作者mgtsai ()
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标题Re: [闲聊] 复数空间
时间Sun Nov 14 01:52:35 2010
复数空间,虽然可以看成是由两个实数维度所组合而成
但是因为复数本身带有代数结构,其加法与乘法可以形成体结构
(单纯的二维实数线性空间并不具有这样的代数结构)
这样的代数结构,让复数可以广泛应用於各个层面
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举一个广泛应用於电机领域的例子:phasor
(这与波动方程有关的物理量中,时常在推导过程中看到 i,在本质上有类似之处)
在电机领域中,大家最关心的几个物理量,不外乎就是电压,电流,电阻(阻抗)
但一旦要处理时变问题时,虚数就时常出现在公式之中
比如,以复数表示(交流)电压值,以复数表示(交流)电流值,以复数表示阻抗值....
初看之下,似乎觉得很奇怪
电压与电流是很明确的物理量,电压是多少多少伏特,电流是多少多少安培
那带虚数 i 的电压与电流,代表什麽含义呢?
当然,如果我们仔细看整个理论结构,会发现
这个 i 的存在,对应到实际用电表或示波器所量到的电压与电流
虚数 i 某种程度则代表时变的电压与电流於波动时的相位差
换句话说,在给定一个固定频率下
电压与电流的实数值与虚数值,则是代表其时变的振幅与相位的 phasor 换算
既然虚数并不是真实的量测值,而只是一种换算值
那我们为何还要这麽大费周章,特别引入复数,只是用来间接表达电压与电流值?
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使用复数,其实没有其它用意,更没有因为引入虚数而带来新的物理量
就纯粹是借重它那非常好用的代数特性,简化所处理的问题
其实,在整个计算过程中,完全把虚数拿掉,也是不会有任何问题
只是,不使用虚数,整个计算式
就会出现一大堆 A cos + B sin 这类式子
而 电压 = 电流 * 阻抗 这类简单纯代数的算式,则会换成复杂的微分方程
换句话说,不想使用虚数也行,代价就是要耗费较繁复的计算过程来处理问题
复数的代数特性,大大简化了这类原本带有 sin cos 的计算过程
所以复数在电机领域的应用相当普遍,电子电路,讯号处理
电波相关领域(传输线,波导管,天线,微波电路所常用的 Smith chart),...
都是使用复数来处理问题
可以这麽说,电机领域从大二进入专业课程开始,就在使用复数处理问题
电机系里的三电:电子学,电路学,电磁学,全都在玩复数
某种程度而言,波动方程也有类似的特性
所以相关的问题,出现虚数 i,其实也不太令人意外
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◆ From: 114.32.58.129
1F:推 sunev:我赞成这篇的想法 11/14 02:38
2F:推 waddler:电学可以全用实数改写出等价的方程式 量力不行 11/14 02:42
3F:→ waddler:所以量力的虚数并非只是为了计算方便 是有物理意义的 11/14 02:43
4F:推 sunev:水汀格方程式是线性的,所以实部虚部可以拆开来写.... 11/14 02:46
5F:推 xgcj:因为李代数有复化 实化的问题 所以一定会有i 11/14 02:48
6F:→ xgcj:我们当然可以将所有有i的地方 全部都用矩阵来代替 但是这样 11/14 02:49
7F:→ xgcj:会太冗长了 又没必要 为什麽有些东西要用到矩阵 是因为矩阵带 11/14 02:49
8F:→ xgcj:的资讯可以比较多 就像 SO(2,R)和U(1)是等价的 但是你将SO(2) 11/14 02:51
9F:→ xgcj:仔细来看 你会发现他重复得资讯太多了 所以有时你会觉得U(1) 11/14 02:52
10F:→ xgcj:较好用 11/14 02:52
11F:→ xgcj:SO(2,R)你里面只有一参数 U(1)也是一个参数 拓扑结构都一样 11/14 02:54
12F:→ xgcj:但是SO(2)占的版面比较大 所以我们有时候会比较不喜欢用他 11/14 02:55
13F:→ xgcj:但是 在某些方面来讲 大家又比较喜欢SO(2) 因为它可以将R2里 11/14 02:56
14F:→ xgcj:向量的内积 好好的定义起来 而且又比较直观 相对的如果你用 11/14 02:57
15F:→ xgcj:U(1)其实也是可以做完全一样的事情 但是里面会牵扯到一堆i 11/14 02:58
16F:→ xgcj:所以对些情形来说 并不是大家都喜欢用的 11/14 02:59
17F:→ xgcj:i可以简化运算 矩阵有时比较直观 11/14 03:01
18F:→ xgcj:至於量子力学用i 我相信是这样子比较简洁 11/14 03:02
19F:推 newmind:分析真好 11/14 03:07