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微積分的本質推導公式

生活 更新时间:2024-09-17 09:21:29

龔昇教授的《簡明微積分》中說,“……Stokes公式是微積分的頂峰,從理論上講,這是微積分的終點……”。注:這裡的Stokes公式指的是廣義的統一公式。

龔昇教授為什麼将這是微積分的頂峰,或者終點,書裡沒有講。我這裡狗尾續貂一下。

本帖讨論斯托克斯Stokes公式的物理意義,結合之前的讨論Guass公式的物理意義的帖子。完整地說明宇宙的守恒性。

我覺得,如果微積分揭示了宇宙中的一個最基礎的規律,或者公理(守恒律也好,光速不變也好,任意規律),那麼微積分中的一個集大成的公式,就可以說是微積分的頂峰和終點了。因為這個公式揭示了宇宙大法,能有什麼比揭示大法更峰的!


讨論Stokes公式之前,先回顧一下标量和矢量。因為Guass公式右邊是對一個數量場的積分,所以整個公式比較好理解。而Stokes公式是對矢量場的積分。所以要先看看這兩種量和兩個類型的場有啥糾葛。

出于某種我不知道的原因,數學和物理學連起來(不知道誰主導)弄出了矢量,說是帶方向的數量。于是,物理中,有了數量場和矢量場。再于是,有了兩種場之間轉換的計算:

  • 數量場->矢量場的運算:梯度
  • 矢量場->數量場的運算:散度;
  • 矢量場->矢量場的運算:旋度;
  • 數量場->數量場的運算:沒有!

在這個宇宙中,數量場到數量場是沒有關系或者運算的,或者說,人民群衆根本不關心一個數量場到另一個數量場。

從一個本末倒置的原因來講,三階外微分形式的外微分算子運算始終為0,即,即便你對一個數量場求類似的求導運算,得到的數量場也是處處為0。

這點看龔昇教授的《簡明微積分》,非常好的微積分教材。

更嚴格地講,是三維矢量(即一階張量)限制了這個額外的度(數量場到數量場的這個度)的産生,如果考察更多維的空間,或者即便在三維空間中,放開對張量的一階限制,應該會産生額外的度。這是我個人猜想~~~


接下去就是Stokes公式了

微積分的本質推導公式(微積分筆記斯托克斯公式的物理意義)1

公式右邊是一個矢量場的旋度,這裡稱它是一個渦流場(不要計較這個詞的嚴格定義)。和Gauss對比,應該能想象這個渦流場是守恒的。


這裡先岔開一下。旋度這個概念比較難搞。微積分中的“三度”——梯度、散度、旋度。前兩者的含義是比較直觀的,因為它們都和數量發生關系。比較難理解的是旋度,因為旋度隻和矢量發生關系,它跟數量沒有任何關系。而矢量的這個概念,沒有物理概念的支撐,是很抽象,很難理解的。而我們最熟悉的物理量“力”,在旋度這個運算上,又會顯得有些不好搞。我是直到看麥克斯韋方程,用電磁場相互關系,才比較好的理解了旋度。電場和磁場本身就是矢量場,兩者相互關系,又是旋度這個運算可以描述的。這樣麥克斯韋方程來思考Stokes公式,就比較容易思考其物理意義。

(岔開完畢)


結合麥克斯韋的電磁關系部分,

微積分的本質推導公式(微積分筆記斯托克斯公式的物理意義)2

麥克斯韋的電磁關系方程可以化為Stokes公式的表述形式。或者符合邏輯的說法是,Stokes公式符合電磁關系方程。(我更偏向後者的說法,因為我總覺得,物理是因,數學是果。)

Stokes公式左邊是表示矢量場的環流效果,代表将産生一個渦流場。右邊表示這個渦流場的源(即另一個矢量場,數量場是不可能産生渦流的)。也就是說,如果一個矢量場能造成一個渦流場(即環流量不為0的矢量場),則矢量場損失的量必然是渦流場的量。把麥克斯韋方程這麼寫就清楚很多了:

微積分的本質推導公式(微積分筆記斯托克斯公式的物理意義)3

如果一個區域内的磁場在持續“失去”,則必然在産生一個渦旋電場。失去的那些量,在該區域邊界計算的渦旋電場的量,一緻。也就是磁場變成了電場。反過來也一樣,如果區域内一個電場在持續失去,則必然在其邊界制造了一個渦旋磁場,且兩者量相等,(麥克斯韋第四個方程描述)。

