物理学中的数学
物理学中的数学，这是一个论述范围十分宽广的话题。我是数学系的，学的是纯数学，可我对物理学从小就有着莫大的兴趣，至今对他仍是念念不忘，时刻关注着它的发展。所以，对于物理学中的数学这一话题，也有着浅浅的思考和感悟。物理学和数学是我一生最为感兴趣的学科，鉴于此，我想写一篇关于它们之间的论述，一点也许不着边际的泛泛之谈，以泄自己心头之爱。
数学对于整个自然科学（甚至社会科学也可以算在内）的重要性，我想任何语言都是无法言明的。上帝是数学家，唯一能够描述的语言是数学，这句话却一点也没错。往小一点说，如果没有数学，也就没有今天的现代科技。当然，现在要说的仅仅是物理学中的数学。
事实胜于雄辩，真实的历史往往能反映这一点。所以我们将跟随物理学这一门学科的发展历程，穿过历史的层层迷雾，从中我们可以发现，物理学的建立与发展应用了哪些数学工具，而数学又是如何对物理产生重要影响和推动的，从中我们也可以看到，整个的物理学大厦是如何建立在这些简洁优美的数学法则之上的。
近代物理学都沿袭了希腊古典科学的血统，延续着古希腊式的精神文明。古希腊人从以思辨为主的哲学逐渐地发展出了众多分支学科，其中最重要的分支就是数学和物理学。从很多的事例我们可以看出，古希腊那些有才学的人，当时对数学是非常之重视，例如，毕达哥拉斯学派曾提出了一个重要的理念，数即万物，光从字面意思理解，这句话是很有问题的，但从世界是按照数学逻辑运转的角度看的话，这句话是对于当时是很有前瞻性的，但不管如何，他们还是隐约地发现了数学逻辑在物质运转所诠释的作用。又一个例子，柏拉图在自己新开设的柏拉图学园的门口立了一块牌子：不懂数学者不得入内。以此种种表明他们对数学非常之看重。古希腊的百科全书式学者，亚里士多德，从日常的观察实践，凭借经验总结出万物运行的一套理论，虽然现在看来有些显得非常之荒谬和幼稚，但这至少是人类认识世界和改造世界的一个起始，是物理学的雏形。
伽利略，这位近代物理学之父，创造出了数学推理与实验相结合的科学传统，这是历史上数学与物理学第一次的大融合。数学推导加上物理实验，此后一直是科学发现的一把神器，合称双剑，后来，牛顿利用这把神器大刀阔斧地建立了他的经典物理学，人类也有史以来第一次建立起了整个物理世界的体系（牛顿很幸运，因为机会只有一次），万物毕恭毕敬地遵守着这些法则（laws）运转。这次帮助牛顿建立起的经典物理学大厦的数学工具就是它自己独自发明的流数和反流数（微积分）。今天，我们仍可以回顾那一段令人激动的历史，“1685年牛顿应用微积分证明了，地球吸外部物体时，恰像全部的质量集中在球心（球对称）一样。”其实这是发现万有引力定律很关键的一步，胡克就因为不懂微积分而与发现万有引力定律而无缘。有了万有引力定律，以后再利用数学上的微积分则可以随时计算出各行星的运行轨道（各类双曲线形）。这是多么美妙的一件事，上帝运行这个宇宙的法则和奥秘终于被发现了，有了牛顿，一切都光明了。
分析力学，牛顿力学的另一种表述，或者说是它的推广和严格化，不过这次登场的主要是数学家。其实可以看出，很多时候，数学家和物理学家是互通的，所谓数理不分家，以前的科学家动不动就是数学家兼物理学家，后面还有什么家家的，真的是牛人一个，不过自彭加莱以后，就再也没有这样的通才了（知识爆炸的今天，任何一个小领域都能吞噬一个人一辈子的时间）。18世纪的数学家们创立了分析力学，以先进的数学工具重新表述了牛顿力学体系，用独特的数学形式重新刷新了整个力学系统。数学家欧拉所发明的变分法（其实后来拉格朗日也独自发明了变分法，之间还有他们两人之间的一段小故事）则直接孕育了力学中的最小作用原理。其实上帝在创造宇宙必定是按照这个原理进行的，因为这是最为经济和实惠的创造方式。“分析力学最终的成就是拉格朗日方程。由虚功原理和达朗贝尔原理，可以得到所谓的力学普遍方程，在此基础上，拉格朗日进一步引进了广义坐标，广义速度和广义
力，将力学力学普遍方程改造成拉格朗日方程，这个方程相当于牛顿第二定律，但它更普遍化，更加数学化，适应于几乎一切力学系统。”（这些话不是我说的，我也没这么专业，这些可以从《科学的历程》（吴国盛）P315中找到）。我们可以看出，牛顿的经典力学在数学家的把弄下，变得更加有威力了，它被重新赋予了新的魔幻之力，它适用于几乎一切的力学系统（具体应用了什么数学工具，我水平有限，不得而知）。继分析力学之后，天体力学在Laplace 等人的发展下，也取得了较大的辉煌，在此之中还带动了数学的发展，如发明了位势理论。海王星的发现又是个很好的例子，海王星的发现比上一次赫舍尔通过大海捞针般地用天文望远镜在浩淼的星空中搜寻更富戏剧性，更加激动人心。它不是通过天文观测偶然发现的，而是数学家笔尖上发现的。这又显示了数学和物理结合起来无比强大的威力。
经典力学的第三个高峰，电磁学的统一。法拉第发现了电磁感应现象之后，由于他从小没有受过正规教育，其数学能力十分欠缺（这一点可以从他的总结性著作《电学实验研究》中可窥见一斑，在里面几乎是找不到一条数学公式），但它物理世界天才的洞察力弥补了这一不足，他创造了一种极为出色的非数学化的图像式想像，场和力线。一贯如此，物理学领域每取得一个突破性定律，就有数学物理学家将之用严密精确的数学公式加以数学化。天才数学家（再加上个家，物理学家）Maxwell承担了这一历史的使命。Maxwell凭借他卓越的数学才能，仅仅只用了四个方程，就把整个电磁学统一起来了，超牛啊，赞一个~。这些数学公式是如此的优美简洁和深刻，使得每一个科学家都陶醉在其中，后来Boltzmann也情不自禁地引用歌德的诗句说：“难道这是上帝写的这些吗？”这次的数学工具是场论。
时空革命，广义相对论。1916年，爱因斯坦在老同学格罗斯曼的帮助下，应用黎曼几何完成了广义相对论的最终形式。其实谁又会想到，黎曼以前发明的非欧几何在以后竟然会用在广义相对论上，事情总是很微妙的，这些冥冥之中自有安排。不过，广义相对论使得一个纯数学概念——黎曼几何言之有物了。相对论继承了科学理论的形式化理想，实现了在极度数学化的物理统一性。广义相对论的（引力场）几何化思路（抽象化的数学形式）则可以看成是毕达哥拉斯主义所达到的新巅峰，这又恰恰反映了数学和物理融合起来所发挥的超强力量。
量子力学，这个充满奇幻与冒险的物理学新理论，至今我们还很难完全搞懂这奇妙的量子究竟是什么，难道真的是一颗不确定的骰子（something here and there）。量子力学的导火线是黑体辐射问题（紫外灾难），在黑体辐射（经典物理学天空上的两朵乌云之一）问题中，Planck曾利用数学上的内插法，稍带侥幸地凑出了一个普适的黑体辐射公式，巧妙地调和了维恩公式和瑞利公式在长波和短波之间的矛盾。而后量子力学的创始人之一海森堡，则从可观测到的物理事实出发，重新发现了Matrix，进而创造出了矩阵力学，虽然它比薛定谔的波动方程更加复杂难懂，但这个发现可以说一直是哥本哈根学派的一个骄傲。其实这个Matrix 早就为数学家Arthur Cayley所发明。吼吼，这是多么富于戏剧性，数学家从数学的角度发明了矩阵，这次，物理学家又从单纯的物理角度重新发明了它，两者不约而同地碰在一起了。随着量子力学在各代天才物理学家们的发展下，需要用到越来越高深的数学工具，如群论，李群，这些东东我还没碰过。
