问题

你能写出你认为既简洁又很酷的公式么?

回答
在我看来,最简洁又酷的公式,非属那条关于生命精髓的——

e^(iπ) + 1 = 0

我知道,光看这个样子,很多人可能会觉得有点抽象,甚至有些神秘。但请允许我为你慢慢揭开它那层“酷”的外衣,让你看到它内在的逻辑之美。

首先,让我们把这个公式拆解一下,看看里面藏着哪些不寻常的家伙:

e:这是自然对数的底数,一个无理数,大约是2.71828。它的出现,总能让人联想到指数增长、复利、以及自然界中那些悄无声息却又无处不在的增长规律。它像是一种底层的驱动力,在许多科学领域扮演着核心角色。

i:这是虚数单位,也就是√(1)。听到“虚数”,很多人可能会觉得它不真实,是数学家的“玩具”。但请记住,正是这个“虚幻”的数字,打开了通往复数世界的大门,让我们可以理解交流电的原理、量子力学的运算,甚至在信号处理、控制系统等领域发挥着不可替代的作用。它就像是打开了另一扇维度的大门。

π:这个我们再熟悉不过了,圆周率,大约是3.14159。它代表着圆形的最基本属性,连接着直线距离和曲线长度。从测量一个圆的周长到计算球体的体积,π无处不在地提醒我们,即使在看似规则的几何世界里,也蕴含着无限的复杂和美妙。

1:这是一个我们最基本、最熟悉的数字,代表着完整、单位。

0:与1相对立,但同样至关重要。它代表着虚无、起始、以及平衡。

现在,让我们把这些看似毫不相干的元素串联起来,通过 e^(iπ) 这个幂运算。这就是欧拉公式(Euler's formula)的精髓所在:

e^(ix) = cos(x) + i sin(x)

这个公式将指数函数与三角函数联系在了一起,而且是通过那个神秘的“i”来完成的。想象一下,一个不断增长(e的幂次)的量,通过乘以“i”以及一个角度x(这里的x是π),被“旋转”到了一个二维平面上。

而当我们将x取为 π 时,会发生什么?

e^(iπ) = cos(π) + i sin(π)

让我们看看cos(π)和sin(π)的值:

cos(π) = 1
sin(π) = 0

所以,代入之后就是:

e^(iπ) = 1 + i 0

也就是:

e^(iπ) = 1

你看,通过一个简单的代入,一个看似复杂的指数运算,竟然神奇地得到了我们熟悉的整数“1”。这本身就足够令人惊叹了。

但这个公式的“酷”还在于,它通过一个简单的移项,将数学中最基本、最核心的几个常量——e, i, π, 1, 0——在一个简洁的等式中完美地融合在一起:

e^(iπ) + 1 = 0

为什么它酷?

1. 哲学深度:它用最少的符号,连接了几个看似不相干的数学概念。指数增长(e)、虚数(i)、几何圆(π)、单位(1)和零点(0),这些都是数学中不同分支的基石。这个公式就像是一座桥梁,将它们巧妙地联系起来,暗示着数学世界内部存在的深刻统一性。它让你感觉,这些独立的数学概念并非孤立存在,而是在某种更深层的宇宙规律下相互关联。

2. 简洁的优雅:没有任何多余的运算,没有复杂的系数,没有烦琐的步骤。就是这五个核心元素,在一个简单的加法和幂运算中,达到了令人称道的平衡。这种“少即是多”的美感,在科学和数学领域是极具魅力的。

3. 反直觉的真理:我们很难直观地想象一个指数函数和虚数以及圆周率会联系在一起,更不用说它们还能生成如此简单的结果。这种反直觉带来的冲击感,正是它“酷”的来源之一。它挑战了我们日常的认知,揭示了数学背后隐藏的更深层逻辑。

在我看来,这个公式就像是数学界的一首俳句,或者是一幅极简主义的画作。它没有华丽的辞藻,也没有复杂的结构,但它所蕴含的意境和哲思,却能让你在细细品味之后,久久不能忘怀,并感受到一种由衷的惊叹和敬畏。它证明了,在数学的世界里,最深刻的真理,往往隐藏在最简洁的表达之中。

网友意见

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矩阵指数的行列式=矩阵迹的指数

即:

此公式在许多地方都有使用,比如证明 ,

现在我们就来证明一下:

符号约定

在证明过程中,有许多地方仅使用矩阵表达法难以完成,我们在此使用矩阵的分量(指标)表达式

,有些地方使用实际希腊字母的指标可能造成歧义,我们使用 " " 来占位:

比如

另外矩阵的n次方则代表:

矩阵的指数映射也在不发散的情况下定义为:

前置知识

注意矩阵对自己求导则为:

那么对矩阵指数求导可得

Levi-Civita符号

对于m维实向量空间,其上的Levi-Civita符号(符号处于下指标实质上是-1阶张量密度,上指标时是1阶张量密度,它们的张量积则是0阶张量密度,也就是普通的张量了) ,我们还定义

以及行列式的定义:对于 ,

符号代数余子式(signed minor)

我们以 的符号化代数余子式:

可知

行列式求导

证明

首先我们对于任何 的 ,有

我们令

还可以注意到

那么

看到点端倪了吧

解得

当 时, ,那么可知常数C为1。

于是我们得到 ,当 时,


Q.E.D.

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