数学之美|自然界五大美丽公式

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数学之美|自然界五大美丽公式

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微分形式(右)

麦克斯韦方程组是英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在19世纪建立的一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。具体如上图。

它揭示出电磁相互作用的完美统一,电场与磁场相互转化中产生的对称性优美,这种优美可以用现代数学形式得到充分表达。从而人们认识到在数学的表达方式中所“发现”或“看出”的对称美。

也正是因为这个方程组具有的“完美统一性”,爱因斯坦大受启发,始终想要以相似的方式去将宏观与微观的两种力放在同一组式子中:即“大一统理论”。爱因斯坦直到去世都没有走出这个隧道,而如果一旦走出去,我们将会在隧道另一头看到上帝本人。

二、欧拉公式

(Euler's Identity)

在任何一个规则球面地图上,用 R记区域个数,V记顶点个数,E记边界个数,则 R+ V- E= 2,这就是欧拉定理。它于1640年由Descartes首先给出证明,后来欧拉在1752年又独立地给出证明,我们称之为欧拉定理。欧拉公式在不同的学科中有着不同的含义,我们最常见的形式应该是有关复变函数的。即:

关于e,有一个小故事:在一家精神病院里,有个病患整天对着别人说,“我微分你。”不知道这个病患是受了什么影响,他始终认为自己会像一般多项式函数一样,被微分到变成零而消失。周围人觉得他疯疯癫癫的,远远地躲着他,唯恐避之不及。直到某天他遇上了那个不为所动的人,那个人淡淡地说,“我是e的x次方。”

三、勾股定理/毕达哥拉斯定理

(Pythagorean Theorem)

这个定理可以说是我们的“老熟人”了。它是人类早期发现并证明的重要数学定理之一,更是用代数思想解决几何问题的最重要的工具之一。

中国周朝时期的商高提出了“勾三股四弦五”的勾股定理的特例。而在西方,最早提出并证明此定理的是公元前6世纪古希腊的毕达哥拉斯学派,他用演绎法证明了该定理。

它的证明是论证几何的发端;它是历史上第一个把几何与代数联系起来的定理;它导致了无理数的发现,引起第一次数学危机。

它是历史上第—个给出了完全解答的不定方程,并引出了费马大定理;它是欧氏几何的基础定理,拥有着巨大的实用价值。

可以说,它“改变世界面貌”。

四、薛定谔波动方程

(Schrodinger wave equation)

薛定谔波动方程,又称薛定谔方程,是由奥地利物理学家薛定谔提出的量子力学中的一个基本方程,也是量子力学的一个基本假定。

它将物质波的概念和波动方程相结合建立二阶偏微分方程,描述微观粒子的运动,每个微观系统都对应有一个薛定谔方程式,通过解方程可得到波函数的具体形式及其对应的能量,从而了解微观系统的性质。

五、傅立叶变换

(The Fourier Transform)

傅立叶变换,表示能将满足一定条件的某个函数表示成三角函数(正弦和/或余弦函数)或者它们的积分的线性组合。它最早在1807年由傅立叶提出。

变换定义f(t)是t的周期函数,如果t满足狄里赫莱条件:在一个以2T为周期内f(X)连续或只有有限个第一类间断点,附f(x)单调或可划分成有限个单调区间,则F(x)以2T为周期的傅里叶级数收敛,和函数S(x)也是以2T为周期的周期函数,且在这些间断点上,函数是有限值;在一个周期内具有有限个极值点;绝对可积。

傅立叶变换是一种分析信号的方法,它可分析信号的成分,也可用这些成分合成信号。"任意"的函数通过一定的分解,都能够表示为正弦函数的线性组合的形式,而正弦函数在物理上是被充分研究而相对简单的函数类。自然这个定理倍受重视。

文章篇幅有限,美丽却没有尽头。想要拥有美,就要有愿意观察的心灵和能够观察的眼睛,就让小青梅陪着你,一点一点来慢慢品会吧。

材料整理:李梦影

校对:仲梦娇 李梦影 赵铭 王欣阳

责任编辑:任杰

执行编辑:付紫晴

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