這就是Stokes公式說明的。由于Stokes公式的右邊是一個矢量的積分。所以它說明的守恒律是矢量場的守恒。于是,我有了關于矢量場守恒的猜想。

矢量場守恒猜想:如果一個矢量場變化産生一個渦型場,且這個矢量場和及其渦型場符合Stokes公式的描述,則這個矢量場必然守恒。這就是Stokes公式的矢量守恒猜想。

還有一個Green公式,由于它是Stokes公式的二維化,所以可以看成是Stokes公式的特例。不作具體分析了。


再岔開一下。

介紹一下,@長尾科技有幾篇帖子說麥克斯韋方程的,非常好!

還有一篇帖子,微信上的yubr網友的,《如何理解麥克斯韋方程中的不對稱性》,裡面說到第三個方程的負号的問題。說的也非常好!推導過程很嚴謹!


岔開完畢。我們就《如何理解麥克斯韋方程中的不對稱性》中負号性可以這麼思考。

如果為了“漂亮”,麥克斯韋方程可以寫成(下稱“漂亮形式”)

微積分的本質推導公式(微積分筆記斯托克斯公式的物理意義)4

yubr網友從波動方程出發,說明如果這樣,則會破壞能量守恒。

我從Stokes公式的角度,直觀一點分析,不作任何公式推導。

如果麥克斯韋方程寫成漂亮形式,則說明,如果磁場在變大,則同時在其邊界産生一個渦旋電場。那麼問題就來了,磁場的能量的增多,怎麼渦旋電場也有能量了?這明顯違反了能量守恒,或者說磁通量守恒。不可能說你一方面增大了磁通量,另一方面又要對外有一個渦旋電場能夠作功。

從Stokes公式方面,也可以推導。如果麥克斯韋寫成上面那個樣子,那麼Stokes恐怕必須是:

微積分的本質推導公式(微積分筆記斯托克斯公式的物理意義)5

在矢量看來,我們常用的右手系坐标不能推導出矢量外積,就是矢量的外積跟定義其上的坐标系不對稱了,一個右手,一個左手了,總之弄來弄去就是差一個負号!深究下去,整個數學界的運算都将差一個負号!完全不能自洽!

這不僅僅是差一個負号的問題~~~内褲内穿和内褲外穿,是兩個星球的人!

注一注哈,矢量外積的右手法則是右手坐标系的必然結果,具體看龔昇教授的《簡明微積分》。總之矢量外積的方向是其定義的坐标系的方向,必然是一緻的。

所以說,能量守恒導緻了麥克斯韋方程中的負号,而在數學中,能量守恒使得Stokes方程有這樣的表達,Stokes公式和麥克斯韋方程,通過矢量外積的定義,又完美地相應證。一個是能量守恒的電磁表現,另一個是能量守恒的數學表現。

所以你覺得麥克斯韋的漂亮形式是一個負号的問題,但其實你想破壞的是能量守恒這個大問題!

腦洞一點,如果有一天你穿越到了一個平行宇宙,撿起一本物理書,發現麥克斯韋方程裡沒有這個負号(很漂亮了),那你就要注意了,這個平行宇宙必然存在矢量不守恒。


總結一下,這就是Gauss公式和Stokes公式告訴我們的。它們各自代表着宇宙的守恒律。

  • 凡是能有Gauss公式關系的數量場,必守恒
  • 凡是能有Stokes公式關系的矢量場,必守恒

到此,微積分完成了它的一個使命,即揭示了宇宙的守恒大法。當然,換個角度,守恒大法也許是每個科學家所要堅持的,或者是信仰。我想,大概也正是這個揭示,龔昇教授所以說統一公式是微積分的終點。

矢量外積交換中的負号性,微分外積交換中的負号性,甚至是否存在超距作用。都可從統一公式中思考一二。這裡先挖個坑

  • 外積的負号源于一維坐标的負向性,或者說減法的封閉性要求,背後我覺得還是守恒律
  • 超距作用麼,你要麼堅守守恒律,要麼承認超距,總之不能都選,這在統一公式上也有表現。
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