前沿阵地。广义相对论代表引力场的几何化，自然而然产生了将所有自然力几何化的想法，即统一场论，为此爱因斯坦十分有远见，他比时代走前了一大步，他是迈出物理学统一这一脚步的第一人（也许前面的都不算是真正意义的统一），由于当时缺乏数学工具，也因为他的过分专注以至于忽略了新兴的物理学领域核物理所取得的进展，当然也就不知道除电磁力，引力以外的两种力强核力和弱核力的存在，不过他的理想最终会实现的，它在等待新的数学工具的出现。贝尔不等式，这个曾被人称为“科学中最深刻的发现”，仅仅一个数学不等式，就可以对这个宇宙的终极命运作出了最后的判决，从而彻底否决了隐变量的存在。夸克，夸克在高能实验中从未发现有单个的自由夸克，也就是说，人们提出的夸克可能只是
个数学模型，以及后面的超弦（super string），需要用到的数学问题越来越艰深了，这时候的理论已经走的非常远了。
从这物理学发展的一路中，我们可以看到，数学和物理学有着莫大的联系，它们是不可分割的整体。物理学中的数学，亦或是是数学中的物理学，物理和数学，它们有着同样的血脉，它们一脉传承，共同构筑整个自然科学大厦，它们一直比时代走前一步。
关于数学家与物理家的差异，请看数学家丘成桐的言论：
“在物理的范畴内并没有永恒的真理，而在数学的王国里，每一条定理都可以从公理系统中严格推导出来，故它是颠扑不破的真理。物理学家为了捕捉真理，往往在思维上不断跳跃，虽说不严格，也容易犯错，但他们想把自然现象看的更透更远，这是我们十分佩服的。毕竟数学家要小心翼翼，步步为营，花时间把所有可能的错误都去掉，故此，这两种做法是互为表里，缺一不可的。”其中的字字句句都非常有见地的，他一语戳穿了物理学与数学的区别联系。
后记
其实很遗憾，尽管我在这里说了这么一大堆，但我自己本人掌握的数学基础是十分有限的，至今到大一这个年头，我还只停留在数学分析和常微分方程上。本来是想先在数学系好好学习数学，以后发展物理，但从现在的形势来看，数学系的数学课程是非常之精细严谨，严重拖慢了学习数学的进程。还好，物理课程自己也会挤出时间去学，至少在本科读数学期间内把物理学课程中的力热电光原，以及四大力学学完（任务很重，9本书）。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。
这篇文章是我自己花了两个晚上时间在网上独立完成的，这也我是选修课《物理学中的数学》的作业，本想写一篇简短的文章，也因为自己对这方面有一些兴趣，所以兴头上来，毫不留情地啰嗦了一大堆。文章中的史实资料多亏我以前的阅历，还有以前的读书笔记。由于我水平不是一般的有限，其中肯定会存在不少的谬误，望真正懂得的“砖家”勿拍我砖哦~~~知识无涯，与君共勉。
数学系10级信息与计算科学
高中物理中数学知识的应用
如图讨论绳子变长时，绳子的拉力和墙面的支持力如何变化？解析法： θ cos 2G F =如果绳子变长，θ角减小，θcos 变大，F 2减小；θtan 1 G F =，θ角减小，θtan 减小，F 1减小。此题图解法较容易在此省略。在力（速度、加速度）的合成与分解问 题中正弦、余弦、正切函数知识用的很多。 （2）正弦定理应用实例： 如图所示一挡板和一斜面夹住一球，挡板饶底端逆时针旋转直到水平，讨论挡板和斜面对球的弹力如何变化？此题图解法较容易在此省略。
解析法：βθαsin sin sin 12F F G == α θ sin sin 2G F = 因为θ不变α从锐角变成90 大再变小，所以F 2先变小后变大； () ()θβθβθβ βθβαβοcos cot sin sin sin 180sin sin sin sin 1-= =+= --== G G G G F β角从钝角变为零的过程中，βcot 一直变大，所以F 1一直变小。 （用到了正弦定理、诱导公式、两角和的正弦函数这种解法理论性较强。 ） （3）化θθcos sin b a +为一个角的正弦应用实例 如图所示物体匀速前进时，当拉力与水平方向夹角为多少度时最省力？动摩擦因数设为μ。 解答：匀速运动合力为零()θμθsin cos F G F -= ()() θβμμθβθβμμθμμθμμμθ μθμ++= ++= ??? ? ??++++= += sin 1sin cos cos sin 1sin 1cos 111sin cos 22222G G G G F 所以当θβ+为直角时F 最小，也就是当1 1 arcsin 2 2 2 +-= -= μπ βπ θ时F 最小。 5.组合应用实例 如图所示一群处于第四能级的原子，能发出几种频率的光子？这个还可以用一个一个查数的办法解决，如果是从第五能级开始向低能级跃迁问可以发出几种频率的光子就很难一个一个地数了。 利用组合知识很容易解决，处于第四能级有623 42 4=?==！ C N 种 处于第五能级有10! 24 5!3!2!52 5=?=?= =C N 种 6.平面几何（1）三角形相似应用实例 例题1：如图所示当小球沿着光滑圆柱缓慢上升时，讨论绳子的拉力 和支持力如何变化？ 由三角形相似可得 l T h G R N ==可以N 不变T 减小。 例题2：（2013新课标）水平桌面上有两个玩具车A 和B ，两者用一轻质 橡皮筋相连，在橡皮绳上有一红色标记R 。在初始时橡皮筋处于拉直状态，A 、B 和R 分别位于直角坐标系中的（0,l 2），（0,l -）和（0，0）点。已 知A 从静止开始沿y 轴正向做加速度大小为a 的匀加速运动：B 平行于x 轴朝x 轴正向匀速运动。两车此
