微积分在物理学上的应用复习过程
(完整word版)微积分在物理学上的应用
微积分在物理学上的应用1 引言微积分是数学的一个基本学科，内容包括微分学，积分学，极限及其应用，其中微分学包括导数的运算,因此使速度，加速度等物理元素可以使用一套通用的符号来进行讨论。
而在大学物理中，使用微积分去解决问题是及其普遍的.对于大学物理问题，可是使其化整为零,将其分成许多在较小的时间或空间里的局部问题来进行分析.只要这些局部问题分的足够小，足以使用简单,可研究的方法来解决，再把这些局部问题的结果整合起来啊，就可以得到问题的结果。
而这种将问题无限的分割下去，局部问题无限的小下去的方法，即称为微分，而把这些无限个微分元中的结果进行求和的方法，即是积分。
这种解决物理问题的思想和方法即是微积分的思想和方法。
2 微积分的基本概念及微分的物理含义微积分是一种数学思想，其建立在函数,实数和极限的基础上，其主要探讨的就是连续变量。
在运用微积分去解决物理问题时，可以将我们所需要得出的结果看成是一个整体,再将这个整体先微分,即将其分成足够小的个体,我们可以将这个个体的变量看成衡量，得出个体结果后，再将其积分，即把个体的结果累积起来进行求和.例如，在我们研究匀变速直线运动时，我们就可以在其运动过程中选取一个微小的时间dt，而这一时间内的位移为dt，在每一段时间内速度的变化量非常小，可以近似忽略，那么我们就可以将这段时间内的运动近似看成匀速直线运动，再把每段时间内的位移相加,无限求和，就可以得出总的位移。
在物理学中，每个物理公式都是某些物理现象和规律的数学表示，因此，我们在使用这些公式时，面对物理量和公式的微分形式我们不能仅仅从数学方面去考虑，更要从物理含义上去考虑.在我们使用微分符号时，不能只从数学角度去理解其为无限小，更要结合具体的物理量和角度去判断他的正确含义。
例:如图所示,一通有交流电流i=的长直导线旁有一共面的单匝矩形线圈ABCD，试求线圈中的感应电动势大小。
解：设在某个时刻,长直导线电流产生的磁场为B=在图中做一个微元面dS，dS=ldx，则该面元上的磁场可以近似于均匀磁场,微元面dS上的磁通量为d线圈围成的面上通过的磁通量为线圈中的感应电动势为在这个例题中，微元面dS的磁通量与线圈的感应电动势都有，但他们的物理含义却是不一样的，前者的表示微元面dS上的磁通量，是一个微小量,而后者的表示的是微笑时间内的磁通量变化量,是一个微小变化量。
知识讲解 物理学中微元法的应用
物理学中微元法的应用【高考展望】随着新课程的改革，微积分已经引入了高中数学课标，列入理科学生的高考考试范围，为高中物理的学习提供了更好的数学工具。
教材中很多地方体现了微元思想，逐步建立微元思想，加深对物理概念、规律的理解，提高解决物理问题的能力，不仅需要从研究方法上提升学习能力，而且还要提高利用数学方法处理物理问题的能力。
高考试题屡屡出现“微元法” 的问题，较多地出现在机械能问题、动量问题、电磁感应问题中，往往一出现就是分值高、难度较大的计算题。
在高中物理竞赛、自主招生物理试题中更是受到命题者的青睐，成为必不可少的内容。
【知识升华】“微元法”又叫“微小变量法”，是分析、解决物理问题中的常用方法，也是从部分到整体的思维方法。
用该方法可以使一些复杂的物理过程用我们熟悉的物理规律迅速地加以解决，使所求的问题简单化。
在使用微元法处理问题时，需将其分解为众多微小的“元过程”，而且每个“元过程”所遵循的规律是相同的。
微元可以是一小段线段、圆弧、一小块面积、一个小体积、小质量、一小段时间……，但应具有整体对象的基本特征。
这样，我们只需分析这些“元过程”，然后再将“元过程”进行必要的数学方法或物理思想处理，进而使问题得到求解。
利用“微元法”可以将非理想模型转化为理想模型，将一般曲线转化为圆甚至是直线，将非线性变量转化为线性变量甚至是恒量，充分体现了“化曲为直”、“化变为恒”的思想。
