Monday, December 24, 2012

矢量叉乘的意义 果把两个矢量A,B定义的平面看作已经很好测度的空间,那么A╳B定义的矢量就会超出原来的维度。找出一个垂直于这两个矢量的新的维度

和雪鹰J探讨矢量叉乘的意义



我们知道两个矢量的叉乘A×B可以得到另一个矢量。实际上这个叉乘的定义是从现实中总结出来的,不是无缘无故冒出来的。叉乘又叫外积,我想叉乘和积分的计算是分不开的,比如一个二从积分∬f(x,y)dxdy,我们知道,dxdy就是一个微面积,这个微面积不是dxdy的简单乘积,而是一个外积,即应该是dx∧dy,为什么这么说呢?这还得从重积分的换元说起,如果二重积分中dxdy是简单的乘积,那么将坐标换成极坐标时,我们有:

x=rcosθ ,y=rsinθ 那么

dx=cosθdr-rsinθdθ,dy=sinθdr+rcosθdθ 则

dxdy=(cosθdr-rsinθdθ)(sinθdr+rcosθdθ)=cosθsinθdr²+r(cosθ²-sinθ²)drdθ-r²sinθcosθdθ²

但是正确的结果应该是dxdy=rdrdθ, 所以上面的结果显然是不正确的。

所以要另外定义一种乘积,应该把dx,dy看作是矢量,这个乘积dxdy应该是微面积,是矢量dx与dy所组成的面积,我们定义这样的乘积为dx∧dy同样,dr与dθ与应该是矢量,那么显然dr∧dr=0,dθ∧dθ=0,则有:

dx∧dy=(cosθdr-rsinθdθ)∧(sinθdr+rcosθdθ)

=cosθsinθdr∧dr+rcosθ²dr∧dθ-sinθ²dθ∧dr-r²sinθcosθdθ∧dθ

=rcosθ²dr∧dθ-rsinθ²dθ∧dr

显然,如果这里定义dr∧dθ=-dθ∧dr,则上式即可化为r(cosθ²+sinθ²)dr∧dθ=rdrd∧dθ简单写为rdrdθ。所以dr∧dθ=-dθ∧dr这样的定义,就是要求有右手或左手的螺旋法则了。

  • 1楼
  • 2010-03-01 20:00
另外,再从力学的角度来分析,如下图:

一根杆子,受到一个力矩的作用,如果用牛顿力学来看,由于两个力大小相等,方向相反,应该相互抵消,就整个杆子来看,应该是静止不动,但事实上,它在旋转,这个时候,牛顿定律不足以从整体上去描述刚体的运动了。刚体毕竟是刚体,它有很好的整体性质,何必要将其分解,然后单独考虑这这两个力来研究其旋转呢?人们终于找到了力矩和转动惯量之间的关系。和牛二定律的数学形式一模一样,可以用来描直接描述整个刚体的转动规律。而我们知道牛二定律中的公式F=ma=dp/dt中,F,a,p是矢量,那么转动公式M=dL/dt中,M,L是否也是矢量呢?转动加速度也是否是矢量呢?人们自然想到,即然将杆子分解,用牛二定律来做,能得出结论,牛二定律中的F,a,P与M,L应该有对应关系,则M,L应该是矢量。这个矢量的方向如何?人们就自然想到旋转的这种矢量箭头是垂直于这个纸面的。也就是垂直于力矢量本身和力臂这个矢量所在的平面突出纸面来了。这样逆时针就是垂直于纸面向外,而顺时针就是垂直纸面向下。进一步,我们还可以定义这两个矢量的大小。这就有了力和力臂两个矢量叉乘的定义。

这个矢量叉乘运算和旋转的哲学上的涵义。在这里,我们看到如果把两个矢量A,B定义的平面看作已经很好测度的空间,那么A╳B定义的矢量就会超出原来的维度。找出一个垂直于这两个矢量的新的维度。

推广来看,这种运算本身揭示了一种很奇特的具有哲学含义的东西。它就是我们怎么能够凭空的在普通的空间中创造出一个纬度出来,那就是利用旋转。广义来看,你让矢量A绕着B旋转就能凭空创造一个新的位于新维度空间中的矢量A╳B。进一步,自然界存在着很多奇特的旋转现象,比如电子的自旋,还包括我们关注的周期运动,它们都可以看作是一种广义的转动。而这种广义的转动就对应了新的维度。好玩的是,转动这件事儿在复数里面也有很多论述。这就是虚数起到了一种旋转的作用。所以从广义看,这些东西就都联系到了一起。

