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訊號中的虛部的物理意義是什麽?

2019-12-08知識

這是個典型的很容易混淆的問題,我也曾經被弄糊塗過;雖然說起來簡單,實際上沒有大家認為的那麽簡單,所以這兒認真解釋下。

首先是結論: 對自然界實際的物理量和訊號,都不存在虛數一說;用虛數是為了數學處理方便。

再解釋原因和處理過程:

數學上e^{jx}=\cos x+j\sin x ;但實際物理中用到 e^{jx} 的地方,實際上 都是指的實部、都是指實部、都是指實部 ;重要的資訊說三遍。

之所以可以這麽做,是因為虛數相等的話,只能是實部和虛部份別相等;這樣進行數學處理,然後最後取實部,不會影響到最終的結果。

為什麽要這麽做呢?是因為 e^{x} 是個神奇的存在, 這是唯一的任意次導數還是它本身的函式 ,這給很多工程問題的處理帶來方便。並且這個函式還有很多神奇之處、比如大家經常津津樂道的 e^{j\pi}=-1 ,把數學上這四個神一樣的符號串起來等,詳細說起來能寫一本書。

就是說數學上看到e^{jx} ,我們指的是\cos x+j\sin x ;而物理上看到e^{jx} ,我們指的是\cos x ,這是大家容易混淆的主要地方。

有很多人說虛數代表相位、也有人說虛數代表損耗,這又是咋回事呢?

先說為啥對應著相位:其實從物理上看到e^{jx} ,指的是\cos x ,就能比較清楚的看出來,這兒的 x 實際上是代表著相位。為了更清楚起見,我們以無耗傳輸線為例:

無耗傳輸線上電壓隨位置的運算式如下:

\frac{d^2V}{dz^2}=-\beta^2V , 其中 \beta=\omega\sqrt{LC} 是傳播常數。

(不清楚的同學看這個https:// zhuanlan.zhihu.com/p/31 0164561 )

先從物理角度看這個微分方程式:一個量(這兒是電壓 V )的二次導數,等於這個量的相反數(前面加負號)乘以一個常數(這兒是 \beta^{2} );顯然這是一個余弦函式啊:V\left( z \right)=\cos \left( \beta z \right)

實際教科書上經常直接寫成虛數形式: V(z)=e^{-j\beta z} ;所以這兒指的不是數學意義上的: V(z)=e^{-j\beta z}=\cos \left( \beta z \right)-j\sin\left( \beta z \right) ,而是物理上預設的:V\left( z \right)=\cos\left( \beta z \right) ,即前面說的,只取虛數的實部。

那為啥又有虛數對應著損耗一說呢?

以有耗傳輸線為例,它上面電壓隨位置的運算式為:

\frac{d^2V}{dz^2}=-k^2\cdot V

其中k=j\alpha + \beta 是傳播常數( 記住,這兒 k 變成復數了;在無耗的時候它是實數 \beta );

此時的解直接把無耗情況下的解V(z)=e^{-j\beta z} 中的 \beta 換成 k ;

V(z)=e^{-jk z}=e^{-j\left( j\alpha+\beta \right)z}=e^{ \alpha z}\cdot e^{-j\beta z}

此時 e^{ \alpha z} 是實數; e^{-j\beta z} 也取實部,得到:

V(z)=e^{ -\alpha z}\cdot cos\left( \beta z \right)

顯然 e^{ \alpha z} 這項如果 \alpha 是負數、就是個隨z衰減的項;而 cos\left( \beta z \right) 中的 \beta 依然代表著相位。

所以,這兒復傳播常數k=j\alpha + \beta 中虛數項 j\alpha 對應著損耗。實際的物理量中,如果是復數,會有一項對應著損耗,就是這個道理。

所以,物理中e^{jx} 預設取實部形成慣例、不會在每次用到的時候聲明這種做法,是很容易給初學者造成混亂;有時反而是愛動腦筋的同學,更容易混淆。希望我這個文件能給大家講明白。

---20210320更新---

沒想到這麽對人關註這個回答,讓我不得不對一時興起寫的答案做一次更新;首先改掉了原文中一些小錯誤、比如符號用錯之類;同時對那兩個例子的描述稍作調整,讓邏輯上更順一點。

然後,補充說明如下:

當我說只看實部的時候,我意思是說在把一些實際的物理量表示成復數處理的時候;比如把力表示成 \bar{F}\cdot e^{j\omega t} 等,不是只要看見復數就取實部,這是我沒說明白的地方。很多情況下為了利用復數的特性,把兩個物理量分別放在復數的實部和虛部來表示和處理,比如把阻抗放在實部、電抗放在虛部的復阻抗,比如IQ訊號等;這個時候就不能忽略虛部,因為實部和虛部都分別對應著一個實際的物理量,只是數學上這麽處理罷了。

我是一個堅持獨立思考的老工程師,有興趣的加關註一起學習!

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