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工程数学基础-欧拉公式

2023-02-25 11:06 作者:sky92昙  | 我要投稿

虽然过程很简单,著名的欧拉公式的推导还是要记录一下的

DrCAN只说明了验证部分,后半本分为补充

e%5E%7Bi%5Ctheta%7D%3D%5Ccos%5Ctheta%2Bi%5Csin%5Ctheta%20%5C%5C%0Ae%5E%7Bi%5Cpi%7D%2B1%3D0%2C%5Ctheta%3D%5Cpi

反推验证

我们现在可以先做个验证

首先复数基础就知道  i%3D%5Csqrt%7B-1%7D%20

先设一个函数  然后 对其求导

f(%5Ctheta)%20%3D%20%5Cfrac%7Be%5E%7Bi%5Ctheta%7D%7D%7B%5Ccos%5Ctheta%2Bi%5Csin%5Ctheta%7D%20%0A%5C%5C%20%5Crightarrow%20%0Af'(%5Ctheta)%20%3D%20%5Cfrac%7Bie%5E%7Bi%5Ctheta%7D(%5Ccos%5Ctheta%2Bi%5Csin%5Ctheta)%20-%20e%5E%7Bi%5Ctheta%7D(-%5Csin%5Ctheta%2Bi%5Ccos%5Ctheta)%7D%7B(%5Ccos%5Ctheta%2Bi%5Csin%5Ctheta)%5E2%7D%20%3D%20%0A%5Cfrac%7Bie%5E%7Bi%5Ctheta%7D%5Ccos%5Ctheta-e%5E%7Bi%5Ctheta%7D%5Csin%5Ctheta%2Be%5E%7Bi%5Ctheta%7D%5Csin%5Ctheta-ie%5E%7Bi%5Ctheta%7D%5Ccos%5Ctheta%7D%7B(%5Ccos%5Ctheta%2Bi%5Csin%5Ctheta)%5E2%7D%3D0%20

那么说明这个函数是一个常数 f(%5Ctheta)%3Dconst%20

那么再次令 f(%5Ctheta)%3Df(0)%3D%5Cfrac%7Be%5E%7Bi0%7D%7D%7B%5Ccos0%2Bi%5Csin0%7D%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B1%2B0%7D%3D1%20%20

那么结果就非常简单了

历史上欧拉在观察泰勒展开式才发现的这个关系

我们来看几个常见函数的泰勒展开

e%5Ex%20%3D1%2B%5Cfrac%20x%7B1!%7D%20%2B%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B2!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E3%7D%7B3!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E4%7D%7B4!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E5%7D%7B5!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E6%7D%7B6!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E7%7D%7B7!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E8%7D%7B8!%7D%2B...%20

%5Ccos%20x%20%3D%201-%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B2!%7D%20%2B%5Cfrac%7Bx%5E4%7D%7B4!%7D-%5Cfrac%7Bx%5E6%7D%7B6!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E8%7D%7B8!%7D-...%20

%5Csin%20x%3D%5Cfrac%7Bx%5E1%7D%7B1!%7D-%5Cfrac%7Bx%5E3%7D%7B3!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E5%7D%7B5!%7D-%5Cfrac%7Bx%5E7%7D%7B7!%7D%2B...%20

此时欧拉观察到  将 两个三角函数的展开式相加 得到的分母分布就很符合e%5Ex的展开式的分母分布;那么将其相加得到:

%5Ccos%20x%20%2B%20%5Csin%20x%20%3D1%2B%20%5Cfrac%7Bx%5E1%7D%7B1!%7D-%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B2!%7D-%5Cfrac%7Bx%5E3%7D%7B3!%7D%20%2B%5Cfrac%7Bx%5E4%7D%7B4!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E5%7D%7B5!%7D-%5Cfrac%7Bx%5E6%7D%7B6!%7D-%5Cfrac%7Bx%5E7%7D%7B7!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E8%7D%7B8!%7D%20%2B...%20

注意:此时我们再次和上述  e%5Ex  展开式比较 ,可见这里有一些符号上的差异,其集中在分母为  2367 , 其实如再向后写,会看见隔两项目就会出现负号,即 出现负号时的分母为 2 3 6 7 10 11;那么此时,可以预见如果有一种数可以根据幂次的递增来改变正负就很好了,那么此时猜想出可能复数有这个能力  , 由于  i%5E0%3D1%2Ci%5E1%3Di%2Ci%5E2%3D-1%2Ci%5E3%3D-i%2Ci%5E4%3D1  ,其正负号也是根据幂次递增相隔两项;

那么就把这个特殊的数引入函数来;将自然幂指函数混合复数做如下函数泰勒展开:

e%5E%7Bix%7D%20%3D%201%20%2B%5Cfrac%20%7Bix%7D%7B1!%7D%20%2B%5Cfrac%7Bi%5E2x%5E2%7D%7B2!%7D%2B%5Cfrac%7Bi%5E3x%5E3%7D%7B3!%7D%2B%5Cfrac%7Bi%5E4x%5E4%7D%7B4!%7D%2B%5Cfrac%7Bi%5E5x%5E5%7D%7B5!%7D%2B%5Cfrac%7Bi%5E6x%5E6%7D%7B6!%7D%2B%5Cfrac%7Bi%5E7x%5E7%7D%7B7!%7D%2B%5Cfrac%7Bi%5E8x%5E8%7D%7B8!%7D%2B...%20%5C%5C%3D%0A1%2B%5Cfrac%20%7Bix%7D%7B1!%7D%20-%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B2!%7D-%5Cfrac%7Bix%5E3%7D%7B3!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E4%7D%7B4!%7D%2B%5Cfrac%7Bix%5E5%7D%7B5!%7D-%5Cfrac%7Bx%5E6%7D%7B6!%7D-%5Cfrac%7Bix%5E7%7D%7B7!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E8%7D%7B8!%7D%2B...%20%20

而上述式子将分母分布方式以三角函数的展开式分为两部分(两股),就有如下继续推导

e%5E%7Bix%7D%20%3D%20(1-%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B2!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E4%7D%7B4!%7D-%5Cfrac%7Bx%5E6%7D%7B6!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E8%7D%7B8!%7D%2B...)%2B(%5Cfrac%20%7Bix%7D%7B1!%7D%20-%5Cfrac%7Bix%5E3%7D%7B3!%7D%2B%5Cfrac%7Bix%5E5%7D%7B5!%7D-%5Cfrac%7Bix%5E7%7D%7B7!%7D%2B...)%20%5C%5C%0A%3D%20(1-%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B2!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E4%7D%7B4!%7D-%5Cfrac%7Bx%5E6%7D%7B6!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E8%7D%7B8!%7D%2B...)%2Bi(%5Cfrac%20%7Bx%7D%7B1!%7D%20-%5Cfrac%7Bx%5E3%7D%7B3!%7D%2B%5Cfrac%7Bx%5E5%7D%7B5!%7D-%5Cfrac%7Bx%5E7%7D%7B7!%7D%2B...)%20%20

可见方程的左方集合为 余弦函数展开
可见方程的右方集合为 正弦函数展开后乘系数 i

e%5E%7Bi%5Ctheta%7D%3D%5Ccos%5Ctheta%2Bi%5Csin%5Ctheta%20%20

那么得证 Q.E.D.

e%5E%7Bi%5Ctheta%7D%3D%5Ccos%5Ctheta%2Bi%5Csin%5Ctheta%20%5C%5C%0Ae%5E%7Bi%5Cpi%7D%2B1%3D0%2C%5Ctheta%3D%5Cpi

 


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