前些时候,有人讨论中西方的数学家,列出了一堆人物。我曾说,无须比较,看看教科书即可。其实,中西方的科技对比,看对数学的态度就可见一斑。
下面先给出一堆纯数学:
设实线性空间L上有双线性函数
y=f(A,B)
其中,y∈R,A∈L,B∈L。且满足
1) f(A,A) ≥ 0
2) f(A,A) = 0,当且仅当 A=0
3) f(A,B) = f(B,A)
这就定义了一个内积,表示为
[A,B] = f(A,B)
对于任一A∈L,定义其模(或称范数)为
‖A‖ = √[A,A]
由于成立柯西-施瓦茨不等式
[A,B] ≤ ‖A‖‖B‖
所以存在主值内唯一θ,成立下式
[A,B] = ‖A‖‖B‖cos(θ)
此θ也称为A和B的“夹角”。
下面说明两个非常重要且有用的概念
1)正交
对于任意属于L的A和B,如果[A,B]=0则认为其正交(显然相应的夹角θ=90°)
2)线性相关
对于任意属于L的A和B,如果存在不全为零的k1和k2,成立
k1 A + k2 B = 0
则称A和B线性相关。显然若A和B都非零的话,k1和k2也必然都非零,即存在非零k成立
A = k B
如果k>0,则称A和B同向,反之反向(显然,正向夹角θ=0°,反向夹角θ=180°)。
下面再推出两个重要的结论
1)[A+B,A+B] = [A,A] + [B,B],当且仅当A和B正交。
由于
[A+B,A+B] = [A,A] + [B,B] + 2[A,B]
显然[A+B,A+B] = [A,A] + [B,B]当且仅当[A,B]=0,即A和B正交。
2)‖A+B‖=‖A‖+‖B‖(或[A,B]=‖A‖‖B‖),当且仅当A和B同向。
先说明‖A+B‖=‖A‖+‖B‖和[A,B]=‖A‖‖B‖是一回事。
有模(或范数)定义,可知
‖A+B‖² = [A+B,A+B]
= [A,A] + [B,B] + 2[A,B]
= ‖A‖² + ‖B‖² + 2[A,B]
对比
(‖A‖+‖B‖)² = ‖A‖² + ‖B‖² + 2‖A‖‖B‖
可知其确实是一回事。
下面证明同向是其必要条件。设C=λB,计算下式
[A-C,A-C] = [A-λB,A-λB]
= [A,A] + λ²[B,B] - 2λ[A,B]
= ‖A‖² + λ²‖B‖² - 2λ‖A‖‖B‖
= (‖A‖ - λ‖B‖)²
显然,存在λ>0,成立
[A-C,A-C] = [A-λB,A-λB] = 0
即
A = λB
A和B同向。条件的充分性证明非常简单,此略。
到了这里,就可以给点具体的东西:
设L是所有周期为T的函数,显然此L为一个线性空间(具体自己证明)。此外,定义内积(自己证明是否满足内积的定义条件)
[A(t),B(t)] = ∫[T] A(t)B(t)dt/T
这里,就该落实到《电路》中去了:
这是什么?显然
1)[A(t),B(t)]就是(周期)平均功率,若A(t)为电压而B(t)为电流。
2)‖A(t)‖和‖B(t)‖就是相应的有效值。
至此,可以看到
1)平均功率可“叠加”,即
[A+B,A+B] = [A,A] + [B,B]
的充要条件是A和B正交。
2)有效值可“叠加”(或平均功率可由有效值相乘),即
‖A+B‖=‖A‖+‖B‖(或[A,B]=‖A‖‖B‖)
的充要条件是A和B同向。
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