神奇的乘法(二)

乘法的种类已经多到计数困难了。

第六种乘法

难产的乘法:复数的乘法

因为复数出生的时候,难产,所以,这种乘法难产。

复数的出生,是因为解三次方程,为了方便起见,人们先假设任何数都可以开平方,包括负数。

于是,出现了“负一的平方根”这样的数,最早,只是假设有,通过一系列复杂的运算,又可以没有。像幽灵一样神秘,于是命名为“虚数”。

虚数的单位就是“负一的平方根”,那么负四的平方根之一就是两个虚数单位,负九的平方根之一就是三个虚数单位,类推。

虽然虚数很难产,但它是最适合乘法的。因为虚数单位是这样规定的,假如存在一个数字,自己乘以自己,结果为负一,那么,这个数就是虚数单位。人们刚开始就大方的把它成这样:


后来,就只用一个字母 i 来表示。
于是,有了这样一种乘法:



或者写成


这种乘法,最早只有这样一个式子。因为这个数字是想象出来的,所以用 image 的第一个字母表示。

很长时间里,人们不知道,这到底意味着什么。直到有一天,有一位测绘专家指出,乘以复数,表示方向的改变。

前面提到,添加负号,可以表示改变方向,把向东和向西变来变去。添加负号的本质是乘以负一。从向东改成向西,改变了180度。

而乘以i仅仅改变90度,把向东的变成向北的,向北的变成向西的,向西的变成向南的,向南的变成向东的。就这样,转着圈。

乘以i,则旋转90度

上图,点A对应的复数是(4+3i),把这个数乘以i,结果就是(4i-3),或者写成(-3+4i)。因此,向量OA对应的复数乘以i,
得到的复数,对应向量OB,OB就是OA逆时针转过90度的结果。这个结论,是人类研究了将近100年才得到的。

最早的加减乘除,可以在一条线上跳越前进;
有了i,就可以自由的在整个平面上跳跃了。

5 + 6i 就表示 先向东走 5步,再向北走 6步。
也可表示,从起点到终点,直接画一个箭头,既有长度,也有方向。

复数 z1 乘以复数 z2,表示把z1对应的箭头按z2 的指示,拉长(或缩短),再旋转。
或者z1指示z2,运算的结果是一样的。
也就是说:复数的乘法满足交换律。

复数发展过程中,诞生了一种叫做“向量”的东西,就是那根箭头。有长度,并且有方向。

由于虚数的神秘特征,介绍虚数以及复数的读物和文章很多,这里不展开。

第七种乘法:向量的叉乘

这种乘法,早已有之。只是,最早没有这样称呼。阿基米德研究过。就是杠杆的原理。

人在用手压直的杠杆的时候,用力的方向必然尽量垂直于杠杆。对于一个翘翘板,顺着平行于板子的方向推和拉是不起任何作用的,垂直于板子的力量才有效果。

用翘翘板的长度和人的重量,做一个矩形,这个矩形面积越大,就越能压动翘翘板。这个矩形就是力矩。

在其它的杠杆上,如果力用的有点斜,那么,做的图形就会是个平行四边形。平行四边形也没有关系,它的面积依然是力矩。

很明显,四边长度固定,矩形面积会比平行四边形大。

矩形是一种特殊的平行四边形。

力矩的大小是一个面积值。在规定单位长度以后,面积值总能化成长度值。于是,规定一边长为1,力矩就可以用另一边的长度来表示了。于是,力矩的大小也可以用一个线段的长度来表示。

杠杆有方向,力有方向,于是,力矩也有方向。

力量的方向可以理解,在翘翘板是向下。两边的人都向下。向地面上。

杠杆为什么有方向呢?因为从支点向力的作用点,一个是向东,一个是向西。

那么力矩是朝向那边的呢?力矩是朝向南北的。坐在东边的人,力矩方向超北。坐在西边的人,力矩方向朝南。

力矩的方向为何如此奇特呢?我见过很多高深的解释,什么角速度之类的都来了。其实不必。你只需要观察拧螺丝就知道了,拧螺丝的时候,使用的是杠杆,但力都发在了中央,螺丝钻入的方向,就是力矩的方向。如果你反方向拧,螺丝会退出,那么,退出的方向就是力矩的方向。

