欢迎光临散文网 会员登陆 & 注册

用向量分析推导欧拉恒等式与复变三角函数

2021-04-26 00:40 作者:中国大黄鸭鸭  | 我要投稿

第一节 基础知识

1 微基分

具体内容略,2333~~~

【up主】还有,上面正确的写法应该是“积微成著”的“积”,不是“搞基搞比利”的“基”,2333~


觉得看着枯燥?不如买一包薯条吧


矢函数??屎函数??



第二节 定义复变三角函数

  在推导复变三角函数之前,我们先讨论一下三角函数到底是什么。我想下面这张图,应该已经很好地定义了%5Csin%20%CE%B8%5Ccos%20%CE%B8。下图主要依赖于几何思维,而非代数思维,而三角函数的出处就是几何。因此它对定义复变三角函数,掌握了绝对发言权,自然也比解析延拓更有发言权。

  根据基本的微分几何常识,可知%7C%5Cvec%20r%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)%7C%3D1恒成立。积分式中的“%C2%B1”,是因为计算向量模长时,会求出2个根,而此处%CE%B8可能等于正根,也可能等于负根。

接下来的内容,就是为了检验红字部分是否恒成立。

听说鸭子的阴茎是螺旋形的,貌似可以用三角函数描述


第三节 证明图中%5Cvec%20r%20%5Cleft(%201%20%5Cright)%3D%5Cleft(%20%5Ccos%20%CE%B8%20%2C%20%5Csin%20%CE%B8%20%5Cright)

  注:本节暂时只考虑%CE%B8%E2%88%88%5Cmathbb%20R的情况。复变三角函数的推导过程在第四节。

%E2%88%B5%5Cfrac%7Bd%20%5Cvec%20r%7D%7Bdt%7D%3D%CE%B8%5Cvec%20k%E2%88%A7%5Cvec%20r

%E2%88%B4%5Cfrac%7Bd%5E2%20%5Cvec%20r%7D%7Bdt%5E2%7D%3D%CE%B8%5E2%20%5Cvec%20k%E2%88%A7%20%5Cleft(%20k%E2%88%A7%5Cvec%20r%20%5Cright)%3D%CE%B8%5E2%20%5Cleft(%20%5Cleft%3C%5Cvec%20r%2C%5Cvec%20k%20%5Cright%3E%20%5Cvec%20k%20-%5Cleft%3C%5Cvec%20k%2C%5Cvec%20k%20%5Cright%3E%20%5Cvec%20r%20%5Cright)%3D-%CE%B8%5E2%20%5Cvec%20r

  记y%3D%5Cvec%20r_n%2Cn%E2%88%88%5Cmathbb%20Z_%2B,则:

%5Cfrac%7Bd%5E2%20y%7D%7Bdt%5E2%7D%3D-%CE%B8%5E2y%5C%20%E2%91%B4%5C%20%5C%20

  此时定义p%3Dp(t)%3D%5Cfrac%7Bdy%7D%7Bdt%7D%5C%20%E2%91%B5%5C%20%5C%20,则

%5Cfrac%7Bd%5E2y%7D%7Bdx%5E2%7D%3D%5Cfrac%7Bdp%7D%7Bdx%7D%3D%5Cfrac%7Bdp%7D%7Bdy%7D%5Cfrac%7Bdy%7D%7Bdx%7D%3Dp%5Cfrac%7Bdp%7D%7Bdy%7D%5C%20%E2%91%B6%5C%20%5C%20

  将%5C%20%E2%91%B6%5C%20%5C%20代入%5C%20%20%E2%91%B4%5C%20%5C%20,得

p%5Cfrac%7Bdp%7D%7Bdy%7D%3D-%CE%B8%5E2y

  等式两边乘dy并求积分,得

%5Cint%20pdp%3D-%CE%B8%5E2%5Cint%20ydy

【哪吒】怒气冲冲地打死了up主

  化简,得

p%5E2%3DC_1%5E2-%CE%B8%5E2y%5E2

  上式开平方并求倒数,得

%5Cfrac%201p%3D%5Cfrac%201%7B%5Csqrt%7BC_1%5E2-%CE%B8%5E2y%5E2%7D%7D

  将%5C%20%E2%91%B5%5C%20%5C%20代入,得

%5Cfrac%20%7Bdt%7D%7Bdy%7D%3D%5Cfrac%201%7B%5Csqrt%7BC_1%5E2-%CE%B8%5E2y%5E2%7D%7D

  等式两边乘dy并求积分,得

%5Cint%20dt%20%3D%20%5Cint%20%5Cfrac%20%7Bdy%7D%7B%5Csqrt%7BC_1%5E2-%CE%B8%5E2y%5E2%7D%7D%3D%5Cfrac%201%7BC_1%7D%5Cint%20%5Cfrac%20%7Bdy%7D%7B%5Csqrt%7B1-%20%5Cleft(%20%5Cfrac%7B%CE%B8y%7D%7BC_1%7D%20%5Cright)%5E2%20%7D%7D

