由單擺進入拉格朗日力學
牛頓力學用力向量描述運動;拉格朗日力學改用能量差。本文以單擺為例,介紹廣義座標的概念,推導歐拉-拉格朗日方程式,並說明為何張力(約束力)在這個框架中自動消失。
牛頓力學用力向量描述運動;拉格朗日力學改用能量差。本文以單擺為例,介紹廣義座標的概念,推導歐拉-拉格朗日方程式,並說明為何張力(約束力)在這個框架中自動消失。
相空間把單擺所有可能的運動一次畫出來。本文介紹相平面的座標、等能量曲線的三種類型(libration、separatrix、rotation),說明 separatrix 的方程式與物理意義,並連結到 K(k) 在 k→1 時的發散行為。
第一類橢圓積分 K(k) 沒有初等函數公式,但可以高效率地計算。本文介紹兩種方法:冪級數展開(適合小 k)與算術幾何平均(AGM)演算法。AGM 每迭代一次有效位數倍增,只需約 10 步即可達到機器精度。
第一類完全橢圓積分 K(k) 出現在大角度單擺的精確週期公式中。本文定義 K(k),說明它為何不能用初等函數表示,討論其在 k=0 和 k→1 時的行為,並給出冪級數展開式,讓單擺週期修正一目瞭然。
把立方電阻網路無限延伸,兩個相鄰節點的等效電阻是多少?本文用疊加原理給出無需積分的優雅答案 R/3,再用格點格林函數與離散傅立葉變換推導出三重積分,最後用對稱性論證讓積分精確消去。立方晶格等效電阻系列第八篇。
高中學到的單擺公式 T = 2pi*sqrt(L/g) 其實只是小角度近似。本文從牛頓力學出發,用能量守恆推導大角度單擺的精確週期積分,並透過半角代換推導出以第一類橢圓積分 K(k) 表達的精確公式 T = 4*sqrt(L/g)*K(sin(theta_0/2))。
有了圖 Laplacian L,解電路問題等同於解 Lv=i。但 L 是奇異矩陣,本文介紹兩種處理方式:接地縮減法與 Moore–Penrose 擬逆。從擬逆推導出有效電阻閉合公式,再用 Python 一次驗算正方體三種連法,並展示立方體 Laplacian 的美麗特徵譜。立方晶格等效電阻系列第七篇。
電路可以用圖來描述:節點是頂點,電阻是帶權重的邊。把這個想法寫成矩陣,就得到圖 Laplacian L = D - A。本文從小例子出發,推導出 KCL 的矩陣形式 Lv = i,並寫出正方體電路的 8×8 Laplacian 矩陣。立方晶格等效電阻系列第六篇。
正方體 12 條邊各一顆電阻 R,除了體對角線(5R/6),面對角線與稜邊的等效電阻分別是多少?本文用群作用軌道法系統化處理三種連法,展示端點選擇如何決定對稱群大小、進而影響聯立方程式壓縮程度。立方晶格等效電阻系列第五篇。
食鹽為什麼是正方體?水分子為什麼是彎曲的?本文從分子對稱出發介紹群的四條公理、群作用與軌道,說明對稱性如何把立方體電路問題降維。立方晶格等效電阻系列第四篇。