以上论述参考了网上的一些文章。
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  • 2楼
  • 2010-03-01 20:33
  • 圣堂武士
  • 雪鹰J
  • 理论亭侯
    7
大力支持
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  • 3楼
  • 2010-03-01 21:17
支持楼主,介绍的很详细
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  • 4楼
  • 2010-03-01 21:21
  • 圣堂武士
  • 雪鹰J
  • 理论亭侯
    7
关键是找出它的源头,也就是叉乘(螺旋定则)的出处
是证明来的,还是定义来的
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  • 5楼
  • 2010-03-01 21:23
  • 圣堂武士
  • 雪鹰J
  • 理论亭侯
    7
至少可以看到,宇宙到处都是旋转,因此,到处都是“螺旋定则”
大到宇宙苍穹,小至电子光子,陀螺更是跑不脱

这个东西简直太重要了
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  • 6楼
  • 2010-03-01 21:25
  • 圣堂武士
  • 雪鹰J
  • 理论亭侯
    7
到处都是“螺旋定则”~
到处都要用“螺旋定则”
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  • 7楼
  • 2010-03-01 21:27
  • 圣堂武士
  • 雪鹰J
  • 理论亭侯
    7
59.33.176.* 6楼

再请教:为何"其方向由右手螺旋定则确定",它是否具有普遍性(整个宇宙)?
------伍

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fishwoodok
7楼

它是数学上的定义,是否能够推而广之,要视具体情况而定。

2007-7-6 11:35 回复
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  • 8楼
  • 2010-03-01 21:38
  • 圣堂武士
  • 雪鹰J
  • 理论亭侯
    7
这个现象就遵循矢量叉乘规则
角动量定理
又称动量矩定理
质点系对一点(或一轴)的角动量对时间的导数等于外力系对此点(或此轴)的主矩
dL/dt=M
其中角动量L方向(螺旋定则)
力矩M方向(矢量叉乘法则=螺旋定则)
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  • 9楼
  • 2010-03-01 22:07
  • 圣堂武士
  • 雪鹰J
  • 理论亭侯
    7
实际上这个叉乘的定义是从现实中总结出来的,不是无缘无故冒出来的
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任何从现实中总结出来的规律,都只能“描述”而不能“解释”客观现象,且不可证明,不知lwx129以为然否

比如
1苹果+1苹果=2个苹果
总结出1+1=2
这是一条铁规,但是1+1=2这个数学规律并不能解释为什么“1苹果+1苹果=2个苹果”
问这个问题被认为是无理的

通过客观现实及逻辑演绎,牛顿得到f=ma,但是牛顿并不管为什么会如此,同样问“为什么f=ma”也是无理的

通过观察日月星辰的运行,托勒密总结出严密的均轮本轮体系,并抽象为数学语言,可以精确地反映或描述日月星辰的运行,但是如果问“为什么太阳会那样运动”,托勒密会说“我的太阳本轮就是这样”,如果再问本轮为什么这样,同样会被斥为无理

通过现实的客观现象,人们总结出“矢量叉乘规则”,他可以忠实地反映描述客观现象,但是他与现象是等价的,所以也不能解释“为什么”会有这类现象,这等于要他解释其自身

因此,我们似乎得到一个结论:从现实中来的规律,不能理论证明,并且不能返回去解释现实,也就是只能描述“是这样”,不能解释“为什么会这样”
如果要他解释与自己等价的客观现象,相当于让他揪着头发提起自己

很不成熟~
lwx129的看法呢?
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  • 10楼
  • 2010-03-02 08:52
雪鹰J先生 :你10楼提的问题,就已经回到了本人研究的范围:理论,不是什么都能解决的。

理论的任务,其实,就是描述而已。

都符合,就是理论的目标。为什么符合,就已经超过理论回答的范畴了。


还说白点:我们理论的最终目标:看,都是这样的!
如果我们试图:为什么都是这样的,那么,必定陷于无限论证或者循环论证中而荒谬。

所以,我特别N次强调:理论本质与理论规范和理论规则。不想没有人注意而已!
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  • 11楼
  • 2010-03-02 10:29
  • 圣堂武士
  • 雪鹰J
  • 理论亭侯
    7
呵呵,山清网友,何止你在研究,此研究范围古已有之,似乎名为“穷追究竟法”,由于经常追来追去追到上帝身上,被归入哲学范畴,因此被近代科学弃用

自伽利略开创进到科学以来,人们就致力于说清楚“是什么”而不再说“为什么”,以陀螺进动为例,科学会说“我说陀螺不会倒,你看他就真没倒吧,我说错了吗?”
并且总结出“螺旋定则、矢量叉乘、伪矢量”等等一系列概念组成数学方程来描述和预言进动现象
物理学的任务就到此为止

至于还要追“为什么”,不是被斥为无理就被归入哲学,所以,追问“为什么”的人几乎都被认为是异类

追问“为什么”也是有阶段的,“为什么”这个东西就像剥洋葱一样,剥去一层还有一层,无穷无尽。
所以必须找到一个落脚点,剥到这里就不能再剥了
我的落脚点是“外力是改变物体运动状态的原因”,我剥到这里就停止
至于你还要剥下去,那就真的进入了哲学而很难再说是物理学
所以你到处受敌
当然我也好不到哪儿去~
尽管我的思路得到了楼主以及几位网友的支持和肯定