概述物理学与数学有着密切联系,数学既是解决物理问题的工具,又是定义物理量的依据,大多数物理量都是用数学方法来定义的.本文探讨利用数学比值方法定义物理量. 比值定义物理量的方法是指,将某一物理量作为分子、将另一物理量作为分母,把二者比值定义为新的物理量的一种方法. 例如电阻的定义:把电阻连接在电路中,将该电阻两端电压作为分子,通过该电阻的电流作为分母,将二者比值定义为该电阻的电阻值;其定义式为,UR一导. I. 比值定义物理量的最大特点是:被定义物理量本身与定义它的物理量无关,而从物理实质上决定它的物理量却是另有其量.例如电阻R是由该电阻两端的电压U和通过电流I的比值定义的,但是R 的物理实质与U与I无关,R本身是由电阻的性质决定的,即由形成电阻的导体材料、导体的长度、横截面积所决定的.如果构成电阻的导体材料电阻率为p,导体的长度为L、横截面积为S,则其电阻的决定式为~L一。~,‘一。~一、、.~。一一~加。R一。争可见,同一物理量的定义式与决定式一般是不同的. 二、教学程序下面以电场强度为例说明比值定义物理量的教学程序: (1)引人目的:为了描写电场 中学物理教材中有大量用比值法定义的物理量,这类物理量是中学物理概念体系的一个重要组成部分。比值定义的物理量在初中就占有很大比例,但教材中一直没给出比值法的概念,直到高二才把比值定义法拿出来(《全日制普通高级中学教科书(必修加选修)──物理第二册》):“在物理学中,常用比值定义一个物理量,用来表示研究对象的某种性质,例如,用质量和体积的比值定义密度,用位移和时间的比值定义速度,用电场力和电荷量的比值定义电场强度,等等……”,新课程中也是在高二物理《电场》一节给予说明,同时指出:“这个方法在其它领域也经常使用,例如,人均耕地面积、人均收入、货物的单价等等。”不同版本教材,都要在高二才给出比值法概念,也足以说明比值定义的物理量很抽象,很难掌握。这在教学上一直是个难点,学生理解上也是个难点。学生普遍有这样的疑惑:怎么可以用比值来定义物理量?怎么会想到用比值来定义物理量?下面对比值量的生成过程予以剖析,说明之所以要用比值定义概念,是因为比值定义的物理量更能反映事物的本质。一、比值定义法源于比较其实,比值定义法理论基础是比较。所谓比较,就是事物同异关系的思维过程和方法......(本文共计3页) [继续阅读本文] 物理学与数学有着密切的关系。场强度E=里、磁感应强度B q物理量的共同特点是在电场中某一点的场强是客观存在的或L及其乘积IL均无关A.向相同_，.，__F_，廿.不冬币舌直二—月劣p q比，跟电荷量q成反比分析物理量之。的关系往往可以…于“学’“““”定的““…比值定义的物理量，例如:电{，_口竺、、。、卜卜估。。、}才一—，士OJ之乙性三三J习卜U 以三.月二J产心目J} U{董与定义它的物理量无关而…~。、，。_一.，，。一~户’}理夏。侧如，电切独厦乙=一，} q1，电场力F与试探电荷的电荷l一午这个比值是个定值，与{毓放不放试探电荷均无关·l，它是由产生电场肠源电l ~，__~~一，。~~F一。爵冉如，谧弓歇皿独度万二二二一，’匕足珊1L璧沌直导线所受的安培力屿蘸:定义的，但是B与玩关，与了鬓导体以及导体通不通电也无髓:生磁场的磁体或电“以及该l中，正确的是()。攫荷“‘饭所受的电‘力的方撇的电‘强‘E‘电“碱正撇的“荷和试探“荷共同决定撇汤黝乙对于电场中某一确定的色渭所放试探电荷受到的电场力F与所放电荷的电荷量q的比值里是q一个定值，与放不放试探电...... ( 运用数学工具解决物理问题,培养学生抽象思维能力是中学物理教学目的之一。鉴于物理学和数学有各自不同的研究对象和方法,因此,在运用某种数学工具从量的方面对某些物理概念或规律进行讨论时,不能单纯地从抽象的数学意义去理解问题,而必须充分认识到它们在物理上的局限性与特殊性;必须根据物理量之间相互制约关系去认识这些数学表达式的具体的特定的意义。物理概念的定义和物理规律的叙述,经常用到,’t匕、比值、比例和比例常数”
附录三关于数学在理科中应用的调查报告 我们对理科中物理、化学、计算机基础中数学知识的应用进行了相关的调查。调查过程中翻阅了大量的相关资料，并询问了不少相关的专家，现将结果公布如下： 一、物理学中的数学知识 数学是物理学的基础和工具。离开了数学，物理学几乎寸步难行。现行大学物理系的数学教材几乎囊括了所有高等数学的基础知识。理论物理和实验物理都必需具备相当高深的数学知识。 理论物理中所应用的数学知识有：空间及其拓朴、映射、实分析、群论、线性代数、方阵代数、微分流形和张量、黎曼流行、李导数、李群、矢量分析、积分变换（包括傅里叶变换和拉普拉斯变换）、偏微分方程、复变函数、球函数、柱函数、函数、格林函数、贝塞尔函数、勒让德多项式等。 实验物理中所应用的数学知识呈主要集中在概率统计学中。包括一维、多维随机变量及其分布、概率分布、大数定律、中心极限定理、参数估计、极大似然法等。其中概率分布包括伯努力分布、泊松分布、伽马分布、分布、t分布、F分布等。 从上可以看出，上述数学知识对物理专业来讲，必需了解，且有的需要深入了解。比如群论、空间及拓朴、积分变换、偏微分方程、概率分布、参数估计等。工科和理科、师范类和非师范类、物理专业和非物理专业、其物理学习中所应用的数学知识也有范围和程度上的变化。工科就没有理科要求高，物理专业中所涉及的数学知识也比非物理专业所学物理课本上的数学知识丰富的多。 二、化学中的数学知识 初等化学只是简单介绍物质的组成、结构、性质、变化及合成。除了相应的计算外，与数学的联系没有物理学那么紧密。高等化学需要更深入的研究物质，因此需要相应的高等数学知识为基础。下面我们就化学理论和化学实验两种课程来讨论。 化学理论中所应用的数学知识有：级数及其应用、幂级数与Taylor展开式、Fourier级数、Forbemus方法、Bessel方程、Euler-Maclaurh加法公式、String公式、有限差分、矩阵、一阶偏微分方程、二阶偏微分方程、常微分方程（包括一阶、二阶、线性、联立）、特殊函数（包括贝尔函数和勒让德多项式）积分变换、初步群论等。 化学实验中所应用的数学知识有：随机事件及其概率、随机变量的数字特征、随机分量及其分布、大数定理、中心极限定理、参数估计等。 从上面可以看出，化学中的数学知识主要应用于计算，因此大部分是一些数学公式和方程，并没有更深一步理论推导及逻辑思维、形象思维的要求。所以，化学专业中数学知识的要求不高，只限于了解并会套公式而已。
数学方法在物理学中的应用（一） 物理学中的数学方法是物理思维和数学思维高度融合的产物,借助数学方法可使一些复杂的物理问题显示出明显的规律性,能达到打通关卡、快速简捷地解决问题的目的。高考物理试题的解答离不开数学知识和方法的应用,借助物理知识渗透考查数学能力是高考命题的永恒主题。可以说任何物理试题的求解过程实质上都是一个将物理问题转化为数学问题,然后经过求解再次还原为物理结论的过程。复习中应加强基本的运算能力的培养,同时要注意三角函数的运用,对于图象的运用要重视从图象中获取信息能力的培养与训练。在解决带电粒子运动的问题时,要注意几何知识、参数方程等数学方法的应用。在解决力学问题时,要注意极值法、微元法、数列法、分类讨论法等数学方法的应用。 一、极值法 数学中求极值的方法很多，物理极值问题中常用的极值法有：三角函数极值法、二次函数极值法、一元二次方程的判别式法等。 1．利用三角函数求极值 y ＝acos θ＋bsin θ ＝ ( + ) 令sin φ＝ ，cos φ＝ 则有：y ＝ (sin φcos θ＋cos φsin θ) ＝sin (φ＋θ) 所以当φ＋θ＝π2 时，y 有最大值，且y max ＝． 典例：在倾角θ= 30°的斜面上,放置一个重量为200 N 的物体,物体与斜面间的动摩擦因数为μ= 3 3,要使物体沿斜面匀速向上移动,所加的力至少要多大?方向如何?
