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1. 自然数, 即非负整数, 0 1 2 3 ... 是真实存在的,可以描写人, 树, 等等。
我们可以想象一些大小相同的珠子,他们可以用细绳串成串, 两串可以连接, 这就是加法。 亦可以从长串上剪去一个小串, 这就是减法。珠子可以排成长方形, 这就是乘法; 排成正方形, 这就是自然数的平方。
2. 正实数
正实数对应于线段长度, 两个线段可以连接, 这就是相加, 两个线段决定一个长方形, 面积是两边长的乘积。
用千克为单位, 物质的质量m用一个正实数描写, 两个物体放一起, 质量就相加。什么时候相乘呢? 产生的万有引力与质量相乘成正比, 单位是平方千克。 从可能性上说, 引力完全可能是质量的非常复杂的函数, 谢天谢地, 物理世界没有那么糟糕。
3 实数
实数对应于数轴上的点。 定义数轴左边为正右边负数。实数的加法对对应于数轴上一个点的左右移动。
同时规定数的乘法,
1*(-1) =(-1)*1 = -1
1*1=(-1)(-1)=1
这样的规定使得y=x 和 y=-x 保持为直线, 使得单位圆的方程可以简单地表示为
x*x+y*y=1
人们发现, 电分为正负两种, 同种电荷相遇累积, 异种电荷抵消, 这和实数的加法一致,两个电荷之间的作用力,与电荷的乘积有关, 两个正电荷的排斥力和两个负电荷之间的排斥力一样。电荷是实数运算的实现。
但是我们需要再提一句质量产生引力的问题, 质量产生的力是引力, 好像在说, 1*1=-1.
由于月球和地球吸引,所以月球没有离开。 也可以这么想, 还有一个负质量的月球, 和地球排斥, 于是远走越远, 看不见了。
3 复数
除了数的单位1, 定义虚数单位i,适当混合, 形成
a+bi,
它们充满复数平面, 其上可以定义乘法, 这就使得代数定理变得很简单了, n 次方程有n个根。
在我们的世界, 有没有复数呢? 没有。
假如有一天,世界上发现了一种叫复荷的东西, 有四种荷: 正荷,负荷,i荷, -i荷,
而且他们随意组合,连续过度。 复荷用
a+bi
描写, 两个复荷可以相遇, 合成新的复荷。
当两个复荷相距一定距离时, 他们的某种影响与复荷的乘积成比例。 这样的复荷发现了, 复数就是真实的。
当今复数的应用, 有两个地方。 一个是交流电。 两个交流电流汇合时候, 总的电流是同频交流电, 满足复数加法。当交流电压U作用与电路元件Z时, 电流I=U/Z, 这是复数形式的欧姆定律。复数用于交流电, 只是一种等效的简化方法, 电压和电流应该用余弦函数表示, 计算上没有实质性的困难。光学和一般波动问题于此类似。
复数的另一个应用是量子力学中的波函数, 在空间每一点都有一个复数值, 随时间变化。 波函数模的平方对
应于粒子出现在一个位置的机率密度。但是波函数本身是什么, 是真实存在还是辅助工具, 完全不得而知。
还有一些在概念上和复数类似的现象, 比如一个人可以有财富, 也可以有颜值, 颜值影响收入, 收入可以用于美容。 恋人人结婚以后, 这个家庭有总的经济实力和整体颜值。 两个家庭, 可以形成某种邻里关系, 或亲近或疏远。用复数的加法和乘法来建立这样的理论, 还有很长的路。
整数的实现是珠子, 正实数的实现是线段,实数的实现是直线和电荷, 复数的实现仅仅停留在定义它的复平面,是数学家超出现实的创造。
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