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Legendre(勒让德)变换的含义

已有 803 次阅读 2024-1-3 14:56 |系统分类:科研笔记

细节,很多时候是掌握事物本质的有效途径。

严谨的理论物理学家对事物细节的阐述有时是用微分方程来刻画的,对于深刻理解微分概念的人来说,他们总是能够把微分方程视作物体行为的记录仪,从而抓住物体发展的数学本质。Legendre(勒让德)变换就是从变换前后的事物细节等同这个思想诞生的,即变换不能更改事物发展的细节。

现在展现一个全微分:

                                             image.png

式中自变量为xi,导函数值记为yi。这两个数值是瞬时数值,记录了事物发展曲线的每一个细节,于是便精确刻画了它在一定时空区间内的运动(或说发展)状态,此时称f是在xi(i=1、2、3、4,…)表像下的f。在各类工程实践中,有时去测量自变量xi不太容易,因此科学家们就想,能不能换个容易测量的自变量和新函数去表达f?就是说,能否找一个新函数曲线g,使得该曲线所包含的信息等同于f曲线,所述信息无非就是自变量值、导函数值这两个关键参数。答案是可以找到,如何找?微分方程的拼凑,内容上是简单的:

image.png

新函数找到了:image.png

因为(1)式表明函数g的自变量yi充当了函数f的导函数值,而g的导函数值xi充当了函数f的自变量值。如上所述,自变量和导数值这两个可以记录事物发展曲线的每一个变化细节,可以精确刻画事物在一定时空区间内的运动(或说发展)状态,所以新函数g包含了函数f曲线的每一个细节,它同样可以准确描述同一事物的发展过程。此时,我们称函数g是函数fLegendre(勒让德)变换。

画图直观看一下,为好理解,用单变量函数说明。

image.png

左图中,f曲线上任意A点的信息(xA、yA)通过勒让德变换投射到右图中正对应的正是g曲线B点的信息,且唯一。反过来依然成立。这样,g曲线(f曲线)就不多不少地刻画了f曲线(g曲线)上的各个点的信息,最后根据实际情况的边界条件确定曲线的截距即可。以上需注意的是,参与变换的两个函数必须是凸函数,否则保证不了在f曲线上一个自变量对应唯一的导函数值。

至此,勒让德变换要义大致说完。



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