波浪曲線

有一個故事說:從前有座山,山上有座廟,廟裏有個老和尚和一個小和尚。有一天,老和尚對小和尚說:“從前有座山,山上有座廟,廟裏有一個老和尚和一個小和尚,有一天……”無須再寫下去,我想讀者都知道如何繼續這個故事。

在文學家的筆下,對於循環模式的描述,往往是很精采的,但在數學家中,所有出現的事件y,都是時間X的函數

y=f(x)

而循環模式則表示對於變量X的任何值,存在一個常量T,使得:

f(x+T)=f(x)

這裏的T稱為周期。上式表明,同樣的事件,在經曆了一個周期之後又回到了原先的狀態,周而複始,如此而已!

拿一張紙,把它卷到一根蠟燭上,然後用刀斜著把它切斷,再把卷起的紙展開,那麼你將會看到一個波浪型曲線的截口。讓我們看一看這是怎樣的一條曲線?

如下圖,設圓柱體為蠟燭的一段,底半徑為R,截口中心為S。過S作垂直於圓柱軸線的截麵,與原截口曲線交於兩點。取其中一點0為原點,在過O且與圓柱相切的平麵內建立直角坐標係XOY,使OY為圓柱的一條母線。顯然OX切於圓S。

設想卷在圓柱上且已被切斷的紙是慢慢展開的。令P為截口曲線上一點,Q是它在圓S上的射影,又展開角∠OSQ=α。則

式中θ為斜截麵與圓S平麵的夾角,為一常量。

把上述變量y表示為變量X的函數,即得

原來得到的是振幅為A,頻率為ω的正弦曲線!容易明白,當紙張從O開始,展開一圈又回到O時,完成了一個循環,這一循環的周期T,恰等於圓S的周長,即

後一個式子對於求一般正弦函數的周期是很有用的。

自然界裏正弦曲線是很多的。往水池裏扔一塊石頭,便會看到圓形的水波逐漸向四周擴展;拿一根長繩,抓住其中一頭上下振動,你會看到一個個波浪傳向前方,即使振動的那一頭已經停止動作,已經形成的波形仍會繼續傳向遠處!

在數學家眼裏,上麵的一係列現象稱為波的傳送。數學家們運用自己的智慧,巧妙地把這種運動用函數表示了出來!

下圖是一個弦振動的例。弦起初靜止,t=0時,給它一個初位移。令初始位移函數為 f(x),圖中

而表示圖中波傳播的函數式可以寫為

式中V是波的傳播速度。

值得注意的是,大多數的波未必就是正弦波。例如聲波

就常常具有令人難以置信的複雜波形。

公元 1822年,法國數學家傅立葉(Fourier,1763~1830)證明了任何曲線都可以由正弦曲線疊加而成,他甚至找到了構成疊加的方法。傅立葉的出色工作,使一門近代的數學分支,以他的光輝名字命名!