【方法点拨】应用“微元法”解决物理问题时，采取从对事物的极小部分（微元）入手，达到解决事物整体的方法，具体可以分以下三个步骤进行：（1）选取微元用以量化元事物或元过程； （2）把元事物或元过程视为恒定，运用相应的物理规律写出待求量对应的微元表达式；（3）在微元表达式的定义域内实施叠加演算，进而求得待求量。
微元法是采用分割、近似、求和、取极限四个步骤建立所求量的积分式来解决问题的。
【典型例题】类型一、微元法在运动学、动力学中的应用例1、设某个物体的初速度为0v ，做加速度为a 的匀加速直线运动，经过时间t ，则物体的位移与时间的关系式为2012x v t at =+，试推导。
微积分在物理学中的应用
微积分在物理学中的应用微积分作为数学的一个基础分支，在物理学中发挥着至关重要的作用。
它不仅提供了描述物理现象的数学语言，还为解决复杂的物理问题提供了有力的工具。
本文将探讨微积分在物理学中的几个关键应用。
一、运动学分析在物理学中，运动学研究物体的运动状态和变化规律。
微积分在这里的应用主要体现在速度和加速度的概念上。
速度是位移对时间的导数，而加速度则是速度对时间的导数。
通过微积分，我们可以精确地描述物体运动的瞬时状态，进而深入理解运动的本质。
二、力学系统在力学系统中，微积分用于分析力的作用效果。
牛顿第二定律表明，物体的加速度与作用在其上的合外力成正比，这需要用到微分来描述加速度随时间的变化。
同时，通过积分可以计算出在一定时间内，物体因受力而产生的位移或速度变化。
三、电磁学电磁学是研究电荷产生电场和磁场以及这些场如何影响电荷的科学。
在电磁学中，微积分被用来描述电场和磁场的空间分布。
例如，电势差可以通过电场强度的积分得到，而电流产生的磁场则可以通过安培环路定理来计算，这涉及到对闭合路径的线积分。
四、热力学热力学是研究能量转化以及物质状态变化的学科。
在热力学中，微积分用于计算热量、功和内能等物理量的变化。
例如，通过对温度-熵图的面积积分，可以得到系统的热量变化；而对压强-体积图的面积积分，则可以得到系统对外做的功。
五、量子力学量子力学是研究微观粒子行为的基本理论。
在量子力学中，微积分用于描述波函数的时间演化和空间分布。
薛定谔方程就是一个典型的偏微分方程，它描述了量子态随时间的演变。
通过求解这个方程，可以得到粒子在不同能级的概率分布。
六、光学在光学领域，微积分用于分析光的传播和干涉现象。
波动方程描述了光波的传播特性，而通过积分方法可以解释光的干涉和衍射现象。
例如，通过计算两束光波的相位差积分，可以得到它们相遇时的干涉图样。
总结微积分在物理学中的应用广泛而深刻，它不仅是描述自然现象的语言，也是解决物理问题的工具。
微积分在物理学中的应用
微积分在物理学中的应用The application of calculus in physics摘要: 关于“微积分”是高等数学中研究函数的微分、积分以及有关概念和应用的数学分支，它是数学的一个基础学科，内容主要包括极限、微分学、积分学及其应用。
微分学包括求导数的运算，是一套关于变化率的理论，它使得函数、速度、加速度和曲线的斜率等均可用一套通用的符号进行讨论，使运算也更加简便 。
“应用数学处理物理问题的能力”是我们必须掌握的一种解决物理问题的方法，“能够根据具体问题找出物理量之间的数学关系，根据数学的特点、规律，进行推导、求解，并根据结果做出物理判断、进行物理解释，得出物理结论”是物理解题中运用的数学方法，微积分就是其中一种。
关键词: 微积分Key words: calculus基金项目：本文为大学生科研项目批准文号xs11035资助项目作者简介：姓名：李东康（出生年月198211），女，吉林省；单位全称：通化师范学院物理学院，职称：助教；研究方向：光学；刘明娟，通化师范学院物理学院本科学生；1、微积分1.1定义：设函数()x F 在[]b a ,上有界，在[]b a ,中任意插入若干个分点a=0X <1X <...<1-Xn <Xn =b 把区间[]b a ,分成n 个小区间[][]n n x x x x ,,110- 。
