复数的物理意义

综合了两个知乎帖子，https://www.zhihu.com/question/23234701/answer/26017000和https://zhuanlan.zhihu.com/p/19763358?columnSlug=wille理解复数的物理意义。

虚数i这个概念大家在高中就接触过，但那时我们只知道它是-1 的平方根，可是它真正的意义是什么呢?

这里有一条数轴，在数轴上有一个红色的线段，它的长度是1。当它乘以 3 的时候，它的长度发生了变化，变成了蓝色的线段，而当它乘以-1 的时候，就变成了绿色的线段，或者说线段在数轴上围绕原点旋转了 180 度。
我们知道乘-1 其实就是乘了两次 i 使线段旋转了 180 度，那么乘一次 i 呢——答案很简单——旋转了 90 度。

复数最直观的理解就是旋转！
4*i*i = -4
就是“4”在数轴上旋转了180度。

那么4*i就是旋转了90度。



同时，我们获得了一个垂直的虚数轴。实数轴与虚数轴共同构成了一个复数的平面，也称复平面。这样我们就了解到，乘虚数i的一个功能——旋转。

现在，就有请宇宙第一耍帅公式欧拉公式隆重登场——



这个公式在数学领域的意义要远大于傅里叶分析，但是乘它为宇宙第一耍帅公式是因为它的特殊形式——当x等于 Pi 的时候。



另外，e^t是什么样呢？

但当你在指数上加上i之后呢？变成了一个螺旋线。是不是和电磁场很像？（想拿欧拉公式去跟女生炫学术的男生注意了：她们，真的，不CARE）

变成了一个螺旋线。是不是和电磁场很像？（想拿欧拉公式去跟女生炫学术的男生注意了：她们，真的，不CARE）

当然，更重要的意义在于复数运算保留了二维信息。

假如我让你计算3+5，虽然你可以轻松的计算出8，但是如果让你分解8你会有无数种分解的方法，3和5原始在各自维度上的信息被覆盖了。

但是计算3+5i的话，你依然可以分解出实部和虚部，就像上图那样。

基于以上两个理由，用复数来描述电场与磁场简直完美到爆棚！

我们即可以让电场强度与复数磁场强度相加而不损失各自的信息，又满足了电场与磁场90度垂直的要求。另外，一旦我们需要让任何一个场旋转90度，只要乘一个“i”就可以了



受@physixfan答案的提醒，再补充一点。
正弦波在频域可以看作是自然数中的“1”，可以构成其他数字的基础元素。当你需要5的时候，你可以看成是1*5（基础元素的五倍）也看以看成2+3（一个基础元素2倍与基础元素3倍的和）。这些用基础元素构成新元素的运算是线性运算。
但是现在你如何用线性运算吧2sin（wt）变换成4sin（wt+pi/6）呢？
利用欧拉公式，我们可以将任何一个正弦波看作其在实轴上的投影。假如两个不同的正弦波，可以用数学表达为：

好了，现在如果我想用第一个正弦波利用线性变换为第二个，我们就只需要将A乘对应的系数使其放大至B（本例为乘2），然后将θ1加上一定的角度使其变为θ2（本例为加30度），然后将得到的第二个虚数重新投影回实轴，就完成了在实数中完全无法做到的变换。
这种利用复指数来计算正弦波的方法也对电磁波极其适用，因为电磁波都是正弦波，当我们需要一个电磁波在时间上延迟/提前，或是在空间上前移/后移，只需要乘一个复指数就可以完成对相位的调整了。