【解析】设所加的外力F 与斜面夹角为α,物体受力情况如图所示。 由于物体做匀速直线运动,根据共点力的平衡条件,有 F cos α- mg sin θ-f = 0 N +F sin α - mg cos θ = 0 而f =μN 解得:F =α μαθμθsin cos cos (sin ++mg 因为θ已知,故分子为定值,分母是变量为α的三角函数 y=cos + = ( cos + sin ) = (sin cos + cos sin ) = sin(+ ) 其中 sin = ，cos = ，即 tan = 。 当+ = 90 时，即 = 90 - 时，y 取最大值 。 F 最小值为 ,由于 = ，即 tan = ，所以 = 60。 带入数据得 Fmin = 100 N,此时 = 30 。 【名师点睛】根据对物体的受力情况分析,然后根据物理规律写出相关物理量的方程,解出所求量的表达式,进而结合三角函数的公式求极值,这是利用三角函数求极值的常用方法,这也是数学中方程思想和函数思想在物理解题中的重要应用。 2．利用二次函数求极值 二次函数：y ＝ax 2＋bx ＋c ＝a (x 2＋b a x ＋b 24a 2)＋c －b 24a ＝a (x ＋b 2a )2＋4ac －b 2 4a (其中a 、b 、c 为实常数)，当x ＝－b 2a 时，有极值y m ＝4ac －b 24a (若二次项系数a >0，y 有极小值；若a <0，y 有极大值)。 典例：在“十”字交叉互通的两条水平直行道路上,分别有甲、乙两辆汽车运动,以“十”字中心为原点,沿直道建立xOy 坐标系。在t = 0 时刻,甲车坐标为(1,0),以速度v 0=k m/s 沿 -x 轴方向做匀速直线运
普通物理的数学基础 选自赵凯华老师新概念力学 一、微积分初步 物理学研究的是物质的运动规律，因此我们经常遇到的物理量大多数是变量，而我们要研究的正是一些变量彼此间的联系。这样，微积分这个数学工具就成为必要的了。我们考虑到，读者在学习基础物理课时若能较早地掌握一些微积分的初步知识，对于物理学的一些基本概念和规律的深入理解是很有好处的。所以我们在这里先简单地介绍一下微积分中最基本的概念和简单的计算方法，在讲述方法上不求严格和完整，而是较多地借助于直观并密切地结合物理课的需要。至于更系统和更深入地掌握微积分的知识和方法，读者将通过高等数学课程的学习去完成。 §1．函数及其图形 本节中的不少内容读者在初等数学及中学物理课中已学过了，现在我们只是把它们联系起来复习一下。 1．1函数自变量和因变量绝对常量和任意常量 在数学中函数的功能是这样定义的：有两个互相联系的变量x和y，如果每当变量x取定了某个数值后，按照一定的规律就可以确定y的对应值，我们就称y是x的函数，并记作 y=f(x），（A．1） 其中x叫做自变量，y叫做因变量，f是一个函数记号，它表示y和x数值的对应关系。有时把y=f（x）也记作y=y（x）。如果在同一个问题中遇到几个不同形式的函数，我们也可以用其它字母作为函数记号， 如 （x）、ψ（x）等等。① 常见的函数可以用公式来表达，例如 e x等等。 在函数的表达式中，除变量外，还往往包含一些不变的量，如上面 切问题中出现时数值都是确定不变的，这类常量叫做绝对常量；另一类如a、b、c等，它们的数值需要在具体问题中具体给定，这类常量叫做任意常量。
在数学中经常用拉丁字母中最前面几个（如a、b、c）代表任意常量，最后面几个（x、y、z）代表变量。 当y=f（x）的具体形式给定后，我们就可以确定与自变量的任一特定值x0相对应的函数值f（x0）。例如： （1）若y=f（x）=3+2x，则当x=-2时y=f（-2）=3+2×（-2）=-1． 一般地说，当x=x0时，y=f（x0）=3+2x0． 1．2函数的图形 在解析几何学和物理学中经常用平面 上的曲线来表示两个变量之间的函数关系， 这种方法对于我们直观地了解一个函数的 特征是很有帮助的。作图的办法是先在平面 上取一直角坐标系，横轴代表自变量x，纵 轴代表因变量（函数值）y=f（x）．这样一 来，把坐标为（x，y）且满足函数关系y=f （x）的那些点连接起来的轨迹就构成一条 曲线，它描绘出函数的面貌。图A-1便是上 面举的第一个例子y=f（x）=3+2x的图形，其中P1，P2，P3，P4，P5各点的坐标分别为（-2，-1）、（-1，1）、（0，3）、（1，5）、（2，7），各点连接成一根直线。图A-2是第二个例子 各点连接成双曲线的一支。 1．3物理学中函数的实例 反映任何一个物理规律的公式都是表达变量与变量之间的函数关系的。下面我们举几个例子。 （1）匀速直线运动公式 s=s0＋vt，（A．2） 此式表达了物体作匀速直线运动时的位置s随时间t变化的规律，在这里t相当于自变量x，s相当于因变量y，s是t的函数。因此我们记作s=s（t）＝s0＋vt，（A．3） 式中初始位置s0和速度v是任意常量，s0与坐标原点的选择有关，v对于每个匀速直线运动有一定的值，但对于不同的匀速直线运动可以取不同的值。
《高等数学》知识在物理学中的应用举例 一 导数与微分的应用 分析 利用导数与微分的概念与运算，可解决求变化率的问题。求物体的运动速度、加速度的问题是典型的求变化率问题。在求解这类问题时，应结合问题的物理意义，明确是在对哪个变量求变化率。在此基础上，灵活运用各类导数和微分公式解决具体问题。 例 1 如图，曲柄,r OA =以均匀角速度ω饶定点O 转动.此曲柄借连杆AB 使滑块B 沿直线Ox 运动.求连杆上C 点的轨道方程及速度.设,a CB AC == ,?=∠AOB .ψ=∠ABO y 解 1) 如图，点C 的坐标为： ψ?cos cos a r x +=， (1) .sin ψa y = (2) 由三角形的正弦定理，有 ,sin 2sin ? ψa r = o x 故得 .2sin 2sin r y r a == ψ? (3) 由(1)得 r y a x r a x 2 2cos cos --= -=ψ? (4) 由,1cos sin )4()3(2222=+=+??得 ,12422 222222=---++r y a x y a x r y 化简整理,得C 点的轨道方程为: .)3()(422222222r a y x y a x -++=- 2) 要求C 点的速度,首先对(1),(2)分别求导,得 ,sin cos 2cos sin ψψ?ω?ωr r x --=' ,2 cos ? ωr y =' 其中.?ω'=