在每个小区间[]i i x x ,1-上任取一点()i i i x x ≤≤-ζ1，作函数值()i f ζ与小区间长度的乘积()xi i f ∆ζ，并做出如果不论对[]b a ,怎样分法，也不论在小区间上的点i ζ怎样取法，只要当区间的长度趋于零时，和S 总趋于确定的极限I ，这时我们称这个极限I 为函数()x f 在区间[]b a ,上的定积分。
设函数()x f y =在某区间内有定义，0x 及x x ∆+0在此区间内。
如果函数的增量()()00x f x f x y -∆+=∆可表示为 ()x x y A ∆O +∆=∆（其中A 是不依赖于x∆的常数），而()x ∆O 是比x ∆高阶的无穷小，那么称函数()x f 在点0x 是可微的，x A ∆称作函数在点0x 相应于自变量增量x ∆的微分，记作y d ，即x y A d ∆=。
微积分在物理学上的应用
1 引言微积分是数学的一个基本学科，内容包括微分学，积分学，极限及其应用，其中微分学包括导数的运算，因此使速度，加速度等物理元素可以使用一套通用的符号来进行讨论。
而在大学物理中，使用微积分去解决问题是及其普遍的。
对于大学物理问题，可是使其化整为零，将其分成许多在较小的时间或空间里的局部问题来进行分析。
只要这些局部问题分的足够小，足以使用简单，可研究的方法来解决，再把这些局部问题的结果整合起来啊，就可以得到问题的结果。
而这种将问题无限的分割下去，局部问题无限的小下去的方法，即称为微分，而把这些无限个微分元中的结果进行求和的方法，即是积分。
这种解决物理问题的思想和方法即是微积分的思想和方法。
2 微积分的基本概念及微分的物理含义微积分是一种数学思想，其建立在函数，实数和极限的基础上，其主要探讨的就是连续变量。
在运用微积分去解决物理问题时，可以将我们所需要得出的结果看成是一个整体，再将这个整体先微分，即将其分成足够小的个体，我们可以将这个个体的变量看成衡量，得出个体结果后，再将其积分，即把个体的结果累积起来进行求和。
例如，在我们研究匀变速直线运动时，我们就可以在其运动过程中选取一个微小的时间dt，而这一时间内的位移为dt，在每一段时间内速度的变化量非常小，可以近似忽略，那么我们就可以将这段时间内的运动近似看成匀速直线运动，再把每段时间内的位移相加，无限求和，就可以得出总的位移。
在物理学中，每个物理公式都是某些物理现象和规律的数学表示，因此，我们在使用这些公式时，面对物理量和公式的微分形式我们不能仅仅从数学方面去考虑，更要从物理含义上去考虑。
在我们使用微分符号时，不能只从数学角度去理解其为无限小，更要结合具体的物理量和角度去判断他的正确含义。
例：如图所示，一通有交流电流i=的长直导线旁有一共面的单匝矩形线圈ABCD，试求线圈中的感应电动势大小。
解：设在某个时刻，长直导线电流产生的磁场为B=在图中做一个微元面dS,dS=ldx,则该面元上的磁场可以近似于均匀磁场，微元面dS上的磁通量为d线圈围成的面上通过的磁通量为线圈中的感应电动势为在这个例题中，微元面dS的磁通量与线圈的感应电动势都有，但他们的物理含义却是不一样的，前者的表示微元面 dS上的磁通量，是一个微小量，而后者的表示的是微笑时间内的磁通量变化量，是一个微小变化量。
物理知识点之《微积分在高中物理中的应用》
物理知识点之《微积分在高中物理中的应用》物理知识点之《微积分在高中物理中的应用》微积分在高中的越来越加强，主要原因一方面是微积分和微元法有助于理解高中的很多物理，数学知识，另一方面是微积分作为大学理工科的基础课，微积分的重要性不言而喻，而且很多在大学表现出了对这部分知识的强烈的不适应。
因此高中阶段接触简单的微积分对高中和大学的学习都很有帮助。
