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看得懂的復(fù)數(shù)--溯源復(fù)數(shù)的物理意義

 rookie 2013-09-02

上幾天在嵌入式微系統(tǒng)(msOS)群內(nèi),網(wǎng)友“南方的風(fēng)”在咨詢信號(hào)系統(tǒng)問題,涉及到離散傅立葉變換復(fù)數(shù)問題。我因?yàn)橹皩戇^“看得懂的傅立葉變換”,大家希望我解答一下。

說實(shí)在,我雖然對(duì)于傅立葉變換的物理意義比較了解,也能自己根據(jù)自己的感性理解可以推導(dǎo)出公式,但對(duì)于復(fù)雜的一些比如離散傅立葉等,卻沒有仔細(xì)分析過,因?yàn)橛貌恢?/p>

群內(nèi)大部分網(wǎng)友都認(rèn)為這個(gè)東西,就是一頓數(shù)學(xué)的推導(dǎo),用matlab套用公式做幾個(gè)例子就差不多了,至于很詳細(xì)的,尤其是感性的理解,完全沒有。

對(duì)于他的問題,我無法直接回答,但是,關(guān)于傅立葉變換本身不復(fù)雜,但引入了復(fù)數(shù)之后,因?yàn)榇蠹覍?duì)復(fù)數(shù)的物理意義都不懂,最后都是屬于理性的公式推導(dǎo),但最后的結(jié)果的物理意義是什么,大家卻都不明白,只知道一堆的數(shù)學(xué)公式,這個(gè)是一種本末導(dǎo)致,所以我認(rèn)為有必要先搞明白復(fù)數(shù)的物理意義,只有看得懂復(fù)數(shù),有它的感性認(rèn)識(shí),那么基于它的推理才可能有感性,深刻的認(rèn)識(shí)。

對(duì)于復(fù)數(shù),長期困擾著我,無法理解,因?yàn)槔蠋煆膩頉]有跟我們解釋過它的物理意義,只是把結(jié)果告訴我們,讓我們死記硬背。對(duì)于一個(gè)無法理解的東西而又想要去理解,最好的辦法是溯源,去了解它的歷史:

復(fù)數(shù),最早是在解一元三次方程的時(shí)候引入的,當(dāng)時(shí)解一元三次方程,很難解,引入了一個(gè)符號(hào)設(shè)為J,J * J = -1,可以比較容易的解了這個(gè)方程,但帶J的那個(gè)解,不被大家認(rèn)可。這是虛數(shù)第一次出現(xiàn),但到了后來,高次解之后,大家發(fā)現(xiàn),J越來越繞不開,并且有規(guī)律,N次方程,就有N個(gè)包含帶J的解,于是大家認(rèn)識(shí)到一點(diǎn),一個(gè)高次方程,要想解它的解,最佳的捷徑就是從J入手,到了高斯時(shí)期,高斯對(duì)這個(gè)J進(jìn)行了研究,那個(gè)時(shí)候是笛卡爾坐標(biāo)系,但他第一個(gè)把J引入坐標(biāo)系,于是出來了復(fù)數(shù)坐標(biāo)系,但他的物理意義是什么呢?他把這個(gè)物理意義跟平面坐標(biāo)的矢量四則運(yùn)算結(jié)合起來,若J * J = -1,恰好滿足一個(gè)平面坐標(biāo)的矢量四則運(yùn)算,那個(gè)時(shí)候他意識(shí)到,J真實(shí)存在。
J的物理意義就是表示另外一個(gè)坐標(biāo)軸,他是一個(gè)坐標(biāo)軸符號(hào),為了區(qū)別X軸,引入Y軸,那么必須要用符號(hào)標(biāo)記,所以J是坐標(biāo)Y軸的符號(hào),這就是它的物理意義,于是就有了a+bJ。
有了復(fù)平面其實(shí)就是用一個(gè)數(shù)來表征一個(gè)平面數(shù)據(jù),而J只是一個(gè)符號(hào),那么這個(gè)符號(hào)的四則運(yùn)算肯定不同于數(shù)字運(yùn)算邏輯,假如符號(hào)運(yùn)算邏輯跟數(shù)字運(yùn)算邏輯等價(jià),是不可以理解的,那么這樣下,J * J = -1,這個(gè)就可以理解了,J * J = 1反而不能理解,因?yàn)檫@個(gè)J是符號(hào),這個(gè)是符號(hào)的四則運(yùn)算邏輯,它必須要跟數(shù)字的運(yùn)算邏輯不同,甚至相反。而現(xiàn)在恰恰相反,滿足了我們的實(shí)際需要,這樣數(shù)學(xué)進(jìn)入了平面時(shí)代。
 
那個(gè)時(shí)候三角函數(shù)發(fā)明了,并且非常興起,而三角函數(shù)是典型的平面坐標(biāo)體系,于是大家想到了用復(fù)平面來表征三角函數(shù),這個(gè)里面,歐拉做了最大的貢獻(xiàn),那就是歐拉公式:e^iπ+1=0。它把數(shù)的基本邏輯搞明白了,出來了完美的公式,而后期的傅立葉變換,大家也開始引入了正交復(fù)平面坐標(biāo)系來表征一維信號(hào),發(fā)現(xiàn)得到了一個(gè)完美統(tǒng)一的表達(dá)方式:把一維信號(hào),用二維正交復(fù)平面坐標(biāo)系來描述,這個(gè)相對(duì)于常規(guī)的,一維信號(hào),用三角函數(shù)正交坐標(biāo)系描述,在形式上更統(tǒng)一。但是,我們?nèi)说乃季S,一直停留在一維上,希望一維的信號(hào),用一維的另外一個(gè)信號(hào)來表征,三角函數(shù)正交系(普通傅立葉變換)的表達(dá)都讓很多人暈乎了,何況還是的正交復(fù)平面二維坐標(biāo)系,這個(gè)就導(dǎo)致了理解上的難度。其次,我們的教育,虛數(shù)是在高中時(shí)期引入的,那個(gè)時(shí)候老師根本不明白虛數(shù)的意義,到了大學(xué),我們往往把結(jié)果當(dāng)成了真理來運(yùn)用,不去溯源而忘乎了復(fù)數(shù)的歷史起源,可以說,復(fù)數(shù)的起源,是很多初期數(shù)學(xué)家困惑的東西,就如同量子理論一樣,
大家都在不停的否定中,被迫承認(rèn),后來發(fā)現(xiàn)好處,尤其形式上的完美統(tǒng)一,最后,反而進(jìn)入了自我循環(huán)的獨(dú)立體系,卻最后忘記了它的物理意義,任何東西,必須要有物理意義,拋棄物理意義,只是推導(dǎo),那只需要計(jì)算機(jī)就可以了,不需要人。
 
復(fù)數(shù)的引入,最大的價(jià)值,讓我們的思維開闊了,可以引入N維度的思維,這個(gè)在實(shí)際中有很多應(yīng)用,而基于這種思維的應(yīng)用,一般可以做一些高、精、尖的產(chǎn)品,以避免同質(zhì)化競爭。

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