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酱油启示录——28

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楼主
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



    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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沙发
路过打酱油。。|  楼主 | 2013-6-23 17:01 | 只看该作者
从这里可以看到,《电路》只给出了它自己相关概念的一些“定义”,譬如

    P(t) = U(t) I(t)
       ....

其它的,一概可由“数学”给出。这就是数学的魅力所在。

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maychang 2013-6-23 17:12 回复TA
那教授要是知道函数“正交”,还能不会计算电流、功率? 
板凳
路过打酱油。。|  楼主 | 2013-6-23 17:12 | 只看该作者
借此,再对工程计算的近似给个简要说明:

几乎任何实际的工程数值计算,都是采用不同程度的近似才可能得以实现的。近似值和理论值之间的误差通常是不可能精确给定的,否就无需近似了。但是,一般可以给出近似值和理论值的误差上限,这就是《数值分析和计算》所要解决的问题。这个误差上限是可以针对具体算法从理论上给出的,通常还要求随着某一参数的增加此误差上限可以趋于零。

可见,无论是原理分析、功能设计乃至工程实现,都离不开《数学》。而《数学》也不是通常所说的《微积分》。

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地板
_wz| | 2013-6-23 19:09 | 只看该作者
这个分析简直绝了,忍不住赞美一下。

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5
maychang| | 2013-6-24 20:53 | 只看该作者
当年,勒让德函数、贝塞尔函数、诺依曼函数、亥维赛函数、狄拉克函数……着实头昏脑胀了一阵子,现在也差不多全丢光了。

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6
magic_yuan| | 2013-6-24 21:13 | 只看该作者
顶一下,数学基本已忘光

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7
refee| | 2013-6-28 15:44 | 只看该作者
顶一下先

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