追根寻源是具有智慧的人类与生俱来的本性,目前还是有很多人在做这个工作,不论任何领域,都有人在穷追不舍,应该说这也是科学发展的动力
楼主发这个帖子,也是意在追查“矢量叉乘”的起源,不是拿过来就用,这非常值得赞赏
在哲学中,这是“形而下”和“形而上”的区别,是本质的区别
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  • 12楼
  • 2010-03-02 12:32
转动和平动,都是动。
推论或者推理循序为:物体,运动,转动平动和它们之间的关系,再发展,就是相对运动了。

这是一个必须遵守的论述循序。只要把物体读懂了,什么都解决
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  • 13楼
  • 2010-03-02 15:56
13楼只说明一个问题:牛顿F=MA,只能简单描述,不能彻底解决!

当然,如果你能在前辈们基础上更简单,准确的描述,您就公德无限了
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  • 14楼
  • 2010-03-02 16:03
  • 圣堂武士
  • 雪鹰J
  • 理论亭侯
    7
物理学是以解决实际问题为目的,这无可厚非,只要抓住耗子就是好猫,只要能解释客观现象就是好理论
对客观现象束手无策的理论,必然被归入哲学或玄学,这是没办法的事情,事实如此,谁也无力回天

任何理论,总要拿出一两样事实依据来证明自己归属于“物理学”范畴,山清网友似乎也有一套全宇宙通吃的大一统理论,不妨列举一下该理论预言或解释了什么客观现象
只有脚踏实地,才能步步为营

比如,我签名中的陀螺(这个问题你也早就见过),一端悬空就是不掉,道理何在?
不用你看不上眼的那些东西,能否就用你的大一统理论讲讲他的道理?
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  • 15楼
  • 2010-03-02 17:11
J兄:
叉乘是一个定义,就如同1+1=2也是一个定义,这个定义是从大量的事实中总结出来的,1+1=2实际上是物质守恒律的表现,即,物质即不会无缘无故创生,也不会无缘无故消亡。假如我们生活在一个物质不守恒的世界,两个物体加在一起会产生出另一个物体,那么我们也可以定义1+1=3
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  • 16楼
  • 2010-03-02 17:32
  • 圣堂武士
  • 雪鹰J
  • 理论亭侯
    7
呵呵,只有符合事实的定义才有意义,现在的1+1=2刚好,就像矢量叉乘的定义一样,刚好能够反映刚体定点运动(陀螺进动),所以他是一个符合事实的具有重要实用价值的定义,这毫无疑问

如果能用f=ma直接推理陀螺进动,是不是就可以说绕开“叉乘”了?
画了一张草图,请129确认一下,看他们的关系是否正确
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  • 17楼
  • 2010-03-02 17:49
螺旋定则是建立坐标系的一个规定,F=ma这个公式也必须在坐标系中进行定量计算,F=ma是物理定律,而螺旋定则是数学定义
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  • 18楼
  • 2010-03-02 18:01

比如,我签名中的陀螺(这个问题你也早就见过),一端悬空就是不掉,道理何在?
不用你看不上眼的那些东西,能否就用你的大一统理论讲讲他的道理?
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说实话:早在两年前,我已经何以很简单的讲这个道理了。因为是基础方面问题,无法进行数学描述,所以,没有人当回事,都讥笑是哲学问题。

具体的,你说:我能否拿出现实具有“实验”效果的东西?多的是,一样被当成哲学,除了讥笑还是讥笑;
1,我能理论定义或者推导出电磁场,能实验检验出电磁场吗?
2,我能理论预言质量的定义,与谱郎克假设一样,实验检验了吗?
3,我能理论预言电子和中微子,实验检验到了吗/
4,我能理论证明量子定律甚至惯性定律,实验检验了吗?


我只要一点点:任意物质都占领整个时空(物质不灭和场的范围无限),就凭这点,只要稍微有点思维的人都会吓一跳,这直接证明所有传统力学定律。

虽然,我不能完全用数学公式进行描述,问题是;这是基础,就好比惯性定律一样,不必用数学描述一样。


总之,基础比推论更重要
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  • 19楼
  • 2010-03-02 19:02
矢量差乘,实际上就是一个物体的两个及以上不同自由度内作用效果的叠加
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  • 20楼
  • 2010-03-02 19:13
  • 场源
  • 厉风
  • 理论县公
    11
矢量差乘,实际上就是一个物体的两个及以上不同自由度内作用效果的叠加
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是吗?
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  • 21楼
  • 2010-03-02 20:48
  • 场源
  • 厉风
  • 理论县公
    11
主流科学解释陀螺不倒靠的是角动量,不是什么叉乘。叉乘的右手定则本来也可以规定为左手定则,也可以使用不垂直关系,只不过表述方式会有变化。

