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是一名美国动画大神,他的火柴人系列在YouTube无人不知。在B站,他也拥有300多万的关注。
视频的主角是一个橙色火柴人。刚开始,“小橙”在黑色背景中摆弄数字。一不小心,小橙召唤出了欧拉公式,并和它在数字世界中大战一场。
打斗期间,出现了各种眼花缭乱的高等数学公式。凭借密集、晦涩的知识点,这条视频被网友称为史上最难看懂的动画。
全程膜拜着看完后,超模君的第一反应就是脑子要不够用了,需要一个详细的逐帧解析。
这不,就让超模君看到了这个非常棒的剖析文章,也想和粉丝分享。(以下文文章原文)
按照顺序的话,开始部分为基本的算术篇幅较长,可以分段阅读,一次读完是不太现实的。
加法和减法不用多说,其中有一些特殊的细节,当触碰等号的时候,会对左边的表达式化简,而且还可以取出数字符号作为手中的工具,这就为后面的各种旋转,颠倒形成新的运算和符号做了铺垫。
这里出现了欧拉公式-1=e^(iπ),欧拉公式是复平面上单位圆旋转的特殊值,函数本体为 f(z)=e^(iz) ,限制z为实数,则是以2 为周期的周期函数 f(0)=e^(i0)=e^(0)=1⇔f(2π)=e^(i2π)=cos(2π)+i sin(2π)=1 ,所以也可以称为 圆函数,同三角函数密不可分。
出现了神奇的操作,通过在实数前面添加虚数单位i,打开了虚数世界的大门。这里是一种假想,因为人们发现波函数是复数,可是我们这个世界可以测量的物理量都是实数,于是人们想象存在一个虚数世界,与实数一起构成了复数世界。
从数学上看,实轴乘上i后在复平面旋转了90°,也就是与实数世界垂直,看起来就好像在实轴的一个点容纳了一个新的世界。所以是传送门的形式,而不是单纯的几何变换,如旋转,平移,放缩。
开始演示乘法的构造,是对加法的重复,所以乘法是一种矩阵加法的缩写形式,这里就是 3×3 的数字1矩阵的完全加法。
除法演示,是对减法运算的计数,从一个数字到零需要进行多少次减法。所以,乘法和除法是复杂的数学构造,很多小学生都会在这里卡住,无法理解。因为这里涉及了一种脱离了具体的抽象,将数字切换为运算的次数。
这里巧妙的展现了除以0带来的后果,就像陷入了永无止境的运动中,毕竟非零数字减去无数次的零,也不会减小一个单位,更不用说减到零。这里应该是作者非常满意的地方,给出了一种有趣的可视化解释。
开始探索指数的奥秘,二次方,其实是一种简写8²=8×8,而乘法 a×b已经被解释为行列分别为a,b的数字1矩阵的完全加法,所以这里就是8行8列的数字1矩阵的完全加法。
指数改变的时候,维度提升,矩阵是二维,立方体是三维,四维,五维超出了人们的想象,不过由于这里的数字是有限的,就可以把立方体看作点,重新组成矩阵,立方体,就像俄罗斯套娃一样,如此,高维也可以被认识。
不过,在几何上,这种方法就行不通了,因为人们认为三维空间是全宇宙,那么只有找到宇宙的边界,想象出无数个新的宇宙,组合在一起才能认识四维空间。更高的维度就只能停留在逻辑推理中了。
这里出现了奇特的等式,零维是什么东西呢?为什么是1呢?大概零维就是永远的点了,也就是1,无穷,任意数,都被封闭在了这个点中。熟知线性代数的人估计见过零空间的构造,通过线性变换可以把一条线线缩为一个点,也可以把一个面缩为一个点。
开始探索负数指数的奥秘,此时的指数作用又发生了变化, 4^(-1)=1/4=1÷4是除法的简写,也就是取倒数,于是指数运算规律 a^(m−n)=a^(m)/a^(n)依然成立,负指数是通过运算律定义的,所以更加抽象。这就是代数方法,通过定律把握数学对象。
出现了重头戏,根号,根号产生了无理数,给人们带来了极大的困惑,有无数的人无法理解无理数为什么存在,怎么会有写不完的数字。
这就是数学的神奇之处,他并不依赖于人们的经验,从无理数开始,数学变得越来越超越人们想象,逐渐变成了专门的学问,因为理解他是有门槛的。