  记%5Csin%20%CF%89%3D%5Cfrac%7B%CE%B8y%7D%7BC_1%7D,于是%5Ccos%20%CF%89%3D%5Csqrt%7B1-%20%5Cleft(%20%5Cfrac%7B%CE%B8y%7D%7BC_1%7D%20%5Cright)%5E2%20%7D。则:

C_1t%20%3D%5Cint%20%5Cfrac%20%7Bd%20%5Csin%20%CF%89%7D%7B%5Ccos%20%CF%89%7D%20%3D%20%5Cint%20%5Cfrac%20%7B%5Ccos%20%CF%89%7D%7B%5Ccos%20%CF%89%7Dd%CF%89%3D%CF%89%2BC_2%3D%20%5Csin%5E%7B-1%7D%20%5Cfrac%7B%CE%B8y%7D%7BC_1%7D%20%2BC_2

%E2%88%B4y%3D%20%5Cfrac%20%7BC_1%20%5Csin%20%5Cleft(%20C_1t-C_2%20%5Cright)%7D%CE%B8

小心,别把西瓜汁蹭到衣服上~~

  此时可以基本确定:

%5Cvec%20r%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)%20%3D%20%5Cleft%5B%20%5Cfrac%20%7BC_1%20%5Csin%20%5Cleft(%20C_1t-C_2%20%5Cright)%7D%CE%B8%2C%5Cfrac%20%7BC_3%20%5Csin%20%5Cleft(%20C_3%20t-C_4%20%5Cright)%7D%CE%B8%20%5Cright%5D%5C%20%E2%91%B7%5C%20%5C%20

%E2%88%B4%5Cvec%20r'%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)%20%3D%20%5Cleft%5B%20%5Cfrac%20%7BC_1%5E2%20%5Ccos%20%5Cleft(%20C_1%20t-C_2%20%5Cright)%20%7D%CE%B8%2C%5Cfrac%20%7BC_3%5E2%20%5Ccos%20%5Cleft(%20C_3%20t-C_4%20%5Cright)%20%7D%CE%B8%20%5Cright%5D

%E2%88%B4%5Cvec%20r'%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)%20%3D%20%5Cleft%5C%7B%20%5Cfrac%20%7BC_1%5E2%20%5Csin%20%5Cleft%5B%2090%C2%B0-%20%5Cleft(%20C_1t-C_2%20%5Cright)%20%5Cright%5D%7D%CE%B8%2C%5Cfrac%20%7BC_3%5E2%20%5Csin%20%5Cleft%5B%2090%C2%B0-%20%5Cleft(%20C_3t-C_4%20%5Cright)%20%5Cright%5D%20%7D%CE%B8%20%5Cright%5C%7D

%E2%88%B4%5Cvec%20r'%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)%20%3D%20%5Cleft%5B%20%5Cfrac%20%7BC_1%5E2%20%5Csin%20%5Cleft(%2090%C2%B0%2BC_2-C_1t%20%20%5Cright)%20%7D%CE%B8%2C%5Cfrac%20%7BC_3%5E2%20%5Csin%20%5Cleft(%2090%C2%B0%2BC_4-C_3t%20%5Cright)%20%7D%CE%B8%20%5Cright%5D%5C%20%E2%91%B8%5C%20%5C%20

%E2%88%B5%5Cvec%20r%E2%80%99%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)%20%3D%20%CE%B8%5Cvec%20k%E2%88%A7%5Cvec%20r%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)

%E2%88%B4%5Cvec%20r%E2%80%99%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)%20%3D%20%5Cleft%5B%20-C_3%20%5Csin%20%5Cleft(%20C_3t-C_4%20%5Cright)%20%EF%BC%8CC_1%20%5Csin%20%5Cleft(%20C_1t-C_2%20%5Cright)%20%5Cright%5D%5C%20%E2%91%B9%5C%20%5C%20

  由%5C%20%E2%91%B8%5C%20%5C%20%5C%20%E2%91%B9%5C%20%5C%20,得

%5Cleft%5C%7B%0A%5Cbegin%7Barray%7D%7B1%7D%0AC_1%3D-C_3%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%26%20%E2%91%BA%5C%5C%0AC_1%3D%5C%20%5C%20%5C%20%5Cfrac%7BC_3%5E2%7D%CE%B8%20%26%20%E2%91%BB%5C%5C%0AC_3%3D-%5Cfrac%7BC_1%5E2%7D%CE%B8%20%20%20%20%20%20%26%20%E2%91%BC%5C%5C%0AC_4%3D-C_2-90%C2%B0%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%26%20%E2%91%BD%5C%20%5C%20%5C%5C%0A%5Cend%7Barray%7D%0A%5Cright.

