怎樣實現對梯度散度和旋度的理解,抽象出“靜電磁場”

作者:yyl_new

當x趨近於0,x最終還不是0的那個值是1/i,再小於這個值是1/(i+1/i),這不是lim運算的定義,但是這是“x可以到達的極限”的定義。

按照導數的定義來講,也就是使用lim運算求極限這種方式,應當得到的是一個“不能達到的值”。因為這是在x的變化量趨近於卻不能,也不應該等於0的前提下匯出的一種度量結果,應當用平均數不是任意樣本值的方式來理解。也就是說,引入lim運算之後,整個式子的意義都變了。而且這種做法是無法還原的。也就是說,一旦引入lim運算,就進入了“你應當知道並記得,這一切都是對現實的抽象理解,而不是現實本身”。

怎樣實現對梯度散度和旋度的理解,抽象出“靜電磁場”

這個說法還有一個依據:x的變化量不能等於0,而在運算過程中,一定有一個步驟讓x變化量的lim運算結果等於0,

如果lim確實影響x的變化量,那就出現只有一個點的切線問題。只有一個點,做不了直線,更談不上切線。就算是圓的切線,實際上也是三個點作用的結果。

“你應當知道並記得,這一切都是對現實的抽象理解,而不是現實本身”,在所有用到導數(本質是求極限)的地方

都得牢記。如果忘記呢?如果給你一個2x,卻不告訴你它的由來是y=x^2的導數呢?

會出現什麼問題?會出現的就是你會把那個“絕對不會存在”的情況當成真實的情況。y=x^2的導數,既然已經被定義為lim運算的結果,那就沒有別的可說的了。可是若要照顧不知道,或者根本沒法知道這個結果的含義是“絕對不會存在”的使用者,那麼就不應當定義這種運算方式。因為現實的情況,也就是不用lim運算子的情況下,尾巴上的無窮小不可捨棄。lim運算子雖然必然捨棄的做法在自己的圈子裡面總是對的,但一旦拿到外面,就總是錯的。

怎樣實現對梯度散度和旋度的理解,抽象出“靜電磁場”

這就好像是在說,“我知道我是在說謊,我說的那個東西做不到”,但是你若不說明,別人會在預設的前提下認為你說的是真話,你說的那個是能做到的事情。

同樣的問題,也出現在場論的數學表述上面:比如要用到的梯度,散度,旋度。梯度可以認為是導數在三維以及以上高維情況下的擴充套件。它也是一個極限。

但是被導數那種“在某點上”的概念引導,你會認為梯度也是一個“在某點”存在的概念。但是還是那句話,一個點無法確定一條直線(可以確定任意多條不同方向的直線),所以根本就做不到“在某點”,只能是“非常接近的兩點”。

那麼這個差別造成了什麼影響呢?梯度是把標量場升級為向量場的一種運算。如果你認為真的可以“在某點”,那麼你就可以認為一點就能畫向量。在平面直角座標系,要畫向量的話,你得選擇一個起點和一個終點,通常選擇原點為起點,另一個座標值為終點。這看上去就好像向量只有一個點就夠了。但是在向量場中,由於各處方向不一樣,

必須是在那個位置附近的兩點才能構成向量。不能預設讓一個點是原點,因為實際上這種情況處處都是區域性的原點。

怎樣實現對梯度散度和旋度的理解,抽象出“靜電磁場”

而如果習慣用lim運算,習慣使用那個做不到的,卻忘了它是做不到的,你就會認為一個點就可以做向量了,所以才經常說,“某點的方向”。

雖然明明知道,梯度將標量場抽象到向量場,並且得到了nabla運算元,而且所有的計算都是對的,

但是,在後來,應用向量場的時候,應用散度和旋度的時候,假想的,卻被認為是現實的,一個點上具有方向

(注:一個點上沒有方向,兩個點才能定義方向,一個點定義方向叫極限,但那就已經意味著它像平均數一樣,

不再具有還原到真實狀況的能力了)的這種認識,就會讓人把下面作為基礎的標量場整個都視而不見。

以電磁學而論:電場有散無旋,磁場有旋無散。而一個運動的電子,它同時具有電場和磁場,怎麼理解?

給你公式放在那,沒人能看出任何東西來。因為問題不在這,問題在於向量場到底是怎麼來的。

最後只能去挖掘它們公共的東西,也就是nabla運算元,才有可能找到二者為什麼不能共存,又為什麼必須共存的原因:而這個原因就在於,兩種向量場,都是同一種標量場,在不同角度上的理解。

意識到這一點,才能抽象出“靜電磁場”這種標量場來。

怎樣實現對梯度散度和旋度的理解,抽象出“靜電磁場”

這樣不是很好嗎?當然好了。可是你知道嗎,由於把兩點當成一點的做法不被察覺,你就很難發現後面公共的東西,因為你不會這麼想。但如果你回到極限,迴歸到導數,發現導數說的是“必然沒法實現的”,而不是“必然能夠實現的”,那麼這些問題才能被理解。可是,誰又會想到迴歸導數去找這個問題的根源?

我也不會!並不是說我寫了這些,就意味著我是這麼做的。現實的情況是,我沒法實現對梯度散度和旋度的理解,好幾年都理解不了,拿著公式算誰都會,但不知道自己算的是什麼東西,誰能幫忙解決?

麥克斯韋引入旋度,用方程組重寫了電磁學規律,用旋度的旋度這種演算法匯出了電磁波的微分方程。

那麼,旋度的旋度是什麼意思?一次旋度我都不懂,旋度再旋度,我怎麼能懂?

怎樣實現對梯度散度和旋度的理解,抽象出“靜電磁場”

在這個基礎上你再回來看最初的問題:如果給你一個詞,它叫“極限”或者“極限運算”,你會把它定義成,“能實現的”還是“不能實現的”?稍微有一點良心,你都不會故意把它定義為“不能實現”的(x的變化量最終等於0是不能實現的,0不能做變化率的分母,變化率都沒有了,它還有可以什麼進一步計算的理由?)。

但是,在不能認識到觀察者自身有限性的那個年代,在複數和微積分不通的背景之下,你要做這件事,就只能定義“不能實現的”。所以這個侷限性導致的必然性沒法避免。可是這一點又沒有被明確標出。當然,沒人意識到的東西也沒人會去標出。

這不就是“如果世界上沒有別人的話,最美的就是自己”的一個現實寫照麼:沒有參照物,能實現的和不能實現的,沒法分辨。