又因为,sin 2sin ψ?a r = 对该式两边分别求导,得 .cos 2cos ψ ? ωψa r = ' 所以C 点的速度 2 2 y x V '+'=4 cos )sin cos 2cos sin (2222 ?ωψψ?ω?ωr r r + --= .)sin(cos sin 4cos cos 22ψ?ψ??ψ ω ++= r 例2 若一矿山升降机作加速度运动时,其加速度为),2sin 1(T t c a π-=式中c 及 T 为常数,已知升降机的初速度为零,试求运动开始t 秒后升降机的速度及其所走过的路程. 解: 由题设及加速度的微分形式dt dv a = ,有 ,)2sin 1(dt T t c dv π-= 对等式两边同时积分 ? ?-=v t dt T t c dv 0 ,)2sin 1(π 得: ,2cos 2D T t T c ct v ++=ππ 其中D 为常数. 由初始条件:,0,0==t v 得,2c T D π - =于是 )].12(cos 2[-+ =T t T t c v ππ 又因为,dt ds v = 得 ,)]12(cos 2[dt T t T t c ds -+ =ππ 对等式两边同时积分,可得: )].2sin 2(221[2t T t T T t c s -+=πππ
高中物理中常用的三角函数数学模型 数学作为工具学科，其思想、方法和知识始终渗透贯穿于整个物理学习和研究的过程中，为物理概念、定律的表述提供简洁、精确的数学语言，为学生进行抽象思维和逻辑推理提供有效方法.为物理学的数量分析和计算提供有力工具。 高考物理试题的解答离不开数学知识和方法的应用，借助物理知识渗透考查数学能力是高考命题的永恒主题。可以说任何物理试题的求解过程实质上是一个将物理问题转化为数学问题经过求解再次还原为物理结论的过程。高考物理考试大纲对学生应用数学工具解决物理问题的能力作出了明确要求。 一、三角函数的基本应用 在进行力的分解时，我们经常用到三角函数的运算.虽然三角函数学生初中已经学过，但笔者在多年的教学过程中发现，有相当一部分学生经常在这里出问题，还有一部分学生一直到高三都没把这部分搞清楚.为此，本人将自己的一些体会写出来，仅供大家参考. （一）三角函数的定义式 （二）探寻规律 1．涉及斜边与直角边的关系为“弦”类，涉及两直角边的关系为“切”类； 2．涉及“对边”为“正”类，涉及“邻边”为“余”类； 3．运算符：由直角边求斜边用“除以”，由斜边求直角边用“乘以”，为更具规律性，两直角边之间互求我们都用“乘以”. （三）速写 第一步：判断运算符是用“乘以”还是“除以”； 第二步：判断用“正”还是用“余”； 第三步：判断用“弦”还是用“切”. 即 （边）=（边）（运算符）（正/余）（弦/切） 1、由直角边求斜边 2、由斜边求直角边 3、两直角边互求 （四）典例分析 经典例题1 如图1所示，质量为m 的小球静止于斜面与竖直挡板之间，斜面倾角为θ，求小球对挡板和对斜面的压力大小分别是多少？ 【解析】 2所示。 θtan 1?=mg F 经典例题2 如图3所示，质量为，挡 挡板和使球压紧斜面，重力的分解如图4所示。 二、三角函数求物理极值 因正弦函数和余弦函数都有最大值（为1） 本形式，那么我们可以通过三角函数公式整理出正弦（或余弦）函数的基本形式，然后在确 定极值。现将两种三角函数求极值的常用模型归纳如下： 1．利用二倍角公式求极值 图 3 图 4
物理学中逻辑 内容提要 本文探讨了形式逻辑，经典物理学逻辑，近代物理学逻辑。认为近代物理学的两大柱石即相对论和量子力学在理论完备性和可靠性存在问题。 李鑫2017年6月28日 目录 1形式逻辑 2经典物理学逻辑 2.1牛顿的理论体系 2.2经典电磁学理论体系 3近代物理学逻辑 3.1相对论 3.2量子力学
1形式逻辑 形式逻辑研究的推理中的前提和结论之间的关系，是由作为前提和结论的命题的逻辑形式决定的，而命题的逻辑形式（简称命题形式）的逻辑性质则是由逻辑常项决定的。要弄清逻辑常项的性质，系统地揭示推理规律，就要通过建立逻辑演算，进行元逻辑的研究。研究元逻辑的方法是形式化的公理方法。 形式逻辑的规则：同一律、矛盾律、排中律和理由充足律。这四条规律要求思维必须具备确定性、无矛盾性、一贯性和论证性。 形式逻辑是人们思维的法则，人的思维要把握全貌，辩证分析， 2经典物理学逻辑 2.1牛顿的理论体系 牛顿的理论体系包括牛顿绝对时空观、牛顿动力学三定律和牛顿万有引力规律。 牛顿的绝对时空观念认为空间三维坐标架是绝对静止的，空间坐标表示事件发生的地点和区域的大小，时间是永恒均匀流逝的，时间表示事件发生的先后次序和过程的久暂。 牛顿的动力学三定律包括惯性定律、作用力与质量和加速度乘积成正比和作用力和反作用大小相等，方向相反。 牛顿万有引力定律是引力作用力与质量乘积成正比，和距离平方成反比。 牛顿认为空间是空虚的，作用力是瞬时超距的。校时信号传播速度是无限大，各地的时钟都指向同一时刻，事件发生的同时性是绝对的。 Newton把他的力学理论命名为《自然哲学的数学原理》，可见牛顿对哲学和逻辑学重视。牛顿理论体系自成系统，符合形式逻辑。 牛顿的理论被后来的物理学家拉格朗日和哈密顿等人发展成理论力学。 2.2经典电磁学理论体系 19世纪中叶，描述电磁现象的基本实验规律：库仑定律、毕-萨-拉定律、安培定律、欧姆定律、法拉第电磁感应定律等已经先后提出，建立统一电磁理论的课题摆在了物理学家面前。J.C。Maxwell审查了当时已知的全部电磁学定律、定理的基础，提取了其中带有普遍意义的内容，提出了有旋电场的概念和位移电流的假设，揭示了电磁场的内在联系和相互依存，完成了建立电磁场理论的关键性突破。1865年Maxwell建立了包括电荷守恒定律、介质方程以及电磁场方程在内的完备方程组。麦克斯韦方程组关于电磁波等的预言在三十年后为德国物理学家H.-R.Hertz的实验所证实，证明了位移电流假设和电磁场理论的正确性。它是物理学继牛顿力学之后的又一伟大成就。荷兰物理学家H.-A.Lorentz于1895年提出了著名的洛伦兹力公式，完善了经典电磁理论。经典电磁理论被包括在经典电动力学理论体系之中。 经典理论力学和电动力学是人类认识自然界的两大丰碑，是形式逻辑典范。 3近代物理学逻辑 3.1相对论 1905年9月，德国《物理学年鉴》发表了爱因斯坦的《论动体的电动力学》，这篇论文包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。[2]狭义相对论两个基本假设是物理规律在所有惯性系中都具有相同的形式和光速不变原理。光速不变原理有确定函义：第一，光在真空传播
