首页 » 数学女孩 » 数学女孩全文在线阅读

《数学女孩》3.2 振动和旋转

关灯直达底部

虽说先暂且不谈矩阵,但是米尔嘉还是在我的练习本上写下了这样一道题。

问题 3-1

将以下数列的通项 ann 来表示。

n01234567...an10-1010-10...

“能解出来吗?”米尔嘉问我。

“很简单啊。这是以 1, 0, -1 0 的顺序循环的数列啊,也可以说这个数列像是在振动。”我说。

“是吗?你是这么来看这个数列的呀?”她好像很吃惊。

“不对吗?”我问。

“没有没有,你这种思路没错。那么……我想让你用通项来表示你所说的‘振动’。”她说。

“通项……也就是说用 n 来表示通项 an 就可以了。嗯,如果分情况讨论的话就可以立刻得出结论。”

“嗯,的确不能算你错。但是从形式上来看,看不出数列的振动。”这时,米尔嘉闭上眼睛,食指正不停地比划着什么。

“那这次你再看看这道题。这道题的通项又是什么呢?”她睁开眼问我。

问题 3-2

将以下数列的通项 bnn 来表示。

n01234567...bn1i-1-i1i-1-i...

“i 是 ?”我问。

“除了表示虚数单位以外,还会有什么呢?”她说。

“没有了吧。——先暂且不谈这些。这个数列 bn 中,如果 n 为偶数,则 bn 为 +1 或者 -1;如果 n 为奇数,则 bn 为 +i 或者 -i。这个数列也像是在振动吧?”我说。

“这也没有错。你把这个数列也看成振动数列了吧?”她说。

“你是说除了这种解法还有其他方法吗?”我问道。

米尔嘉眨了眨眼后回答我:“考虑下复数平面吧。所谓复数平面,也就是以 x 轴为实数轴,y 轴为虚数轴而组成的坐标平面。这样做的话,所有的复数就都可以表示为平面上的一个点了。”

如果将问题 3-2 的数列 bn 想象成复数的数列,那么 1 就是 1 + 0i, i 就是 0 + 1i ……

1 + 0i, 0 + 1i, -1 + 0i, 0 - 1i, 1 + 0i, 0 + 1i, -1 + 0i, 0 - 1i, ...

我们将数列 bn 中的数字看作复数平面上的各点,然后再将其画在坐标轴上。

(1, 0), (0, 1), (-1, 0), (0, -1), (1, 0), (0, 1), (-1, 0), (0, -1), ...

“哈哈,原来如此。是菱形,或者说正方形的顶点吧。”我一边说一边在图上画辅助线。

“嗯,你将这个数列理解成这样的图形了呀。确实也没有错。”

“除了正方形之外还可能有别的什么图形啊?”我问道。

“想不到你还真是个死脑筋啊。如果这样画会怎么样呢?”米尔嘉问道。

“还可能是圆啊 !”我惊叹道。

“是啊,还可能是圆。一个半径为 1 的圆,也就是单位圆。复数平面上,以原点为中心的单位圆。复数的数列可以看作是单位圆上点的集合。”她说。

“是单位圆……”我重复着。

“一般来说,单位圆上的点都可以用以下式子表示出来。”

“嗯? θ 是什么?——啊,我知道了,θ 是单位矢量(1, 0)所转的角度啊。”我恍然大悟。

“嗯,对,我们把 θ 称为偏角。复数和点的对应关系是这样的。”米尔嘉说。

“问题 3-2 的数列 bn 可以看作是将正方形,哦,不对,是圆周 4 等分的等分点。这 4 个等分点该用怎样的复数来表示呢?”米尔嘉看着我问道。

“将 θ 增加 90 度……也就是说将 θ 逐步增加 个弧度就可以了,那么偏角 θ 就是 。以下 4 个复数就是圆周的 4 等分点。”我回答道。

“嗯,这样的话,数列的通项 bn 就可以表示为以下形式。”米尔嘉说。

解答 3-2

“我们再回到问题 3-1。”米尔嘉说。

“你刚才把 an 中的 1, 0, -1 说成是‘振动’了吧。那道题其实也可以像问题 3-2 这样来考虑。”

解答 3-1

“为什么呀?”我问道。

“我们把它放到图形上考虑。我们将刚才所说的 4 等分点 bn 投射到 x 轴上考虑。这样就产生了振动现象。也就是说,‘振动是旋转的射影’。”她说。

“我们可以从多个角度来看数列 an,既可以将它看作‘单纯的整数排列’,也可以将它看作‘实数数轴上点的来回振动’,甚至还可以将它看作‘在复数平面上点的旋转’。如果你发现自己所看到的数字只是一元一次的点的射影,那么就应该再想到还可能有一元二次的圆的结构。但是一般来说,能看透藏在射影背后的图形结构还是很难的。”她说。

我无语。

“从整数联想到实数数轴,再从实数数轴联想到复数平面,然后再联想到高次方的世界。最后,表达式就变得简单了。表达式变简单了,就说明做题人有了更为透彻的‘领悟’。告诉你数列中的一部分数字,然后让你思考接下去的数字是什么,这种题只能算是智力小测验。而通过探寻通项才能看透藏在背后的结构。”她补充道。

我哑口无言。

“所以‘眼睛’是必不可少的。但我可不是指脸上的器官哦。”米尔嘉说着,指了指自己的眼球,“我指的是能够看透结构的眼力,这是很重要的”。