了解过高等数学的人,会有一个复数的概念,他的产生是和研究金字塔有关,最早有关复数方根的文献出于公元1世纪希腊数学家海伦,他考虑的是平顶金字塔不可能问题。
关于复数的概念如下:
我们把形如a+bi(a,b均为实数)的数称为复数,其中a称为实部,b称为虚部,i称为虚数单位。当虚部等于零时,这个复数可以视为实数;当z的虚部不等于零时,实部等于零时,常称z为纯虚数。复数域是实数域的代数闭包,也即任何复系数多项式在复数域中总有根。 复数是由意大利米兰学者卡当在十六世纪首次引入,经过达朗贝尔、棣莫弗、欧拉、高斯等人的工作,此概念逐渐为数学家所接受。
虚数相对应于实数存在,实数是什么?就是我们看到这个世界上,一切可以度量的数,真实存在的数,
而虚数就是虚无缥缈的数,它不能度量这个世界上任何一件实际的物体,早期的数学界是不接受的,认为它是鬼神之数。
其实中国人对于这些虚无缥缈的事物,一开始是比较接纳的,
甚至还创造出来一些概念,用以区分他们。
用阴阳来区分实数、虚数,实数为阳,虚数为阴;
用阴阳来区分正数、负数,正数为阳,负数为阴;
注意到复数域是实数域的代数闭包,结合我们之前的研究,一维线段的无限延伸是二维平面的边界;
以此,我们可以推知,实数域是复数域的边界,也就是说实数域只能在复数域的边界上面出现;
同时,纯虚数组成的域也是复数域的一个边界。
我们可以进一步拓展,纯虚数域与实数域相交于圆点0,与无穷远点∞;
我们回头看看关于复数域的平面表达方式:
如果我们进一步采用四象表达平面的方法,
我们会得到这样的一个图,他看起来也是一个坐标图,有四个象限,注意到,他们的X轴、Y轴上的向量(矢量),
不再是,用正负,虚实来表达,而是采用:少阳,太阳,少阴,太阴来表达,如下图:
首先注意到,这个四象图,完整的把虚数,负数,实数,正数,都具体的矢量化,把我们印象中抽象的概念,转化成为直观的,有形的数,其实物理学上经常用矢量的表达方式来表达这些,使抽象的概念几何形象化,给数带上向量单位,带上特征值,那么就变成矩阵运算,不会混淆。
为什么四象对应坐标方向,就是那样的顺序呢?逆时针:太阳,少阳,少阴,太阴,而不是其他的排列呢,
首先,他们是一个四面体结构,在平面上投影,而这样的顺序是为了和正负数,虚数实数进行统一,
实数上的正负数,代表有形的阳数特征,而阳仪生:太阳,少阴,
虚数上的正负数,代表无形的阴数特征,而阴仪生:少阳,太阴,
其实,在这个有形的世界存在着很多无形的物质,或者信息信号,或者叫做场,比如WiFi信号,不会因为人体墙体的阻挡而消失,还有电磁场,这些无形的事物,甚至很多人都难以理解他们是物质,他们是客观存在的,但是又是虚无缥缈的,其实引入虚数的概念,这个世界多姿多彩起来,立马有无限的可能,我们从复数的最直观的旋转特性来展开,
比如:4*i*i = -4
就是“4”在数轴上旋转了180度。那么4*i就是4在数轴上旋转了90度。
在看看指数函数的表达差异,比如:e^t是这个样子的,
那么e^it的曲线会是什么样的呢?
于是成了一个螺旋线。是不是和电磁场很像?
而且,更重要的意义在于复数运算保留了二维信息。
引入虚数概念的二维表达式,可以在三维空间呈现完美的曲线,其实看到上面这段曲线的时候,
我们于是会想到更多的可能性。
假如我让你计算3+5,虽然你可以轻松的计算出8,但是如果让你分解8你会有无数种分解的方法,3和5原始在各自维度上的信息被覆盖了。
但是计算3+5i的话,你依然可以分解出实部和虚部,就像上图那样。
用复数来描述电场与磁场非常完美,
我们即可以让电场强度与复数磁场强度相加而不损失各自的信息,又满足了电场与磁场90度垂直的要求。另外,一旦我们需要让任何一个场旋转90度,只要乘一个“i”就可以了。
其实,四象图更像一个复数的推广:四元数,我们可以看到四元数:1,i,j,k,分别就是 Pauli 矩阵:I,X,Y,Z,利用这些东西可以方便地表示 Bloch 球上的任意旋转。
他们分别对应:太阳,少阴,少阳,太阴。
四元数是简单的超复数。 复数是由实数加上虚数单位 i 组成,其中i^2 = -1。 相似地,四元数都是由实数加上三个虚数单位 i、j、k 组成,而且它们有如下的关系: i^2 = j^2 = k^2 = -1, i^0 = j^0 = k^0 = 1 , 每个四元数都是 1、i、j 和 k 的线性组合,即是四元数一般可表示为a + bk+ cj + di,其中a、b、c 、d是实数。
对于i、j、k本身的几何意义可以理解为一种旋转,其中i旋转代表X轴与Y轴相交平面中X轴正向向Y轴正向的旋转,j旋转代表Z轴与X轴相交平面中Z轴正向向X轴正向的旋转,k旋转代表Y轴与Z轴相交平面中Y轴正向向Z轴正向的旋转,-i、-j、-k分别代表i、j、k旋转的反向旋转。
古代的数理系统,其实也是可以量化的,就是没有人愿意去多加思考,抛砖引玉,和大家一起学习。