他以「正弦函數」為基礎,開啟了「熱學」新時代,卻被活活熱死

2020-12-12 數學真美

法國數學家傅立葉,為「熱傳遞」創造了一套完整的數學理論,開啟了人類「熱學」新時代。

這樣一位偉大的學者,卻由於過度痴迷於他的「熱學理論」,以身體做「熱學實驗」,卻不幸被活活熱死了。

傅立葉出身貧窮,9歲時父母雙亡,成了孤兒。

1807年,傅立葉完成了一篇名為《熱的傳播》的論文,寄給法國科學院,他在論文裡第一次把「三角函數」做為「無窮級數的解」,因而任何函數都可以展開成「三角函數的無窮級數」,認為任何「連續周期信號」都可以由三角函數中的「正弦波形」疊加而成。

著名的數學家拉格朗日審閱了他的論文,堅決反對他的這種觀點。

拉格朗日認為這種方法無法疊加出帶稜角的信號,因而拒絕了傅立葉的研究成果。

直到拉格朗日去世後的1822年,傅立葉將《熱的傳播》這篇劃時代的論文寫入他的《熱的解析理論》一書得以出版。

從此正式建立了傅立葉分析、傅立葉級數和「傅立葉變換等理論,並在「傅立葉級數」的基礎上求解了「熱傳導方程」,又導出了「傅立葉積分」。

「傅立葉積分」其實是一種「極限形式」的「求和算子」。

「傅立葉分析」影響了整個19世紀「分析嚴格化」的進程,並極大地促進了「偏微分方程」的發展,進一步刺激了「集合論」的誕生。

這樣一篇極大地促進了人類文明進程的論文,差點被拉格朗日葬送了!

後世的學者認為,其實拉格朗日和傅立葉兩人的觀點都是正確的,「正弦曲線」確實無法依靠「疊加」組合成一個帶有稜角的信號。但是,可以用一組合適的正弦曲線來「非常逼近」地表示它,並且在能量上沒有差別。

事實勝於雄辨,「傅立葉變換」用「三角函數」中的「正弦波」做為「信號」的主要成分,在概率論、統計學、聲學、光學、海洋學、密碼學、電子信息學等各大領域都有著廣泛的應用。

「傅立葉變換」提出了兩個重要的概念:「時域」和「頻域」

什麼是時域?就是一切事物都是以時間作為參照的,隨著時間流逝在不停的改變。

而「頻域」則是指:它只是一個數學構造,正弦波是頻域中唯一存在的波形,換句話說,頻域必須由「正弦波」描述。

「正弦函數」己在物理上被充分研究,與「原子論」非常相似,具有非常容易使用的性質,大自然的神奇,令人驚嘆。

「傅立葉變換」雖然是數學方法,但是他跟函數的性質是不一樣的,「傅立葉變換」就是把一堆數據變成另外一堆「沒有對應關係」的數據。

而函數則是「一個集合中的元素」與「另一個集合的元素」通過「某種法則」一一對應。

「傅立葉變換」的本質是將「時域信號」轉換成了「頻域信號」,反過來也可以利用「傅立葉反變換」將「頻域信號」轉換成「時域信號」,這使得信號的處理變得非常地方便。

從現代數學的眼光來看,傅立葉變換是一種特殊的「積分變換」。

但是從哲學上看,其思想方法具有「還原論」和「分析主義」的顯明特徵。

以「還原論」為基礎的「機械決定論」促使傅立葉走向了「形上學」的極端。

因此,傅立葉近乎固執地痴迷於「熱傳遞的研究」,他認為熱能可以祛除疾病、強身健體,所以他常常在夏天穿上厚厚的衣服,關上門窗,坐在火爐邊烤火,結果被熱死了。

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