(反向的螺纹日常生活中很少见到,只出现在专业的领域。)

拧瓶盖也是,力矩的方向就是瓶盖运动的方向。不需要用右手法则慢慢比划。

因此,力矩既垂直于力,也垂直于力臂,是另一个平面上的向量。

所以,涉及到这种向量的叉乘,结果必然是在三维空间中完成的。

如果力和力臂垂直,直接用 LF 就可以计算。如果不垂直,就用 LFsin(a)。垂直的时候,角度正弦就是1。

所以,平面上,两个向量叉乘的结果还是一个向量,方向垂直于平面,大小是两向量大小的乘积,然后打折,折扣是夹角的正弦。

由于叉乘的方向已经规定了。所以,在不同的坐标系中,可以表现为不同的符号,右手系和左手系正好相反。

表示叉乘的符号,依然用小学最先接触的叉。


第八种乘法:向量的点乘

物理学中的点乘

这种乘法,早已有之。只是,最早没有这样称呼。牛顿研究过,就是做功的原理。

人在推动一个东西的时候,例如推汽车,用力的方向必然尽量与物体运动方向一致。

在推动小木块做功的时候,计算的方法是


点乘的物理意义
点乘的物理意义

功只有大小,没有方向。就算做无用功,也会耗费人体内的能量。

点乘也只有大小,没有方向。因此叫“标量”。

与计算叉乘方法类似,只是换成了余弦。

而这个点乘,表现在数学坐标系上,非常容易记忆和计算。
平面上O是坐标原点,有两个点 A(x1,y1)和 B(x2,y2),对应两个向量,OA和OB。这两个向量点乘,结果就是
x1x2+y1y2。是一个数值。

物理上的理解就是,横向的力对横向的位移做功,纵向的力对纵向的位移做功,最后,把所有功加起来就是总功。

点乘是最重要的乘法。也叫做“内积”。不管多少维的向量,只要把对应的维度乘起来,然后相加就可以了。

代数中的点乘

点乘的代数定义
点乘的代数定义

点乘,在几何上的表现就是,一个向量a在向量b上的投影长度,乘以向量b。

满足交换律。

几何中的点乘

点乘的几何定义
点乘的几何定义

实际上,b*cos(theta)就是b在a上的投影,投影的写法可以是这样的:


b在a上的投影
b在a上的投影

这样定义以后,点乘可以写作:


点乘的另一种表示
点乘的另一种表示

而a在b上的投影,另一种写法是:


点乘对侧单位向量
点乘对侧单位向量

单位向量,就是单位1的意思,向量的大小是通过与之比例来度量的。

帽子表示单位向量
帽子表示单位向量

生活中的点乘

点乘,在生活中是最常见的。举例:
买早餐,茶叶蛋每个1.5元,每个花卷0.8元,每份豆浆2元,每根油条1元,列个表,就是这样的



假如买了4个茶叶蛋,5个花卷,3份豆浆,2根油条,列个表就是这样的


这样两个表,求总共花多少钱,用的算法就是点乘法。

附:一些两位数乘法小技巧

两位数乘以两位数,有一类很特别,那就是同时满足下面两个条件的时候,可以速算:
条件一:这两个数十位上的数相同
条件二:这两个数个位上的数字互补(加起来为10)

速算的时候,用大九九口诀,也就是说,“一一得一”必须念成“一一零一”,“二三得六”念成“二三零六”。这样,一位数乘以一位数,结果肯定是两位。

上面那种情况,结果前两位的算法是a(a+1),后两位的算法是直接相乘。举例来说:

27×23
十位都是2,满足条件一;
个位7+3为10,满足条件二。
计算结果:
前两位2×(2+1)=23=06
后两位结果为7
3 =21
最终结果0621

71×79
满足两个条件
前两位7×(7+1)=56
后两位1×9=09
最终结果5609

为何写在这里呢?因为,这种算法看上去就像用(7 1)点乘(8 9)。

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