证明根号2为无理数本身都是令人费解的,逻辑与几何直觉分道扬镳。深入的内容可以学一些浅显的代数数论内容,也就是域论,包纳根号2作为有理数域的扩张 Q[√2],你会发现数字的结构非常复杂,几乎能找到所有的数学结构,所以数论也被誉为王冠上的明珠,无数的数学家投身其中,希望破解自然的奥秘。
这里根号2没有具体解释,他的几何含义是面积为2的正方形,其边长为多少,也就是方程 x²=2 ,通过方程定义数字是数域扩张的重要内容,虚数i其实就是方程定义的 x²=−1 ,人们无法从已知数字世界中找到解,所以规定了一个解,用符号i表示,所以,复数与代数的关系是很密切的。
我们的主角,虚数再次登场,虚数被过去的人们视为幽灵数字,认为他是一种不应存在的事物,所以很多知名数学家公开反对虚数。
而现在,我们知道虚数代表了另一个维度,人们沿着实数,虚数,复数,四元数的道路,发现了n维空间的概念,由此数学进入了高维之中,今天,线性代数已经成为了大学必修课。
不得不说,时代弄人,现在我们认为稀松平凡的事实,在过去就是大逆不道,而可以想象未来人们普遍承认的事实,在现在大概也会遭到强烈反对,相比于数学研究的突飞猛进,人们对未知事物的接受程度反而会造成很大的制约。
欧拉公式又出现了,这里是虚数运算,i×i=i²=−1, i×i×i=i²×i=−i
开始了精彩的打戏,这里使用的数学知识是数学变换,将数字乘法视为函数实现状态的切换,这也是抽象代数的基本思想。
f(A)=i² ∗ A,f(e^{iπ})=−e^(iπ)看起来就是我们的欧拉公式发生了镜像对称,翻转了前进方向。
出现了,等价形式, −e^(iπ)=−[cos(π)+isin(π)] ,结果表达式变长,就像武器一样。
这里使用的是复数乘法变换,我们注意到欧拉公式首先角度减去了π,然后开始画圆,方向顺时针,最后画了一个半圆落地。这个过程就是一个函数变换,在量子力学中也被看作算子对函数的作用。
看起来就是位置切换 e^(iπ)=−1→eº=1 ,这就是为什么欧拉公式从圆的一点运动到了另一点。在动画中则是展示了每一帧的位置,这些位置构成了集合 {e^(ix):x∈[−π,0]}。
使用了i变换旋转90°,需要注意的是, i=e^(iπ/2),所以逆时针旋转90度。
发现了点,开始画坐标系,注意坐标带有i,说明这个平面也是复平面,所以虚数空间和复数变换其实不在一个维度中。
徒手画圆,rad为弧度,所以-1对应的值为3多一些,对应π的小数表示3.14..
这里一闪而逝,记录了弧长1,单位圆的弧长与弧度相同,长度,半径,弧度 l=Rθ =1∗θ=θ
极坐标下的参数变换,一个是半径改变,一个是角度改变,还有一个精心添加的偏心率改变。
圆函数拆分出了正弦余弦对应于两个坐标参数 t,τ 。作用于圆出现正弦波,余弦波。
对波进行了复数变换,这也是泛函分析中常有的事情,算子对函数整体变换,获得新的函数。
出现了,无穷级数,这个表达式是指数函数在零处的泰勒展开e^(z)=∑{z^(n)/n!}带入具体值后获得对应形式,
可以发现随着子弹射出,展开项的n也在增大,但是毕竟有无穷项,所以子弹是无限的。
正余弦作为复变函数的展开,开始了指数增殖。为什么可行呢?因为他是 1=1/2(1+1),自然能够不断的展开。这是一种递推思想,不动点迭代 x=1/2(x+x)。
这边的操作非常魔幻,将数字改造成了发射圆球的函数,是一种巧妙的艺术创作。
这里写的是三维空间的张成结构。大概指这个点突破了平面,就像你的屏幕突然鼓起来一块。
有一个问题,e的身体到底是什么样的结构呢?看着像一张嘴,但是又是手,搞不明白。
这三个符号一般用来表示一些特殊的函数,比如黎曼 ζ 函数,欧拉函数 ϕ ,狄利克雷函数 δ。
很多人说后面有一个庞然大物,阿列夫,不过确实很难看清楚。 勉强描了两个图。
ℵ这个是集合基数的内容, ℵ0 为可数无穷,为自然数集的基数, ℵ 为其上一个无穷基数,他是否是实数集的基数,就是大名鼎鼎的连续统猜想。
微信又双叒叕改版了,还没把我们公号标星的读者,可能会越来越收不到我们的推送了
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