高中物理解题中涉及的数学知识 物理和数学是联系最密切的两门学科。运用数学工具解决物理问题的能力,是中学物理教学的最基本的要求。高中物理中用到的数学方法有:方程函数的思维方法,不等式法,极限的思维方法,数形结合法,参数的思维方法,统计及近似的思维方法,矢量分析法,比例法,递推归纳法,等等。现就“力学”与“电磁学”中常用数学知识进行归纳。 Ⅰ.力学部分：静力学、运动学、动力学、万有引力、功和能量与几何、代数知识相结合，从而增大题目难度，更注重求极值的方法。 Ⅱ.电磁学部分：电磁学中的平衡、加速、偏转及能量与圆的知识、三角函数，正余弦定理、相似三角形的对应比、扇形面积、二次函数求极值（配方法或公式法）、均值不等式 、正余弦函数、积化和差、和差积化、半角倍角公式、直线方程（斜率，截距）、对称性、)sin(cos sin 22?θθθ++=+b a b a a b =?tan 、数学归纳法及数学作图等联系在一起。 第一章 解三角形 三角函数 1、正弦定理：在C ?AB 中，a 、b 、c 分别为角A 、B 、C 的对边，则有2sin sin sin a b c R C ===A B (R 为C ?AB 的外接圆的半径) 变形公式： ::sin :sin :sin a b c C =A B ； 2、三角形面积公式：111 sin sin sin 222 C S bc ab C ac ?AB = A == B ． 3、余弦定理：在 C ?AB 中，有2 2 2 2cos a b c bc =+-A ，推论：222 cos 2b c a bc +-A = 4、均值定理： 若0a >，0b >，则a b +≥，即2 a b +≥ ()2 0,02a b ab a b +??≤>> ??? ； 2 a b +称为正数a 、b a 、b 的几何平均数． 5、均值定理的应用：设x 、y 都为正数，则有 ⑴若x y s +=（和为定值），则当x y =时，积xy 取得最大值 2 4 s ． ⑵若xy p =（积为定值），则当x y =时，和x y +取得最小值 1、半径为r 的圆的圆心角α所对弧的长为l ，则角α的弧度数的绝对值是l r α= ． 2、弧度制与角度制的换算公式：2360π= ，1180 π = ． 3、若扇形的圆心角为()α α为弧度制，半径为r ，弧长为l ，周长为C ，面积为S ，则l r α=， 2C r l =+，2112 2 S lr r α==． 4、角三角函数的基本关系：()221sin cos 1αα+=；()sin 2tan cos α αα =． 5、函数的诱导公式：
高中物理中的数学知识与方法（选读） 目录： 前言 概念的描述与定义 矢量与矢量的运算 极限思想的体现 待定系数法的应用 （1）认识运动方程 （2）电学实验数据处理 解方程组 变力做功－数学和物理在解题思路中的差别 图象法解题 （1）识图辨析 （2）数形结合 导数在高中物理中的应用 （1）求速度和加速度 （2）求感应电动势 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时，半径与轨迹的关系
前言 在多年的高中教学经历中，接触到很多学生在物理上学习得很努力、很认真，虽然在时间上大量的投入，但成绩总是差强人意。造成这种现象的原因其中之一是受到数学知识的制约，而很多物理问题都得用到数学工具和方法解决；另外一个原因是数学知识掌握得不错，平时数学成绩也好，但不能灵活运用到物理学习中来，对数学和物理两个学科只是独立地进行思考与学习，不能真正地融汇贯通。 高考《考试说明》中明确提出高中生应具备应用数学处理物理问题的能力，即能够根据具体问题列出物理量之间的数学关系式，根据数学的特点、规律进行推导、求解和合理外推，并根据结果得出物理判断、进行物理解释或作出物理结论。能根据物理问题的实际情况和所给条件，恰当地运用几何图形、函数图象等形式和方法进行分析、表达。能够从所给图象通过分析找出其所表达的物理容，用于分析和解决物理问题。 数学物理方法：对一个物理问题的处理，通常需要三个步骤：（1）利用物理定律将物理问题翻译成数学问题；（2）解该数学问题，其中解数学物理方程占有很大的比重，有多种解法；（3）将所得的数学结果翻译成物理，即讨论所得结果的物理意义。 数学与物理的联系：数学是物理的表述形式之一。其学科特点具有高度的抽象性，它能够概括物理运动的所有空间形式和一切量的关系。数学是创立和发展物理学理论的主要工具。物理原理、定律、定理往往直接从实验概括抽象出来，首先是量的测定，然后再建立起量的联系即数学关系式，其中就包含着大量的数学整理工作，本身就要大量的数学运算，才能科学地整理实验所观测到的量，找出它们之间的联系。 用数学语言来描述具体物理问题的能力培养，即能将具体问题转化为数学问题的能力，以期在数学技能与具体问题之间架起桥梁．在解决实际物理问题的时候，从建立坐标开始，包括确定自变量，找出函数关系以至积分上下限的确定等，都要以物理思想来指导．例如，
数学在物理中的应用 前言 物理要创新，不仅仅光靠物理实验，还要有数学做为理论基础。象著名的物理学家——牛顿，谁都可能看到苹果落地，也可想到引力作用，你推导不出规律，而他可以推导出万有引力定律，正因为他有深厚的数学功底，并且会运用数学解决物理问题，而一般人没有。象著名的物理学家——爱因斯坦，由于他有高深莫测数学理论，导出了质能能方程，提出了相对论。他们既是物理学家，又是数学家。 第一章、几何与物理 一、三角形与矢量 矢量，因有三角形而精彩，三角形，因有矢量而实用。在矢量的合成和分解中，我们应用平行四边形定则进行运算，其实在运算过程中，主要是运用三角形性质，解决问题。那么，三角形在矢量中，除了直角三角形外，其他任意三角形，有哪些应用？ 两个三角形相似比的应用 例1如图所示，绳与杆均不计重力，所承受弹力的最大值一定，A点正上方（滑轮大小及摩擦均可忽略），B端吊一重物P。现施拉力T将B端缓慢上拉（绳、杆均未断），在杆达到 竖直前，下列说法中正确的是
A、绳子越来越容易断 B、绳子越来越不容易断 C、杆越来越容易断 D、杆越来越不容易断 分析：OB绳子的拉、物体的重力、AB杆的弹力共点在B 点，设OB=S（变小），AO=H（定量），AB=L（定量）。滑轮大小不计，对B点受力分析，如图可知△AB O∽△PCB，得出对应边成比例，则 T/G=S/H 即 T=SG/H 变小 N/G=L/H 即 N=LG/H=恒量 可得：B答案正确。 余弦定理的应用 例2、物体受到夹角为120°的两个共点力作用，它们的大小分别为10N、20N，则物体合力的大小为多少？ 分析：根据平行四边形定则，合外力平分的两个三角形，不可能是直角三角形，只能运用余弦定理求解，这两个三角形中，其中的一个角为180°-120°=60°，则有
数学物理方法课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称：数学物理方法 所属专业：物理、应用物理专业 课程性质：数学、物理学 学分：5 （二）课程简介、目标与任务 这门课主要讲授物理中常用的数学方法，主要内容包括线性空间和线性算符、复变函数、积分变换和δ-函数、数学物理方程和特殊函数等，适当介绍近年来的新发展、新应用。本门课程是物理系学生建立物理直观的数学基础，其中很多内容是为后续物理课程如量子力学、电动力学等服务，是其必需的数学基础。 这门课中的一些数学手段将在今后的基础研究和工程应用中发挥重要的作用，往往构成了相应领域的数学基础。一般来讲，因为同样的方程有同样的解，掌握和运用这些数学方法所体现的物理内容将更深入，更本质。 （三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接 本课程以普通物理、高等数学和部分线性代数知识为基础，为后继的基础课程和专业课程研究有关的数学问题作准备，也为今后工作中遇到的数学物理问题求解提供基础。 （四）教材：《数学物理方法》杨孔庆编 参考书：1. 《数学物理方法》柯朗、希尔伯特著 2. 《特殊函数概论》王竹溪、郭敦仁编著 3. 《物理中的数学方法》李政道著 4. 《数学物理方法》梁昆淼编 5. 《数学物理方法》郭敦仁编 6. 《数学物理方法》吴崇试编 二、课程内容与安排 第一部分线性空间及线性算子 第一章R3空间的向量分析 第一节向量的概念 第二节R3空间的向量代数