  将%5C%20%E2%91%BA%5C%20%5C%20代入%5C%20%E2%91%BB%5C%20%5C%20%5C%20%E2%91%BC%5C%20%5C%20,得

%5Cleft%5C%7B%0A%5Cbegin%7Barray%7D%7B1%7D%0AC_3%3D-%5Cfrac%7BC_3%5E2%7D%CE%B8%20%5C%5C%0AC_1%3D%5C%20%5C%20%5C%20%5Cfrac%7BC_1%5E2%7D%CE%B8%20%20%5C%5C%0A%5Cend%7Barray%7D%0A%5Cright.

  约去公因式,得

%5C%20%E2%91%BE%5C%20%5C%20%5Cleft%5C%7B%0A%5Cbegin%7Barray%7D%7B1%7D%0AC_1%3D%5C%20%5C%20%5C%20%CE%B8%20%5C%5C%0AC_3%3D-%CE%B8%20%5C%5C%0A%5Cend%7Barray%7D%0A%5Cright.

  将%5C%20%E2%91%BD%5C%20%5C%20%5C%20%E2%91%BE%5C%20%5C%20代入%5C%20%E2%91%B7%5C%20%5C%20,得

%5Cvec%20r%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)%20%3D%20%5Cleft%5B%20%5Csin%20%5Cleft(%20%CE%B8t-C_2%20%5Cright)%2C%5Csin%20%5Cleft(%20%CE%B8t%2BC_2%2B90%C2%B0%20%5Cright)%20%5Cright%5D%5C%20%E2%91%BF%5C%20%5C%20

%E2%88%B5%5Cvec%20r%20%5Cleft(%200%20%5Cright)%20%3D%20%5Cvec%20i

  记%E2%88%80k%2C%E2%88%80l%20%E2%88%88%20%5Cmathbb%20Z,则

%5Cleft%5C%7B%0A%5Cbegin%7Barray%7D%7B1%7D%0A0%CE%B8-C_2%20%20%20%20%20%20%20%20%26%20%3D90%C2%B0(4k%2B1)%20%20%5C%5C%0A0%CE%B8%2BC_2%2B90%C2%B0%20%26%20%3D%2090%C2%B0(4l%2B0)%20%5C%5C%0A%5Cend%7Barray%7D%0A%5Cright.

  化简,得

%5Cleft%5C%7B%0A%5Cbegin%7Barray%7D%7B1%7D%0AC_2%20%3D%2090%C2%B0%20%5Cleft(%20-4k-1%20%5Cright)%20%5C%5C%0AC_2%20%3D%2090%C2%B0%20%5Cleft(%20%5C%20%5C%20%5C%204l%5C%20-1%20%5Cright)%20%5C%5C%0A%5Cend%7Barray%7D%0A%5Cright.

  代入%5C%20%E2%91%BF%5C%20%5C%20,得

%5Cvec%20r%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)%20%3D%20%5Cleft%5B%20%5Csin%20%5Cleft(%20%CE%B8t%2B90%C2%B0%20%5Cright)%2C-%5Csin%20%5Cleft(%20-%CE%B8t%20%5Cright)%20%5Cright%5D

%E2%88%B4%5Cvec%20r%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)%20%3D%20%5Cleft(%20%5Ccos%20%CE%B8t%2C%5Csin%20%CE%B8t%20%5Cright)%5C%20%E2%92%80%5C%20%5C%20

%E2%88%B4%5Cvec%20r%20%5Cleft(%201%20%5Cright)%20%3D%20%5Cleft(%20%5Ccos%20%CE%B8%2C%5Csin%20%CE%B8%20%5Cright)

近日,一外国小哥……

  另外,这个结论也可以验证——将%5C%20%E2%92%80%5C%20%5C%20代入图中的向量微分方程即可。

第四节 复变三角函数如何计算?

  将图中的%CE%B8换成i%CE%B8%E2%88%88%5Cmathbb%20I,可得

%5Cfrac%7Bd%20%5Cvec%20r%7D%7Bdt%7D%3Di%CE%B8%5Cvec%20k%E2%88%A7%5Cvec%20r

%E2%88%B4%5Cfrac%7Bd%5E2%20%5Cvec%20r%7D%7Bdt%5E2%7D%3D%CE%B8%5E2%20%5Cvec%20r

%E2%88%B4%5Cfrac%7Bd%5Cvec%20r%7D%7Bdt%7D%3D%C2%B1%CE%B8%20%5Cvec%20r

  记y%3D%5Cvec%20r_n%2Cn%E2%88%88%5Cmathbb%20Z_%2B,则:

