه کشتی (با استفاده از حساب دیفرانسیل) و هم مساحت زیر بدنه (با استفاده از حساب انتگرال) و حتی در طراحی عمومی کشتی ها استفاده شده است.

علاوه بر این، حساب برای بررسی پاسخ ها در رشته های مختلف ریاضی مانند آمار، هندسه تحلیلی و جبر به کار می رود.

حساب دیفرانسیل و انتگرال در اقتصاد

اقتصاددانان از حساب برای پیش بینی عرضه، تقاضا و حداکثر سود ممکن استفاده می کنند. عرضه و تقاضا در واقع بر روی یک منحنی ترسیم می شوند—و منحنی ای که دائماً در حال تغییر است.

اقتصاددانان از حساب برای تعیین کشش قیمت تقاضا استفاده می کنند. آن ها به منحنی متغیر عرضه و تقاضا به عنوان "کشسان" اشاره می کنند و به فعالیت های منحنی به عنوان "کشش" اشاره دارند. برای محاسبه یک اندازه دقیق از کشش در یک نقطه خاص بر روی منحنی عرضه یا تقاضا، شما باید به تغییرات بی نهایت کوچک در قیمت فکر کنید و به این ترتیب، مشتقات ریاضی را به فرمول های کشش خود وارد کنید. حساب به شما این امکان را می دهد تا نقاط خاصی را بر روی آن منحنی عرضه و تقاضا که دائماً در حال تغییر است، تعیین کنید.