当前位置: 华文星空 > 知识

信号中的虚部的物理意义是什么?

2019-12-08知识

这是个典型的很容易混淆的问题,我也曾经被弄糊涂过;虽然说起来简单,实际上没有大家认为的那么简单,所以这儿认真解释下。

首先是结论: 对自然界实际的物理量和信号,都不存在虚数一说;用虚数是为了数学处理方便。

再解释原因和处理过程:

数学上e^{jx}=\cos x+j\sin x ;但实际物理中用到 e^{jx} 的地方,实际上 都是指的实部、都是指实部、都是指实部 ;重要的信息说三遍。

之所以可以这么做,是因为虚数相等的话,只能是实部和虚部分别相等;这样进行数学处理,然后最后取实部,不会影响到最终的结果。

为什么要这么做呢?是因为 e^{x} 是个神奇的存在, 这是唯一的任意次导数还是它本身的函数 ,这给很多工程问题的处理带来方便。并且这个函数还有很多神奇之处、比如大家经常津津乐道的 e^{j\pi}=-1 ,把数学上这四个神一样的符号串起来等,详细说起来能写一本书。

就是说数学上看到e^{jx} ,我们指的是\cos x+j\sin x ;而物理上看到e^{jx} ,我们指的是\cos x ,这是大家容易混淆的主要地方。

有很多人说虚数代表相位、也有人说虚数代表损耗,这又是咋回事呢?

先说为啥对应着相位:其实从物理上看到e^{jx} ,指的是\cos x ,就能比较清楚的看出来,这儿的 x 实际上是代表着相位。为了更清楚起见,我们以无耗传输线为例:

无耗传输线上电压随位置的表达式如下:

\frac{d^2V}{dz^2}=-\beta^2V , 其中 \beta=\omega\sqrt{LC} 是传播常数。

(不清楚的同学看这个https:// zhuanlan.zhihu.com/p/31 0164561 )

先从物理角度看这个微分方程:一个量(这儿是电压 V )的二次导数,等于这个量的相反数(前面加负号)乘以一个常数(这儿是 \beta^{2} );显然这是一个余弦函数啊:V\left( z \right)=\cos \left( \beta z \right)

实际教科书上经常直接写成虚数形式: V(z)=e^{-j\beta z} ;所以这儿指的不是数学意义上的: V(z)=e^{-j\beta z}=\cos \left( \beta z \right)-j\sin\left( \beta z \right) ,而是物理上默认的:V\left( z \right)=\cos\left( \beta z \right) ,即前面说的,只取虚数的实部。

那为啥又有虚数对应着损耗一说呢?

以有耗传输线为例,它上面电压随位置的表达式为:

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

其中k=j\alpha + \beta 是传播常数( 记住,这儿 k 变成复数了;在无耗的时候它是实数 \beta );

此时的解直接把无耗情况下的解V(z)=e^{-j\beta z} 中的 \beta 换成 k ;

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

此时 e^{ \alpha z} 是实数; e^{-j\beta z} 也取实部,得到:

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

显然 e^{ \alpha z} 这项如果 \alpha 是负数、就是个随z衰减的项;而 cos\left( \beta z \right) 中的 \beta 依然代表着相位。

所以,这儿复传播常数k=j\alpha + \beta 中虚数项 j\alpha 对应着损耗。实际的物理量中,如果是复数,会有一项对应着损耗,就是这个道理。

所以,物理中e^{jx} 默认取实部形成惯例、不会在每次用到的时候声明这种做法,是很容易给初学者造成混乱;有时反而是爱动脑筋的同学,更容易混淆。希望我这个文档能给大家讲明白。

---20210320更新---

没想到这么对人关注这个回答,让我不得不对一时兴起写的答案做一次更新;首先改掉了原文中一些小错误、比如符号用错之类;同时对那两个例子的描述稍作调整,让逻辑上更顺一点。

然后,补充说明如下:

当我说只看实部的时候,我意思是说在把一些实际的物理量表示成复数处理的时候;比如把力表示成 \bar{F}\cdot e^{j\omega t} 等,不是只要看见复数就取实部,这是我没说明白的地方。很多情况下为了利用复数的特性,把两个物理量分别放在复数的实部和虚部来表示和处理,比如把阻抗放在实部、电抗放在虚部的复阻抗,比如IQ信号等;这个时候就不能忽略虚部,因为实部和虚部都分别对应着一个实际的物理量,只是数学上这么处理罢了。

我是一个坚持独立思考的老工程师,有兴趣的加关注一起学习!

如何学好电磁场这门课?

WaveView:大道至简|辐射的物理过程分析

WaveView:大道至简 | 传输线这样学很简单