• 数学误区:乘积的求和


    乘积的积分

    对于求和的运算,例如算术求和和定积分运算是线性的,因而满足线性叠加律,即:

    [int{(f(x)+g(x))}dx=int{f(x)}dx+int{g(x)dx} ]

    但是对于两个函数的乘积,却未必有类似的结论:

    [int{f(x)cdot g(x)}dx eq int{f(x)}dxcdotint{g(x)}dx ]

    这点可以用下面的例子来验证,例如,我们可以取:

    [f_1(x)=2x,f_2(x)=3x^2 ]

    可以验证,这两个函数在[0,1]的区间上都满足归一化条件,现在取这两者在[0,1]上的积分有:

    [int_0^1 {2xcdot 3x^2}dx=int_0^1 6x^3 dx=3/2 eq 1=int_0^1 2xdx cdot int_0^1 3x^2 dx ]

    只有当这两个乘积函数相互独立时,乘积的平均才等同于平均的乘积,这可以直接用多重积分的性质证明。

    [iint_{0,0}^{1,1}{f(x)g(y)}dxdy=int{f(x)}dxcdot int{g(y)}dy ]

    同样可以用例子验证,例如这里取:f(x)=2x, g(y)=3y^2

    [iint_{0,0}^{1,1}{2xcdot 3y^2}dxdy=iint_{0,0}^{1,1}{6xy}dxdy=1=int_0^1 2xdx cdot int_0^1 3y^2dy ]

    乘积的平均

    在磁流体力学中,定义了流体元对某物理量分布A(v,r,t)的平均密度如下式[1]:

    [<A>=frac{iiint A(vec{v},vec{r},t) f(vec{v},vec{r},t)dvec{v}} {iiint f(vec{v},vec{r},t)dvec{v}}=frac{1}{n}iiint{A fdvec{v}} ]

    其中有f是物理量在6维几何速度空间的归一化概率分布函数,其中三维几何空间中的密度n定义如下:

    [n=iiint{f(vec{v},vec{r},t)dvec{v}} ]

    由于之前对积分乘积性质的证明可知,流体元的平均满足下面的规律:

    [<A+B>=<A>+<B> ]

    [<Acdot B> eq <A>cdot <B> ]

    只有当A,B相互独立时,上式才取等号。

    参考:
    [1]:J.Freidberg, "Ideal MHD"

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