首先，导数和积分的最直观的表现：位置，速度，加速度三个物理量之间的关系。
以时间为自变量，则速度是位置和时间关系函数的导函数，也就是表示任意一点位置和时间关系图像的切线斜率的函数，加速度是速度时间函数关系的导函数。
同理，我们知道加速度时间图像中面积表示的是速度的变化量，也就是对加速度和时间的函数求积分可以得到速度时间关系;类似的速度时间图像中的面积表示位移，也就是对速度时间函数求积分得到位置时间关系。
用这个方法可以推导直线运动中的加速运动的各种公式，在此就不再赘述。
其次，导数等于零时，则函数则有极值。
这个在物理中应用明显。
物理题目中经常出现有关于极值情况的描述，比如，平衡，距离最大或者距离最小，能量最大，能量最小，速度最大，速度最小等等情况。
这些都表示可以用某个函数的导数为零的方法来求。
例如我们最常见到的平衡问题，其实都是能量和位置的函数关系中的导数为零。
能量和位置关系的导数的相反数，就是这个能量对应的力的大小。
再次，用积分方法，可以求体积，面积，重心等等问题，这些问题在高考中涉及较少，但是通过这些问题的计算可以帮助同学们对于微积分，微元法，对于重心等物理概念有更深入的'了解。
例如，在2010年人大附中分班考试的压轴题中就考察了均匀质量球壳的重心问题。
用类似的方法，可以求球体的表面积，球体体积等等。
除此之外，在高中所学知识中，可以用微积分帮助理解的内容还有很多。
通过这些内容的学习，既可以加强学生对物理概念的认识，也可以加深学生对微积分的领会。
毕竟微积分当时发明的目的就是为了解决物理问题。
微积分在物理学中的应用
微积分在物理学中的应用微积分是数学的一个重要分支，它研究的是变化、运动以及量的变化。
它的基本思想在物理学中具有广泛的应用，涵盖了从简单的运动到复杂的力学系统、热力学、电磁学甚至量子力学等多个领域。
本文将探讨微积分在物理学中的一些关键应用，阐明其理论基础和实际重要性。
一、微积分的基本概念在讨论微积分在物理学中的应用之前，有必要简要理解微积分的基本概念。
微积分主要由两部分组成：微分和积分。
微分主要用于研究函数在某一特定点的变化率，而积分则用于计算函数在一个区间内的累积量。
这两者通过微积分基本定理紧密相连，前者为后者提供了定义和理论基础。
二、运动学中的应用运动学是物理学的一个分支，专注于物体的运动描述。
在运动学中，微积分被用于处理位置、速度和加速度之间的关系。
位置与速度假设一个物体在直线上的位置可以用时间t的函数x(t)来表示。
通过对位置函数进行微分，可以得到物体的瞬时速度，即：反之，如果已知物体的速度v(t)，我们可以对其进行积分以求得位置x(t)：[ x(t) = v(t) dt ]加速度与速度类似地，加速度是速度随时间变化的速率。
其表达为：[ a(t) = ]同样，若已知加速度a(t)，则可以通过积分求得速度：[ v(t) = a(t) dt ]这些公式使得我们能够通过已知的条件推导出另一个量，极大地方便了运动分析。
三、力学中的应用力学是研究物质及其运动规律的一门科学，其中涉及到很多与微积分密切相关的概念。
牛顿第二定律牛顿第二定律指出，一个物体所受的总外力等于其质量与加速度的乘积。
数学表达为：[ F = m a ]考虑到加速度a可以表示为速度对时间的导数，我们有：因此，力F也可以被视为对动量p = mv（即质量与速度的乘积）时间变化率的描述：[ F = ]这表明，在系统分析中，通过微分我们能理解物体动量变化与受力之间深刻而又紧密的关系。
动能定理此外，微积分也被广泛应用于动能定理中。
动能是与物体运动状态相关的一种能量形式，其表达式为：[ KE = mv^2 ]当受力做功W时，系统的动能改变可以表示为：[ W = KE_f - KE_i = _{x_i}^{x_f} F dx ]此处，功W是通过移位过程中的力F与位移x之间关系而得出的，这展示了微积分在分析能量转化过程中的重要性。
