Размерность Вапника — Червоненкиса
- 1 year ago
- 0
- 0
Разме́рность физической величины — выражение, показывающее связь этой величины с основными величинами данной системы физических величин ; записывается в виде произведения степеней сомножителей, соответствующих основным величинам, в котором численные коэффициенты опущены .
Говоря о размерности, следует различать понятия система физических величин и система единиц .
Под системой физических величин понимается совокупность физических величин вместе с совокупностью уравнений, связывающих эти величины между собой. В свою очередь, система единиц представляет собой набор основных и производных единиц вместе с их кратными и дольными единицами, определенными в соответствии с установленными правилами для данной системы физических величин .
Все величины, входящие в систему физических величин, делят на основные и производные. Под основными понимают величины, условно выбранные в качестве независимых так, что никакая основная величина не может быть выражена через другие основные. Все остальные величины системы определяются через основные величины и называются производными .
Каждой основной величине сопоставляется символ размерности в виде заглавной буквы латинского или греческого алфавита. В различных системах физических величин используются следующие обозначения размерностей :
Основная величина | Символ для размерности |
---|---|
Длина | L |
Масса | M |
Время | T |
Электрический ток | I |
Термодинамическая температура | Θ |
Количество вещества | N |
Сила света | J |
Сила | F |
Далее размерности производных величин обозначаются с использованием этих символов.
Символы размерностей используют также для обозначения систем величин . Так, система величин, основными величинами которой являются длина, масса и время, обозначается как LMT . На её основе были образованы такие системы единиц, как СГС , МКС и МТС . На основе системы LFT , в которой основными величинами являются длина, сила и время, создана система единиц МКГСС .
В Международной системе величин ( англ. International System of Quantities, ISQ ), на которой базируется Международная система единиц (СИ) , в качестве основных величин выбраны длина , масса , время , электрический ток , термодинамическая температура , сила света и количество вещества . Символы их размерностей приведены выше в таблице . Соответственно Международная система величин обозначается символами LMTIΘNJ .
Для указания размерностей производных величин используют символ dim (от англ. dimension — размер, размерность). Иногда на размерность указывают заключением величины в квадратные скобки: .
Например, для скорости при равномерном движении выполняется
где — длина пути, пройденного телом за время . Чтобы определить размерность скорости, в данную формулу следует вместо длины пути и времени подставить их размерности:
Аналогично для размерности ускорения получается
Из уравнения второго закона Ньютона с учётом размерности ускорения для размерности силы в Международной системе величин и в любой другой системе, где в качестве основных величин используются длина, масса и время, следует:
В общем случае размерность физической величины представляет собой произведение размерностей основных величин, возведённых в различные рациональные степени . Показатели степеней в этом выражении называют показателями размерности физической величины. Если в размерности величины хотя бы один из показателей размерности не равен нулю, то такую величину называют размерной , если все показатели размерности равны нулю — безразмерной .
Как следует из сказанного выше, размерность физической величины зависит от используемой системы величин. Так, например, размерность силы в системе LMT , как указано выше, выражается равенством dim F = LMT -2 , а в системе LFT выполняется dim F = F . Кроме того, безразмерная величина в одной системе величин может стать размерной в другой. Например, в системе LMT электрическая ёмкость имеет размерность L и отношение ёмкости сферического тела к его радиусу — безразмерная величина, тогда как в Международной системе величин (ISQ) это отношение не является безразмерным. Однако многие используемые на практике безразмерные числа (например, критерии подобия , постоянная тонкой структуры в квантовой физике или числа Маха , Рейнольдса , Струхаля и др. в механике сплошных сред ) характеризуют относительное влияние тех или иных физических факторов и являются отношением величин с одинаковыми размерностями, поэтому, несмотря на то, что входящие в них величины в разных системах могут иметь разную размерность, сами они всегда будут безразмерными.
В формулах, имеющих физический смысл, только величины, имеющие одинаковую размерность, могут складываться, вычитаться или сравниваться. Например, сложение массы какого-либо предмета с длиной другого предмета не имеет смысла. Также невозможно сказать, что больше: 1 килограмм или 3 секунды . Из этого правила, в частности, следует, что левые и правые части уравнений должны иметь одинаковую размерность.
Кроме того, аргументы экспоненциальных, логарифмических и тригонометрических функций должны быть безразмерными величинами.
Эти правила используются для проверки правильности физических формул. Если в полученном уравнении какое-то из них нарушается, то ясно, что в вычислениях была допущена ошибка.
Формула размерности зависимой величины (при выбранной системе величин) выводится из требования, чтобы отношение двух численных значений зависимой величины не зависело от выбранных масштабов основных. Это приводит к тому, что размерность зависимой величины всегда имеет вид степенной зависимости.
То есть, формула размерности , где — зависимая величина, а набор — основные. Квадратные скобки обозначают, что в выражении участвуют размерности.
Для зависимой величины , где — основная, наложенное условие гласит, что
Откуда следует
Где функция g зависит только от масштаба. Поэтому для измерения, записанного в разных масштабах:
Изменение масштаба , приводит к свойству
Дифференцирование крайних равенств по даёт:
В точке
Где — число. Интегрирование приводит к тому, что . Откуда .
В случае применяется полученный результат при фиксированных масштабах всех основных величин кроме , тогда из следует .
Таким образом, общая формула размерности .
На основании этой формулы можно получить правило размерности ( Пи-теорему ), которое гласит, что в безразмерных переменных количество параметров задачи можно уменьшить на число размерно-независимых величин.
Анализ размерности — метод, используемый физиками для построения обоснованных гипотез о взаимосвязи различных размерных параметров сложной физической системы. Иногда анализ размерности можно использовать для получения готовых формул (с точностью до безразмерной константы). Суть метода заключается в том, что из параметров, характеризующих систему, составляется выражение, имеющее нужную размерность.
При анализе размерностей формул размерность левой части уравнения должна быть равна размерности правой части уравнения. Отсутствие такого равенства говорит о неверности формулы. Однако наличие такого равенства не даёт стопроцентной гарантии верности формулы.