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用二项式定理证明欧拉恒等式

2021-06-27 09:29 作者:中国大黄鸭鸭  | 我要投稿

  这种证明方式绕开了对复指数的求导,绕开了对指数函数全纯性的推定,用一种全新的方式对欧拉恒等式等公式进行了证明。本文是瓦解「数学虚无主义」的阶段性成果,并不是最终成果。

  此处「数学虚无主义」主要指一种认为数学定理是人为定义的错误思潮,在欧拉恒等式上体现为对追求欧拉恒等式推导过程严谨化的懒惰,认为前人的证明不够严谨,就断定后人不可能有更严谨的证明方法。这是懦弱无能和悲观主义的体现,不利于数学的发展。

  引理1:牛顿广义二项式定理,即:%5Cleft(%20x%2By%20%5Cright)%5E%CE%B1%20%3D%20%5Csum_%7Bk%3D0%7D%5E%E2%88%9E%20C_k%5E%CE%B1%20x%5E%7B%CE%B1-k%7Dy%5Ek

  其中C_k%5E%CE%B1%20%3D%20%5Cfrac%7B%20%CE%B1%20%5Cleft(%20%20%CE%B1-1%20%5Cright)%20%5Cleft(%20%20%CE%B1-2%20%5Cright)%20%5Ccdots%20%5Cleft(%20%20%CE%B1-k%2B1%20%5Cright)%7D%7Bk!%7D

牛顿的漠然


  引理2:%5Clim_%7Bn%5Cto%E2%88%9E%7D%201%5E%7Bin%CE%B8%7D%3D1

  

  记p%E2%86%92%E2%88%9E,且现在p%3Dn%CE%B8,则%CE%B8%E2%86%9B0

  %E2%88%B4%5Clim_%7Bn%5Cto%E2%88%9E%7D%201%5E%7Bin%CE%B8%7D%3D%5Clim_%7Bp%5Cto%E2%88%9E%7D%201%5E%7Bip%7D%20%5Cleft(%20%CE%B8%E2%86%9B0%20%5Cright)

  令%CE%B8%3D1

  %E2%88%B4%20%5Clim_%7Bn%5Cto%E2%88%9E%7D%201%5E%7Bin%7D%3D%5Clim_%7Bp%5Cto%E2%88%9E%7D%201%5E%7Bip%7D

  但要注意:p是一个变量,它不可能永远满足p%3Dn(这是%CE%B8%3D1的情况)——它要不断趋于%E2%88%9E。因此,我们再设%CE%B8%3D2(更趋于%E2%88%9E了)

  %E2%88%B4%20%5Clim_%7Bn%5Cto%E2%88%9E%7D%201%5E%7B2in%7D%3D%5Clim_%7Bp%5Cto%E2%88%9E%7D%201%5E%7Bip%7D

  %E2%88%B4%20%5Clim_%7Bn%5Cto%E2%88%9E%7D%201%5E%7Bin%7D%20%3D%20%5Clim_%7Bn%5Cto%E2%88%9E%7D%201%5E%7B2in%7D

  记%5Clim_%7Bn%5Cto%E2%88%9E%7D%201%5E%7Bin%7D%20%3D%20b

  %E2%88%B4%20%5Clim_%7Bn%5Cto%E2%88%9E%7D%201%5E%7Bin%7D%20%3D%20%5Clim_%7Bn%5Cto%E2%88%9E%7D%5Cfrac%7B%201%5E%7B2in%7D%20%7D%7B%201%5E%7Bin%7D%20%7D%20%3D%201%20%5Cleft(%20b%20%E2%89%A0%200%20%E2%88%A7%20b%E2%89%A0%E2%88%9E%20%5Cright)

  证毕。(其实没有完全证毕,但至少已经消除了几乎所有的其它备选结果了)

李永乐老师与欧拉恒等式


  命题:欧拉公式,即:e%5E%7Bi%CE%B8%7D%20%3D%20%5Ccos%20%CE%B8%20%2B%20i%5Csin%20%CE%B8

  证

  根据引理1,得

  e%5E%7Bi%CE%B8%7D%20%3D%20%5Clim_%7Bn%5Cto%E2%88%9E%7D%20%5Cleft(%201%2B%5Cfrac1n%20%5Cright)%5E%7Bin%CE%B8%7D%20%3D%20%5Clim_%7Bn%5Cto%E2%88%9E%7D%20%20%5Csum_%7Bk%3D0%7D%5E%E2%88%9E%20C_k%5E%7Bin%CE%B8%7D%201%5E%7Bin%CE%B8-k%7D%20%5Cfrac1n%5Ek%20

  根据引理2,得

  e%5E%7Bi%CE%B8%7D%20%3D%20%5Clim_%7Bn%5Cto%E2%88%9E%7D%20%20%5Csum_%7Bk%3D0%7D%5E%E2%88%9E%20%5Cfrac%7BC_k%5E%7Bin%CE%B8%7D%7D%7Bn%5Ek%7D%20%20%3D%5Clim_%7Bn%5Cto%E2%88%9E%7D%20%201%20%2B%20%5Cfrac%7Bin%CE%B8%7D%7Bn%7D%20%2B%20%5Cfrac%7B(in%CE%B8)(in%CE%B8-1)%7D%7B2!n%5E2%7D%20%20%2B%20%5Ccdots

  %3D%20%5Clim_%7Bn%5Cto%E2%88%9E%7D%201%20%2B%20i%CE%B8%20-%20%5Cfrac%7B%CE%B8%5E2%7D%7B2!%7D%2B%5Ccdots

  注意!上面这一步严格来说只有在计算级数前面的有限项时才是完备的,否则无穷小的误差会不断积累。然而我们不可能计算无限项,我们计算的从来都只是有限项,因此误差不在这里,只在是否收敛的问题上。

  接着:

e%5E%7Bi%CE%B8%7D%20%3D%20%5Clim_%7Bn%5Cto%E2%88%9E%7D%20%5Ccos%20%CE%B8%20%2B%20i%20%5Csin%20%CE%B8

  以及:

e%5E%7Bi%CF%80%7D%2B1%3D0

  本文只是一个初级方案,依然存在一些直觉推定。希望大家在评论区和私信中提出细化推导过程的方案,up主将不胜感激。另外,那些不愿尝试严谨化欧拉公式证明的「数学虚无主义」者们,我建议你们24小时躺平在床上,偶尔起床吃饭就好。这样什么都不用尝试,也能过得很好。

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