学习数学:找出隐含的主题

在英语中,我们经常省略短语的主语:

这些标识是写给谁的?其实是写给 你,停下 或者 你,让行 或者 你,警惕熊出没 (我没有在这么做)。

在掌握一门语言之后,我们可以无需明确指令就能领会提示。但说得委婉些,数学通常没有被很好地掌握。

让我们搞清楚这些“数学符号”指的是什么。

虚数(Imaginary Numbers)

虚数通常被定义为 $i^2 = -1$,这样写完全令人困惑。

更好的表述是:

\displaystyle{i * i = -1}

这仍然令人困惑。但这样如何:

\displaystyle{1 * i * i = -1}

越来越清楚了。指令是:“从1开始,乘以i,再乘以i,然后(以某种方式)得到 -1”。

什么能做到这一点?意识到我们 从1开始,最终到达-1 有助于我们想象出这样的画面:

啊哈!$i$ 是一种变化(可视化为旋转),它通过两步将我们从正数移动到负数(更多关于虚数的内容.)

没有明确主语就写出 $i^2 = -1$ 令人困惑。(更别提 $i = \sqrt{-1}$ 了)

在 $1* i * i$ 中缺失隐含主语“1”导致我困惑了好几年。我希望这个符号能挂在教室的墙上:

指数(Exponents)

为什么对于任何x都有 $x^0 = 1$?我们如何要求0个某物却得到1?

再次,用一个简单的例子来分解。这是一个典型的指数:

\displaystyle{x * x = x^2}

但它缺少主语。更好的写法是:

\displaystyle{1 (* x) (* x) = x^2}

我们从1(默认的乘法缩放因子)开始,按x缩放,再按x缩放,最终得到 $x^2$。指数的大小(2)告诉我们使用“乘以x”缩放机器的次数。

退一步说,乘法是关于缩放:3实际上是“1 * 3”,即单位量放大了3倍。

如果我们只想按x缩放一次(仅一次),我们写:

\displaystyle{1 (* x) = x}

如果我们根本不打算使用缩放机器呢?

\displaystyle{1(* x^0) = 1 () = 1}

这个符号有点奇怪,但我用空括号表示没有动作。看,$x^0$ 中的零是冷漠的零——不采取任何行动——而不是毁灭的零。“使用” $x^0$ 意味着我们根本没有缩放原始量。

很微妙,对吧?

我们可以将这种“增长机器”的概念进一步应用于 Expand-o-tron 3000.

虚数指数

让我们结合洞察。一个奇怪的指数如 $e^{i \pi}$ 代表什么?

用我们新的“隐式从1开始”的视角,这实际上是:

\displaystyle{1 \cdot e^{i\pi}}

从1开始,然后应用增长引擎。在这里,增长是横向瞄准的($i$),且有足够的燃料持续半圈($\pi$)。

欧拉恒等式(Euler's Identity)的本质是,我们从1开始,通过旋转来变换它。我们并不是直接从看似正的指数中产生一个负数。(参见文章和视频.)

微积分

微积分有许多符号简写。当我们写下:

\displaystyle{\int x^2}

它实际上意味着:

\displaystyle{\int x^2 \ dx}

这实际上意味着:

\displaystyle{\int x^2 \ dx \ (\text{at each position}) }

这里是棘手的地方。并不存在单个“dx”,而是沿着数轴有一整串它们。这个句子大致是:

"数轴上的各位!你们彼此相距'dx'。请取你现在的位置,然后平方它。随后我会过来把你们全部加起来。"

积分并非针对单个如1.0的“你”,而是针对“他们”,即数轴上无数个位置。

找出方程中隐含的主语,然后尝试缩短它(熊!).

数学愉快。

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