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从欧拉公式到泰勒展开

2022-01-15 23:05 作者:匆匆-cc  | 我要投稿

        公元1748年,欧拉发表著名的公式:

e%5E%7Bi%5Ctheta%7D%3D%5Ccos%5Ctheta%2Bi%5Csin%5Ctheta

        这个公式还有更加著名的一面:

e%5E%7Bi%5Cpi%7D%2B1%3D0

        这就是欧拉公式

        该公式联系起数学中最重要的5个常数:

            0:最小的自然数,原点

            1:最小的正整数,单位元

            e:自然常数,e%20%3D%20%5Clim_%7Bn%5Cto%2B%5Cinfty%7D%20(1%2B%5Cfrac%7B1%7D%7Bn%7D%20)%5E%7Bn%7D%20

            %5Cpi:圆周率,圆的周长与直径的比值

            i:虚数单位,i%3D%5Csqrt%7B-1%7D

        因而被誉为“最美的数学公式”。

        1712年7月,泰勒提出著名定理:

f(x)%5Cvert%20_%7Bx%3Dx_%7B0%7D%20%7D%20%3D%5Cfrac%7Bf(x_%7B0%7D%20)%7D%7B0!%7D%2B%5Cfrac%7Bf'(x_%7B0%7D%20)%7D%7B1!%7D(x-x_%7B0%7D)%2B%5Cfrac%7Bf''(x_%7B0%7D%20)%7D%7B2!%7D(x-x_%7B0%7D)%5E2%2B%E2%80%A6%2B%5Cfrac%7Bf%5E%7B(n)%7D(%7Bx%7D_%7B0%7D%20)%7D%7Bn!%7D(x-x_%7B0%7D)%5E%7Bn%7D%2BR_%7Bn%7D(x)

        其中,R_%7Bn%7D(x)%3D%5Cfrac%7Bf%5E%7B(n%2B1)%7D(%5Cvarepsilon%20)%7D%7B(n%2B1)!%7D(x-x_%7B0%7D)%5E%7Bn%2B1%7D称为%5Cmathbf%7Bn%7D阶泰勒余项

        以上即为著名的泰勒展开式

        特别的,当x_%7B0%7D%3D0时,有

f(x)%3Df(0)%2Bf'(0)x%2B%5Cfrac%7Bf''(0)%7D%7B2!%7Dx%5E2%2B%E2%80%A6%2B%5Cfrac%7Bf%5E%7B(n)%7D%7D%7Bn!%7D(0)x%5En%2BR_%7Bn%7D(x)

        称为%5Cmathbf%7Bn%7D麦克劳林公式

        以上为基础知识,下面进入正题。

        先来看三个特殊函数的麦克劳林展开式。

%5Csin(x)%3Dx-%5Cfrac%7Bx%5E3%7D%7B3!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E5%7D%7B5!%7D-%5Cfrac%7Bx%5E7%7D%7B7!%7D%2B%E2%80%A6

%5Ccos(x)%3D1-%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B2!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E4%7D%7B4!%7D-%5Cfrac%7Bx%5E6%7D%7B6!%7D%2B%E2%80%A6

e%5Ex%3D1%2Bx%2B%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B2!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E3%7D%7B3!%7D%2B%E2%80%A6

        读者可自行验证。

        谈到这里,就不得不说明一个重要概念——解析延拓

        简单来说,就是补充原有函数的定义域。

        说得好玩一点,就是数学家喜欢把本来不应该往里面放的东西放到里面去,比如说这里的x,照理来说也该是个实数,偏偏数学家放进了别的东西:复数,甚至是矩阵。

        这里,数学家放入了虚数i%5Ctheta,于是有:

%5Cbegin%7Balign%7D%0Ae%5E%7Bi%5Ctheta%7D%26%3D1%2Bi%5Ctheta%2B%5Cfrac%7B(i%5Ctheta)%5E2%7D%7B2!%7D%2B%5Cfrac%7B(i%5Ctheta)%5E3%7D%7B3!%7D%2B%5Cfrac%7B(i%5Ctheta)%5E4%7D%7B4!%7D%2B%5Cfrac%7B(i%5Ctheta)%5E5%7D%7B5!%7D%2B%E2%80%A6%0A%5C%5C%26%3D1%2Bi%5Ctheta-%5Cfrac%7B%5Ctheta%5E2%7D%7B2!%7D-i%5Cfrac%7B%5Ctheta%5E3%7D%7B3!%7D%2B%5Cfrac%7B%5Ctheta%5E4%7D%7B4!%7D%2Bi%5Cfrac%7B%5Ctheta%5E5%7D%7B5!%7D%2B%E2%80%A6%0A%5C%5C%26%3D(1-%5Cfrac%7B%5Ctheta%5E2%7D%7B2!%7D%2B%5Cfrac%7B%5Ctheta%5E4%7D%7B4!%7D%2B%E2%80%A6)%2Bi(%5Ctheta-%5Cfrac%7B%5Ctheta%5E3%7D%7B3!%7D%2B%5Cfrac%7B%5Ctheta%5E5%7D%7B5!%7D%2B%E2%80%A6)%0A%5C%5C%26%3D%5Ccos%5Ctheta%2Bi%5Csin%5Ctheta%0A%5Cend%7Balign%7D

        代入%5Ctheta%3D%5Cpi,立刻得到:

e%5E%7Bi%5Cpi%7D%2B1%3D0

后记:

        基础介绍片,为后续数学工具应用作准备。

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