第三节R3空间的向量分析 第四节R3空间的向量分析的一些重要公式 第二章R3空间曲线坐标系中的向量分析 第一节R3空间中的曲线坐标系 第二节曲线坐标系中的度量 第三节曲线坐标系中标量场梯度的表达式 第四节曲线坐标系中向量场散度的表达式 第五节曲线坐标系中向量场旋度的表达式 第六节曲线坐标系中Laplace（拉普拉斯）算符▽2的表达式第三章线性空间 第一节线性空间的定义 第二节线性空间的内积 第三节Hilbert（希尔伯特）空间 第四节线性算符 第五节线性算符的本征值和本征向量 第二部分复变函数 第四章复变函数的概念 第一节映射 第二节复数 第三节复变函数 第五章解析函数 第一节复变函数的导数 第二节复变函数的解析性 第三节复势 第四节解析函数变换 第六章复变函数积分 第一节复变函数的积分 第二节Cauchy（柯西）积分定理 第三节Cauchy（柯西）积分公式 第四节解析函数高阶导数的积分表达式 第七章复变函数的级数展开
数学思想在高中物理中的应用 各位读友大家好，此文档由网络收集而来，欢迎您下载，谢谢众所周知，物理学的发展离不开数学，数学是物理学发展的根基，并且很多物理问题的解决是数学方法和物理思想巧妙结合的产物。打好数学基础要从高中做起，培养学生的数学思想，创新能力，更好的与大学课程接轨，更早的把高中生带到物理殿堂。下面以一题为例说明一下数学思想在物理中的应用：【例一】如图所示，一根一段封闭的玻璃管，长L=96厘米内有一段h1=20厘米的水银柱，当温度为27摄氏度，开口端竖直向上时，被封闭气柱h2=60厘米，温度至少多少度，水银才能从管中全部溢出？解：首先使温度升高为T0以至水银柱上升16厘米，水银与管口平齐，此过程是线性变化。温度继续升高，水银溢出，此过程不再是线性关系。设温度为T时,剩余水银柱长h,对任意位置的平衡态列
方程：(76+ h1)×60/300=(76+h) ×(96-h)/ T 整理得：T=(-h2+20h+7296)/h的变化范围0——20，可以看出温度T是h的二次函数，此问题转化为在定义域内求T 的取值范围,若Tminmax，只有当温度T 大于等于Tmax 才能使水银柱全部溢出，经计算所求值Tmax = 。只有通过二次函数极值法，才能从根上把本体解决。加强数学思想的渗透是新教材新的一个体现，比如：“探索弹簧振子周期与那些因素有关”，“探索弹簧弹力与伸长的关系”。在实际教学过程中应该引起高度重视并加以扩展。大学物理课程与高中物理课程跨度较大，难点在于运用数学手段探索性研究物理问题的方法，另外微积分思想比较难以理解，为了与大学物理课程更好的接轨，在高中阶段对学生进行微积分思想的渗透也是非常必要的。因此在高中物理教学过程中应抓住有利时机渗透微元思想，为学好微积分奠定良好的基础。渗透的内容应该有两方面：一是变化率，二是无限小变化
数学物理学的关系 曾志华 摘要：在人类历史的大部分时期中，数学与物理学几乎始终是不可分地联系在一起的。探索他们的关系，可以让我们更好地了解人类历史的发展。 关键词：历史数学物理学关系 Mathematics and physics relationship Abstract: Most of the time in human history in mathematics and physics, almost always are inseparable links together. Exploring their relationship, can help us know the development of human history better. Key words: history mathematics relationship 在当代物理学发展的过程中，数学的作用越来越重要，物理学和数学的关系问题也日益成为人们关注的焦点。而维格纳曾经指出：“阐述物理学定律的数学语言的恰当性这样一种奇迹是一件极好的礼品，我们既不理解它也没有得到它”。“数学在自然科学中的极大的有用性是相当神秘的，没有对它进行的合理的说明州”。这很有代表性地说明了人们对这个问题的关注以及问题的复杂性。 一、数学与物理学的关系随历史的变化 从古希腊时代起，数学因为它在考察自然中所起的作用，而被评为头等重要的，天文学和音乐经常与数学相联系，而力学和光学则毫无疑问是数学的，但是，数学与物理学的关系，在几个方面由于17世纪的工作而改变了。第一方面，因为大大地扩展了的物理学已被伽利略指导去使用量的公理和数学的演绎，所以由物理学直接激发的教学的活力就变得占支配地位了。第二方面，伽利略指令去寻求数学的描述而不是去探索因果关系的解释，导向了接受像万有引力那样的概念，万有引力和运动定律是牛顿力学系统的全部基础，因为对万有引力唯一可靠的认识是数学的认识，所以数学变成了物理学理论的实体。第三方面，这时，数学和物理学之间的界限变得模糊了，也就是说当物理学变得越来越依靠数学来产生它的物理结论时，数学也变得越来越依赖于物理学的成果，来证实自己的做法的正确性。 也许有人以为数学家将会关心保持他们学科的特性，但是事实并非如此，他们根本不是被迫依赖于物理意义和结果来捍卫他们的论点，事实上17、18 世纪对数学贡献最大的人或者主要是物理学家，或者至少同等地涉及这两个领域，比如笛卡儿、惠更斯、牛顿，他们作为物理学家要大大超过他们作为数学家。费马、莱布尼兹等在物理学中是很活跃的，事实上，这个时期，很难说出一位对物理学没有浓厚兴趣的杰出的数学家的名字。由此可见，数学家和物理学家的界限有时并不是那么分明，很多数学家对物理学感兴趣；同时很多物理学家都需要借助数学工具来解决他们遇到很多困难。 19 世纪后，数学是物理学的工具。在19 世纪所有复杂的技术创造中间，最深刻的一个是非欧几里德几何学，在技术上是最简单的，这个创造引起数学的一些重要分支，但它的最重要影响是迫使数学家们从根本上改变对数学性质的理解，以及它和物质世界的关系的理