%5Cfrac%7Bdy%7D%7Bdt%7D%3D%C2%B1%CE%B8y

%E2%88%B4%5Cfrac%7Bdt%7Dy%5Cfrac%7Bdy%7D%7Bdt%7D%3D%C2%B1%5Cfrac%7Bdt%7Dy%CE%B8y

%E2%88%B4%5Cfrac%7Bdy%7Dy%3D%C2%B1%CE%B8dt

%E2%88%B4%5Cint%20%5Cfrac%7Bdy%7Dy%3D%C2%B1%CE%B8%5Cint%20dt

%E2%88%B4%5Cln%20y%3D%C2%B1%CE%B8t%2BC_0

%E2%88%B4y_1%3DC_1e%5E%7B%CE%B8t%7D%2Cy_2%3DC_2e%5E%7B-%CE%B8t%7D

  根据二阶常系数线性齐次微分方程的通解规则,由于y_1%2Cy_2线性无关,因此y%3DAy_1%2BBy_2,即:

y%3DC_1e%5E%7B%CE%B8t%7D%2BC_2e%5E%7B-%CE%B8t%7D

%E2%88%B4%5Cvec%20r%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)%3D%5Cleft(%20C_1e%5E%7B%CE%B8t%7D%2BC_2e%5E%7B-%CE%B8t%7D%2C%20C_3e%5E%7B%CE%B8t%7D%2BC_4e%5E%7B-%CE%B8t%7D%20%5Cright)

%E2%88%B4%5Cvec%20r'%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)%3D%CE%B8%5Cleft(%20C_1e%5E%7B%CE%B8t%7D-C_2e%5E%7B-%CE%B8t%7D%2C%20C_3e%5E%7B%CE%B8t%7D-C_4e%5E%7B-%CE%B8t%7D%20%5Cright)%5C%20%E2%92%81%5C%20%5C%20

%E2%88%B5%5Cvec%20r%E2%80%99%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)%20%3D%20i%CE%B8%5Cvec%20k%E2%88%A7%5Cvec%20r%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)

%E2%88%B4%5Cvec%20r%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)%20%3D%20%5Cfrac%20i%CE%B8%20%5Cvec%20k%E2%88%A7%5Cvec%20r%E2%80%99

  由%5C%20%E2%92%81%5C%20%5C%20,得

%5Cvec%20r%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)%3Di%5Cleft(%20-C_3e%5E%7B%CE%B8t%7D%2BC_4e%5E%7B-%CE%B8t%7D%20%2C%20C_1e%5E%7B%CE%B8t%7D-C_2e%5E%7B-%CE%B8t%7D%2C%20%5Cright)

%E2%88%B4%5Cvec%20r%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)%3D%5Cleft%5B%20C_1e%5E%7B%CE%B8t%7D%2BC_2e%5E%7B-%CE%B8t%7D%2C%20i%20%5Cleft(%20C_1e%5E%7B%CE%B8t%7D-C_2e%5E%7B-%CE%B8t%7D%20%5Cright)%20%5Cright%5D%5C%20%E2%92%82%5C%20%5C%20

你正在吃的是奥利奥还是丹麦曲奇?

  再根据%5C%20%E2%92%82%5C%20%5C%20可得:

%5Cleft%5C%7B%0A%5Cbegin%7Barray%7D%7B1%7D%0AC_1%2BC_2%3D1%5C%5C%0Ai%5Cleft(C_1-C_2%20%5Cright)%3D0%0A%5Cend%7Barray%7D%0A%5Cright.

  解得:

C_1%3DC_2%3D%5Cfrac%2012

  代入%5C%20%E2%92%82%5C%20%5C%20,得

%5Cvec%20r%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)%3D%5Cleft%5B%20%5Cfrac%2012%20%5Cleft(%20e%5E%7B%CE%B8t%7D%2BC_2e%5E%7B-%CE%B8t%7D%20%5Cright)%2C%20%5Cfrac%20i2%20%5Cleft(%20C_1e%5E%7B%CE%B8t%7D-C_2e%5E%7B-%CE%B8t%7D%20%5Cright)%20%5Cright%5D

  即:

%E2%88%B4%5Cvec%20r%20%5Cleft(%20t%20%5Cright)%3D%5Cleft(%20%5Ccosh%20%CE%B8t%20%2C%20i%20%5Csinh%20%CE%B8t%20%5Cright)

%E2%88%B4%5Cvec%20r%20%5Cleft(%201%20%5Cright)%3D%5Cleft(%20%5Ccosh%20%CE%B8%20%2C%20i%20%5Csinh%20%CE%B8%20%5Cright)

  根据图中三角函数的定义,得:


重要的事情说三遍:

小伙伴们看完,一定要三连关注哟~

小伙伴们看完,一定要三连关注哟~

小伙伴们看完,一定要三连关注哟~


用向量分析推导欧拉恒等式与复变三角函数的评论 (共 条)

分享到微博请遵守国家法律