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线性光学笔记(2):物理量的复数表示

已有 7852 次阅读 2013-5-3 08:38 |个人分类:科学笔记|系统分类:科研笔记|关键词:学者| 复数, 物理量, 线性光学

任何可观测的物理量都由实函数来表示。但是,实际中为了计算方便,我们常常用复函数来表示一些物理量,例如一个单色波可以表示为

$\tilde{u}=Ae^{i\phi}e^{-i2\pi\nu t}.$

这时候我们需要明白,我们关心的物理量 $u$ 其实只对应它的实部,也就是说

$u=\mathrm{Re}\{\tilde{u}\}=A\cos[\phi-i2\pi\nu t],$

这里 $\mathrm{Re}\{\}$ 表示函数的实部。对于线性算符 $\mathcal{L}$ ,

$\mathcal{L}\{u\} = \mathcal{L}\{\mathrm{Re}\{\tilde{u}\}\} = \mathrm{Re}\{\mathcal{L}\{\tilde{u}\}\},$

所以在线性系统中,用复函数代替实函数进行运算,最后再取实部,并不会影响运算结果

这里有一个问题:既然我们只关心复函数的实部,那么 $\tilde{u}$ 和它的复共轭 $\tilde{u}^*$ 表示的物理量就是完全相同的。所以,相因子的符号选择有一定的随机性。我们这里选择时间相因子的符号为负。如果读者在其他地方看到不同的符号选择,请不要觉得奇怪。

除了符号之外,多出的虚部似乎也可以任意选择。但实际中,物理量往往需要满足一定的性质,例如解析性、因果性等,这些性质可以为复函数加上限制,导致复函数的实部和虚部有很强的关联性,甚至虚部完全可以由实部推导出来,例如 Kramers–Kronig 关系就是这样。

今后,我们将不再从符号上区分实函数和复函数,读者根据上下文不难看出符号代表的含义。



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