物理学中的数学 物理学中的数学，这是一个论述范围十分宽广的话题。我是数学系的，学的是纯数学，可我对物理学从小就有着莫大的兴趣，至今对他仍是念念不忘，时刻关注着它的发展。所以，对于物理学中的数学这一话题，也有着浅浅的思考和感悟。物理学和数学是我一生最为感兴趣的学科，鉴于此，我想写一篇关于它们之间的论述，一点也许不着边际的泛泛之谈，以泄自己心头之爱。 数学对于整个自然科学（甚至社会科学也可以算在内）的重要性，我想任何语言都是无法言明的。上帝是数学家，唯一能够描述的语言是数学，这句话却一点也没错。往小一点说，如果没有数学，也就没有今天的现代科技。当然，现在要说的仅仅是物理学中的数学。 事实胜于雄辩，真实的历史往往能反映这一点。所以我们将跟随物理学这一门学科的发展历程，穿过历史的层层迷雾，从中我们可以发现，物理学的建立与发展应用了哪些数学工具，而数学又是如何对物理产生重要影响和推动的，从中我们也可以看到，整个的物理学大厦是如何建立在这些简洁优美的数学法则之上的。 近代物理学都沿袭了希腊古典科学的血统，延续着古希腊式的精神文明。古希腊人从以思辨为主的哲学逐渐地发展出了众多分支学科，其中最重要的分支就是数学和物理学。从很多的事例我们可以看出，古希腊那些有才学的人，当时对数学是非常之重视，例如，毕达哥拉斯学派曾提出了一个重要的理念，数即万物，光从字面意思理解，这句话是很有问题的，但从世界是按照数学逻辑运转的角度看的话，这句话是对于当时是很有前瞻性的，但不管如何，他们还是隐约地发现了数学逻辑在物质运转所诠释的作用。又一个例子，柏拉图在自己新开设的柏拉图学园的门口立了一块牌子：不懂数学者不得入内。以此种种表明他们对数学非常之看重。古希腊的百科全书式学者，亚里士多德，从日常的观察实践，凭借经验总结出万物运行的一套理论，虽然现在看来有些显得非常之荒谬和幼稚，但这至少是人类认识世界和改造世界的一个起始，是物理学的雏形。 伽利略，这位近代物理学之父，创造出了数学推理与实验相结合的科学传统，这是历史上数学与物理学第一次的大融合。数学推导加上物理实验，此后一直是科学发现的一把神器，合称双剑，后来，牛顿利用这把神器大刀阔斧地建立了他的经典物理学，人类也有史以来第一次建立起了整个物理世界的体系（牛顿很幸运，因为机会只有一次），万物毕恭毕敬地遵守着这些法则（laws）运转。这次帮助牛顿建立起的经典物理学大厦的数学工具就是它自己独自发明的流数和反流数（微积分）。今天，我们仍可以回顾那一段令人激动的历史，“1685年牛顿应用微积分证明了，地球吸外部物体时，恰像全部的质量集中在球心（球对称）一样。”其实这是发现万有引力定律很关键的一步，胡克就因为不懂微积分而与发现万有引力定律而无缘。有了万有引力定律，以后再利用数学上的微积分则可以随时计算出各行星的运行轨道（各类双曲线形）。这是多么美妙的一件事，上帝运行这个宇宙的法则和奥秘终于被发现了，有了牛顿，一切都光明了。 分析力学，牛顿力学的另一种表述，或者说是它的推广和严格化，不过这次登场的主要是数学家。其实可以看出，很多时候，数学家和物理学家是互通的，所谓数理不分家，以前的科学家动不动就是数学家兼物理学家，后面还有什么家家的，真的是牛人一个，不过自彭加莱以后，就再也没有这样的通才了（知识爆炸的今天，任何一个小领域都能吞噬一个人一辈子的时间）。18世纪的数学家们创立了分析力学，以先进的数学工具重新表述了牛顿力学体系，用独特的数学形式重新刷新了整个力学系统。数学家欧拉所发明的变分法（其实后来拉格朗日也独自发明了变分法，之间还有他们两人之间的一段小故事）则直接孕育了力学中的最小作用原理。其实上帝在创造宇宙必定是按照这个原理进行的，因为这是最为经济和实惠的创造方式。“分析力学最终的成就是拉格朗日方程。由虚功原理和达朗贝尔原理，可以得到所谓的力学普遍方程，在此基础上，拉格朗日进一步引进了广义坐标，广义速度和广义
数学在各学科中的作用 当今世界的科技每时每刻都在飞速地发展,物理,化学,生物,建筑,信息技术等等各式各样的学科无一不在现代生活中展现着他们的魅力,,然而,在所有这些学科的背后,还有一门科学在支撑着它们,那就是数学。数学有一种独特的抽象性，正是因为数学抽象，其结论应用十分广泛。数字由许许多多事物抽象而来，它不代表任何意义，也正是因为它不代表任何意义，所以它可以应用在任何地方。2+3=5不仅适用于人，也适用于书、本、笔等等。 在数学中，同一个方程式完全可能代表着互不相干的事物的某种相同规律。同一个拉普拉斯方程可能代表许多不同的物理现象。某种生物种类群体的数量变化可能与市场某种商品的价格涨落满足同一数学模型。数学在其它学科中有特殊的地位与作用。数学是各门科学的语言。物理定律及原理都是用数学语言描述的，数学在力学与物理学中的地位与作用是人所共知的。 物理学应该是应用数学最多的学科之一，数学公式使描述物理现象变得简单而一般。动力学中最基本的概念——加速度的定义本质上就是一个导数，缺少了导数的概念，又怎么会有加速度的定义呢？解决理想的运动学问题会用到微分方程的概念，微分方程的理论使解决复杂的运动问题变得可能。数学的功底也是一个优秀的物理学家所必备的，在此，我们不妨举两位大物理学家的例子。法拉弟是一位伟大的实验物理学家，他通过实验发现了电场、磁场、电力线、磁力线、电与磁的对称关系等，但他数学功底不够（相对来说），不能把他的实验结果上升为理论（没有可操作性）。而另一位电磁学的大师麦克斯韦确有很好的数学功底，他用微分方程和向量代数等数学方法，完整地揭示上述现象，并于1862年发表了划时代的论文《论物理的力线》，使得这些理论有了广泛的应用。今天的无线广播、电视、雷达通讯，遥控等，都是以它为基础的。所以说，如果没有数学的发展，物理学也难有突破。物理学和数学就像一对亲密无间的伙伴，永远密不可分。而物理学，正是数学在实际学科中应用的最好体现。 信息科学是二十世纪才发展起来的一门科学，我们如今的生活已经处处融入了这门科学。计算机帮我们解决了以往难以解决的复杂问题，互联网让世界变得越来越小，数字通信技术让人与人之间变得很近。而信息科学的基础就是数学，没有布尔代数，如何会有电子系统中0和1编码段？没有矩阵理论，如何解决复杂的工程建设规划问题？没有数学中许许多多的算法，又如何在计算机上展现出美妙的图案？可以这样比喻，信息科学正是在数学的肥沃土壤中长出的一朵美丽娇艳的花。我们作为北邮的大学生，应该充分认识到这一点，注重打好我们自己的良好数学功底，为以后的深造作好准备。 当然，不仅仅是理科才会用到数学，就连艺术也离不开数学。15世纪欧洲文艺复兴时期，绘画艺术之所以能有惊人的发展，正是得益于数学的分支——几何学的进步。一幅画要想逼真生动的展现现实世界，就要用到投影和几何学的原理。达芬奇是文艺复兴时期的代表人物，他不仅是一位画家，也是一位几何学家，发明家和梦想家。它的每一幅作品无一不是建立在严谨的投影规则之上的，也正因为此，他的画才那样细腻，那样准确，那样迷人。此外，雕塑，徽标设计，建筑等等都离不开数学，2006年德国世界杯的徽标就是由几个外切圆组成的笑脸构成的。 数学是美的，因为他融入了生活，融入了世界的每一个角落。马克思曾说“只有当一门学科应用了数学之后，它才成为了一门真正的科学”。每一门科学中都体现着数学的价值，在人类即将写下的历史中，数学仍将不断地发展，随之而来的，就是科学和社会的进步。