右手定则只是一个最简化的规定而已。是人为规定,规定不需要证明,说他是什么就是什么。这里的原理实际上是角动量。右手定则不是原理,只是为了描述原理进行的一种规定。
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  • 22楼
  • 2010-03-02 20:59
  • 圣堂武士
  • 雪鹰J
  • 理论亭侯
    7
回复:18楼
F=ma是物理定律,而螺旋定则是数学定义
-------------------

我管不了那么多,我只是问如果能从F=ma推理出陀螺进动现象,是不是就可以认为绕开了“叉乘”(或者说不用叉乘也可以解决进动问题)
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  • 23楼
  • 2010-03-02 23:27
  • 圣堂武士
  • 雪鹰J
  • 理论亭侯
    7
回复:19楼
说实话:早在两年前,我已经何以很简单的讲这个道理了。
---------------

不用数学,你只讲道理就可以
别人不听,我听!
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  • 24楼
  • 2010-03-02 23:29
  • 圣堂武士
  • 雪鹰J
  • 理论亭侯
    7
回复:20楼
欢迎光临寒舍~

我们不管“矢量叉乘”是什么,至少目前除了他还不能解释陀螺进动现象

然后就是,除了“矢量叉乘”,您还有其他办法吗?
解释陀螺的进动
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  • 25楼
  • 2010-03-02 23:35
  • 圣堂武士
  • 雪鹰J
  • 理论亭侯
    7
呵呵,勿笑,这个“寒舍”不是我的,是lwx129的
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  • 26楼
  • 2010-03-02 23:59
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  • 27楼
  • 2010-03-03 09:19
  • 圣堂武士
  • 雪鹰J
  • 理论亭侯
    7
这样吧,山清网友,先说说教科书的解释

对于陀螺的进动,教科书如是说:
重力矩M=r×mg …… (矢径 叉乘 重力)

因为:重力矩M沿水平方向
根据角动量定理dL=Mdt,角动量也在水平方向变化
所以:陀螺水平进动而不倒



其中的“叉乘”正如楼主此贴所说,是来自对客观现实的总结,在数学上直接定义的一种规则

山清网友认为以上解释如何?
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  • 28楼
  • 2010-03-03 09:33
雪鹰J先生:上图描述的是一个真空中运动的光子(或者电磁波量子)模型图。
1,电磁场,是客观存在。有组成或者分量。弱场组成强场。
2,分量场之间,会因同性排斥而变化范围(扩散)。
3,电磁场是整体,电场扩散会造成磁场聚合。
4,由于电磁场,有特殊的空间结构,电磁场转化N次,总物质量不变,只改变位置。

5,电磁场,都占领整个空间。但,有一个核心。
6,我们只能测量核心,因此,习惯当成单位粒子。
7,单位与单位之间,有作用,这种作用,具有类似波动性质,被习惯叫波。
8,它没有经典体积,没有经典连续轨迹。

9,其实,基本粒子也是这样的电磁场,仅仅空间结构不同而已。



以上,在本人公理化体系里,全部是推论!或者理论寓言。给你讲的核心:为什么运动?
:电磁转化,因空间结构,造成:每次转化,空间位置发生变化,这就是运动的本质。


我们研究基本粒子的运动问题,仅仅复杂了些,它一样,电磁转化,一样有空间结构决定。
所以,粒子是否运动,是粒子自己的事情。


所谓传统外力作用,本质,就是粒子与粒子之间的分量场之间的相互电磁作用而已,符合同性排斥异性抵消而已。




阁下如果有感觉,以你的描述水平,估计,能将光子运动本质几何化描述。本人没有这个水平。
当然,基本粒子复杂了些,估计,数学有这个能力而人类没有这个复杂性思维!
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  • 29楼
  • 2010-03-03 09:38
  • 圣堂武士
  • 雪鹰J
  • 理论亭侯
    7
回复:29楼
呵呵,难怪你的理论会被斥为哲学,这种看不见摸不着全凭想象的东西,真的和物理学很难挂上钩
也许你说的不错,但是那不是物理学
除非有一天你真的拿出证据,证明所谓的光子确实像你说的那样运动

实在不好意思,我对那些不能与现实挂钩(或者不能由事实检验)、完全凭想象构造出的图像,实在是没什么感觉
我只是感觉这东西怎么说都行,还可以说光子像一条蛇一样蜿蜒前进,或者螺旋前进,或者根本就不前进,反正不能证实,亦不能证伪
所以争论一百年也没有结果,再过一百年还是这样

我感兴趣的还是陀螺进动,这东西看得见摸得着,就在眼前手边,容不得乱说

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