微积分在高中物理教学及高考中的应用
探索篇•方法展示微积分作为一种重要的数学方法，不只在大学物理中的应用十分广泛，在高中物理中微积分思想也有很多应用，并且在高考试题中也时有出现。
一、高中物理教学中常见的微积分应用1.微元法定义瞬时速度在高中物理学习之初瞬时速度的定义中就涉及微积分思想，求物体在某处的瞬时速度，可在该点附近取一段位移除以对应的时间即可得到该段位移的平均速度，所取的位移越小，其对应的时间越小，所得到的平均速度越接近所求点的瞬时速度，当所取位移近似为零时，所得到的平均速度即可认为是所求点的瞬时速度，在该部分内容中采用了微元并取极限的方法，其实就是微积分中最基本的微元思想。
2.微分与斜率在加速度的定义中a=ΔvΔt，当t→0时a=ΔvΔt=dv dt，与微积分中的微分即求导对应，也就是数学中的斜率，斜率的使用在高中物理中比较常见，如，加速度a=ΔvΔt对应v-t图像的斜率还有E=ΔϕΔt对应ϕ-t图像的斜率，此外借助斜率还可求出函数的最值。
3.积分与面积在匀变速直线运动位移的推导中，由于速度是变化的，采用微元法取非常短的时间，将变化的速度转化为不变的速度，然后用相加的方法，得出v-t图像所围的面积表示位移，即借助积分思想来完成。
该思想在计算变力做功中同样加以应用，通过微元法取一小段位移，将变力做功转化为恒力做功，并将各段做功相加的方法，得出F-S图像所围的面积代表力做功。
可见，微积分思想在高中物理中出现的并不少，主要采用无限接近思想解决瞬时值问题，通过化变量为恒量的方法来解决变量问题。
因此高中阶段的瞬时值问题、斜率问题、极值问题、面积问题大多由微积分思想得出。
二、高考中常见微积分思想应用实例分析高中物理教学中常见的微积分思想在高考试题中也有所体现。
例1.（2014年山东理综19题）如图，半径为R的均匀带正电薄球壳，其上有一小孔A。
已知壳内的场强处处为零；壳外空间的电场与将球壳上的全部电荷集中于球心O时在壳外产生的电场一样。
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的长直导线旁有一共面的单匝矩形线
圈 ABCD，试求线圈中的感应电动势大小。
解：设在某个时刻，长直导线电流产生的磁场为 B=
在图中做一个微元面 dS,dS=ldx,则该面元上的磁场可以近似于均匀磁场，微元 面 dS 上的磁通量为
d 线圈围成的面上通过的磁通量为
线圈中的感应电动势为
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微积分在物理学上的 应用
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微积分在物理学上的应用
1 引言 微积分是数学的一个基本学科，内容包括微分学，积分学，极限及其应用，
其中微分学包括导数的运算，因此使速度，加速度等物理元素可以使用一套通 用的符号来进行讨论。而在大学物理中，使用微积分去解决问题是及其普遍 的。对于大学物理问题，可是使其化整为零，将其分成许多在较小的时间或空 间里的局部问题来进行分析。只要这些局部问题分的足够小，足以使用简单， 可研究的方法来解决，再把这些局部问题的结果整合起来啊，就可以得到问题 的结果。而这种将问题无限的分割下去，局部问题无限的小下去的方法，即称 为微分，而把这些无限个微分元中的结果进行求和的方法，即是积分。这种解 决物理问题的思想和方法即是微积分的思想和方法。
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是十分复杂的，但如果“权函数”具备了“平权性”特征（在定义域内的值处处相 等），原本复杂的题目就会化成简单的形式更有利于我们去解决问题。 例：求半径为 R 的均匀带电半球面在点 O 的电场强度，设球面上电荷面密度σ>0.
