原创看的懂的复数--溯源复数的物理意义

 2013-8-30 01:52  1708 32 32 分类: 采购与分销

上几天在嵌入式微系统（msOS）群内，网友“南方的风”在咨询信号系统问题，涉及到离散傅立叶变换复数问题。我因为之前写过“看得懂的傅立叶变换”，大家希望我解答一下。

说实在，我虽然对于傅立叶变换的物理意义比较了解，也能自己根据自己的感性理解可以推导出公司，但对于复杂的一些比如离散傅立叶等，却没有仔细分析过，因为用不着。

群内大部分网友都认为这个东西，就是一顿数学的推导，用matlab套用公式做几个例子就差不多了，至于很详细的，尤其是感性的理解，完全没有。

对于他的问题，我无法直接回答，但是，关于傅立叶变换本身不复杂，但引入了复数之后，因为大家对复数的物理意义都不懂，最后都是属于理性的公式推导，但最后的结果的物理意义是什么，大家却都不明白，只知道一堆的数学公式，这个是一种本末导致，所以我认为有必要先搞明白复数的物理意义，只有看得懂复数，有它的感性认识，那么基于它的推理才可能有感性，深刻的认识。

对于复数，长期困扰着我，无法理解，因为老师从来没有跟我们解释过它的物理意义，只是把结果告诉我们，让我们死记硬背。对于一个无法理解的东西而又想要去理解，最好的办法是溯源，去了解它的历史：

复数，最早是在解一元三次方程的时候引入的，当时解一元三次方程，很难解，引入了一个符号

设为j，J * J = -1,可以比较容易的解了这个方程，但带j的那个解，不被大家认可。这是虚数第一次出现，但到了后来，高次解之后，大家发现，j越来越绕不开，并且有规律，N次方程，就有N个带J的解，于是大家认识到一点，一个高次方程，要想解它的解，最佳的捷径就是从J入手，到了高斯时期，高斯对这个J进行了研究，那个时候是笛卡尔坐标系，但他第一个把J引入坐标系，于是出来了复数坐标系，但他的物理意义是什么呢？他把这个物理意义跟平面坐标的矢量四则运算结合起来，若J * J = -1，恰好满足一个平面坐标的矢量四则运算，那个时候他意识到，J真是存在

J的物理意义就是表示另外一个坐标，他是一个坐标的符号，为了区别X轴，引入Y轴，那么必须要用符号标记，所以J是坐标Y轴的符号，这就是它的物理意义，于是就有了a+bJ。

有了复平面其实就是用一个数来表征一个平面数据，而J只是一个符号，那么这个符号的四则运算肯定不同于数字运算逻辑，假如符号运算逻辑跟数字运算逻辑等价，是不可以理解的，那么这样下，J * J = -1,这个就可以理解了，J * J = 1反而不能理解，因为这个J是符号，这个是符号的四则运算逻辑，它必须要跟数字的运算逻辑不同，甚至相反。而现在恰恰相反，满足了我们的实际需要，这样数学进入了平面时代。

那个时候三角函数发明了，并且非常兴起，而三角函数是典型的平面坐标体系，于是大家想到了用复平面来表征三角函数，这个里面，欧拉做了最大的贡献，那就是欧拉公式:e^iπ+1=0。它把数的基本逻辑搞明白了，出来了完美的公式，而后期的傅立叶变换，大家也开始引入了正交复平面坐标系来表征一维信号，发现得到了一个完美统一的表达方式：把一维信号，用二维正交复平面坐标系来描述，这个相对于常规的，一维信号，用三角函数正交坐标系描述，在形式上更统一。但是，我们人的思维，一直停留在一维上，希望一维的信号，用一维的另外一个信号来表征，三角函数正交系（普通傅立叶变换）的表达都让很多人晕乎了，何况还是的正交复平面二维坐标系，这个就导致了理解上的难度。其次，我们的教育，虚数是在高中时期引入的，那个时候老师根本不明白虚数的意义，到了大学，我们往往把结果当成了真理来运用，不去溯源而忘乎了复数的历史起源，可以说，复数的起源，是很多初期数学家困惑的东西，就如同量子理论一样，

大家都在不停的否定中，被迫承认，后来发现好处，尤其形式上的完美统一，最后，反而进入了自我循环的独立体系，却最后忘记了它的根本，任何东西，必须要有物理意义，抛弃物理意义，只是推导，那只需要计算机就可以了，不需要人。

复数的引入，最大的价值，让我们的思维开阔了，可以引入N维度的思维，这个在实际中有很多应用，而基于这种思维的应用，一般都是可以做一些高、精、尖的产品，以避免同质化竞争。