正弦的理解

正弦是什么

正弦波图像

之前一想到正弦,脑袋里就是这个表达式和这幅图像,可是正弦究竟是什么却从来没有思考过。带着这个问题,先看看弹簧运动。

弹簧运动

弹簧运动

弹簧运动是典型的正弦式运动。从这个图里可以清楚看到,实际上是 弹簧在垂直方向上不断的运动。现在将弹簧运动的距离中心的距离 , 用弹簧运动的时间 来表示, 那就是 , 同样也可以理解到 就是与中心距离的变化,最大值就是振幅。这就是正弦表达式的实际物理意义。而我们原先在高中学习的正弦,直接在直角坐标系中展示也就是上面的正弦波图像那样,所以自然就理解成了一个二维的运动,实际上是弹簧的一维运动,将时间 再单独拉出来成为一个维度就是课本上描述的正弦了。

所以,从这个角度来看,再看看实际的例子,比如: 将一个电子进行来回的震荡,就产生了正弦波。再比如,弹吉他,吉他弦进行上下震动,吉他弦与中心的距离就是 , 代表了声音的强度,吉他弦上线震动的速度就是频率(所以当将吉他的弦调紧,就会让吉他弦快速回到中心位置,频率也就高了),这就产生了一个正弦波。所以调音器是如何进行调音的?就是检测到了这个正弦波,然后,计算出频率,与实际的频率进行比对。同时也说明,我们大力弹吉他是增加了振幅,增大了吉他的声音。

正弦和圆

上学的时候,讲到正弦的时候,会说到 "对边比临边",如果在一个单位圆内,那就是 "对边",因为半径是1。对于圆上的一点就可以表示成:

神奇的事情发生了,我们将 看做一个变量,也就是圆周上转过的弧度,就会发现圆上的点,其实是由一个正弦波和一个余弦波组合而成,任何一个圆上的点都可以由正弦和余弦组合成,圆居然是可以分解成正弦和余弦。看下面的示意图。

sin_cos_circle.gif

再来看看为什么正弦的周期是 的问题。从上面的圆和正弦的关系可以看到, 经过一个圆周也就是 360度,即 为一个周期,所以 正弦和余弦都是 为一个周期,半个周期就是 。从这里再回头看弹簧的半个周期运动,弹簧从 0 出发,运动到最大振幅 1, 在回到 0,这个时间是 。是不是很神奇,为什么不是一个整数,而是一个无理数。这就好比变长为1的正方形的对角线是 一样,让人无法接受,可事实就是这样的。

说到 让我想起了一个故事,当年毕达哥拉斯发现了勾股定理后,他也发现变长为1的正方形的对角线是 这个无法理解的事情。于是,毕达哥拉斯封闭了这个信息。可是他的一个学生也发现了这个“秘密”,并汇报给了毕达哥拉斯,然后,这个学生就被迫害而死:(.

从物理的角度来看正弦

从物理的角度看正弦的运动,从0处开始,这时候相当于有一个较大的初始速度 , 然后,受到一个反向加速度,也可以理解成一个反向的力的作用(因为加速度是由力产生的),逐渐减速运动到最大振幅处,此时的速度是 0, 然后,又加速向中心点(也就是 0处)运动,受到一个正向的加速度,也就是一个正向的力作用,在中心点达到速度最大值。所以,我们可以这样来描述:

从物理的角度来看,就是这样的,在 上, 速度 逐渐从最大值 变到最小值 , 而加速度始终与速度方向相反,大小从 逐渐增到到 . 然后再 上, v 方向,从 0 逐渐增加大 1, 而这时候加速度与速度方向是一样的,从 1 减小到 0,达到中心点位置的时候,速度达到最大。

正弦如何计算

说了这么多物理意义,正弦如何计算?当然可以查表拉:). 进入正题,来看看这个问题如何解决。

从物理的角度来看,从前面的分析知道正弦是速度 受到一个反向作用力的结果。那么,将正弦运动的位移y,分解成一个匀速运动产生的位移和一个反向加速产生的位移和。就是下面的式子:

  • 匀速运动的位移:
  • 加速运动的位移:

所以实际的位移就是 , 这是一个重复的过程再受到反向加速的同时,也受到反向加速的反向加速,所以会产生新的位移 ,这是无穷的计算,所以最终有:

这就是泰勒多项式:

将 按照泰勒展示展开就可以得到与上面用物理含义推导一样的结果了。

正弦的微分方程


其中, 。

这个微分方程就定义了正弦(实际是 正弦和余弦的线性组合)。从微分方程的角度来理解 与 的方向相反,也就是 受到一个持续的反向作用力,也就是反向加速度。

正弦的应用

啰嗦这么多,从物理意义和数学的角度讲正弦扯清楚,这一切都是为了傅里叶!~

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