解法一：
如图，在球面上任取面元 dS，将其上的电
荷为一点电荷 dq，则有 dq= dS= (Rd )(R )d
在这个例题中，微元面 dS 的磁通量与线圈的感应电动势都有 ，但他们的 物理含义却是不一样的，前者的 表示微元面 dS 上的磁通量，是一个微小 量，而后者的 表示的是微笑时间内的磁通量变化量，是一个微小变化量。
3 微元的选取以及微积分解决物理问题时的一般步骤
3.1 微元的选取 在使用微积分去解决物理问题时，微元的选取是非常重要的，有的时候在
2 微积分的基本概念及微分的物理含义 微积分是一种数学思想，其建立在函数，实数和极限的基础上，其主要探
讨的就是连续变量。在运用微积分去解决物理问题时，可以将我们所需要得出 的结果看成是一个整体，再将这个整体先微分，即将其分成足够小的个体，我 们可以将这个个体的变量看成衡量，得出个体结果后，再将其积分，即把个体 的结果累积起来进行求和。例如，在我们研究匀变速直线运动时，我们就可以 在其运动过程中选取一个微小的时间 dt，而这一时间内的位移为 dt，在每一段 时间内速度的变化量非常小，可以近似忽略，那么我们就可以将这段时间内的 运动近似看成匀速直线运动，再把每段时间内的位移相加，无限求和，就可以 得出总的位移。
=
dd
则该点电荷元在点 O 产生的场强
dE=dq/(4 ε0 )=
d d /(4 ε0)
根据对称性，即得出点 O 场强 E0 沿 Z 轴正方向，大小为
E=∫∫dE = /(4ε0)
解法二：
如图，沿着与 Z 轴的垂直方向把半球面分割成许
多不同半径的带电圆环，任取一圆环，其上的电荷在点 O 产生的场强
dE=dqz/[4 ε0
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在物理学中，每个物理公式都是某些物理现象和规律的数学表示，因此，
我们在使用这些公式时，面对物理量和公式的微分形式我们不能仅仅从数学方
面去考虑，更要从物理含义上去考虑。在我们使用微分符号时，不能只从数学
角度去理解其为无限小，更要结合具体
的物 i=
解：
如图建立坐标系，在没有摩擦力的情况下，当桶内水
位高度为 h-x 时，水从小孔中单位时间内流过单位截面积的流量为
v=
，其中 g 为重力加速度
设积分变量 x,其变化区间为[0，h]
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任取[x,x+Δx]∈[0,h]，当桶中液体下降Δx 时，所需要的时间用 dt 表示，根据
微元的选择上并不是仅仅只有一个，因此，选取一个合适的微元对我们解决问 题会有很大帮助。
我们通常在微元的选取方面有以下几点注意，第一，在我们选取微元时， 要保证我们们所选择的微元能够让我们可以将原本的问题近似处理的比较简 单，以使我们能够更加便利且清晰的区解决物理问题；第二，我们要使我们选 择的微元尽可能地大，这样在我们去积分时可以更为方便，如果微分过细，那 么我们的过程会更精准，可是相对的，我们在积分时面临的过程也会更加繁 琐，因此我们要处理好微分和积分之间的运算；第三，能用一元微元去解决问 题时尽量使用一元微元，因为重积分使用起来要比一元积分麻烦的很多。
题目简单且物理含义比较明显，且遵从题意，可直接进行积分。 2.若是题目较复杂，根据题意，对于一个暂态过程写出一个平衡等式，然
后对两边微分，在得到一个微元结果后，对这个分式进行积分操作。 以上步骤都是在遵从题意的基础下进行，进行微分分析的结果一般是一个
微分方程，在求解时要注意初始条件，在积分时，更要注意取上下限时，要满 足边界条件。 例：圆柱形桶的内壁高为 h，内半径为 R，桶底有一半径为 r 的小孔，试问从盛 满水开始打开小孔直至流完桶中的水，共需多长时间？
]
=( /2ε0)
d
方向沿 OZ 轴正方向，点 O 场强
E=∫dE= /(4ε0)
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由例子可知选取的微元不同，解法也是不同的，代表的物理含义也是不一 样的，然而微元的选取并不影响结果，因此我们要正确理解其含义，才能更好 地从物理概念，物理实质上去把握微积分。
3.2 微积分解决物理问题时的一般步骤 1.根据题意分析，选取一个具有广泛意义的微元，对微元进行分析，若是
选取微元要遵循以下几个原则：1.可加性原则，由于在题目中我们所选取 的微元要可以叠加演算，因此，选取的微元要具备可加性；2.有序性原则，为 了保证我们所选取的微元能够在叠加区域可以不遗漏，不重复的叠加，我们就 需要注意按照量的某种序来选取微元；3.平权型原则，叠加演算实际上就是一 种复杂的“加权叠加”。对于一般的“权函数”而言，叠加演算，也就是求定积分