欧拉公式

本页使用了标题或全文手工转换
维基百科,自由的百科全书

欧拉公式(英語:Euler's formula,又稱尤拉公式)是複分析领域的公式,它将三角函数复指数函数关联起来,因其提出者莱昂哈德·歐拉而得名。歐拉公式提出,對任意实数 ,都存在

其中 自然对数的底数虚数單位,而 則是餘弦正弦對應的三角函数,参数 則以弧度为单位[1]。這一複數指數函數有時還寫作 cis x (英語:cosine plus i sine,余弦加i 乘以正弦)。由於該公式在 複數時仍然成立,所以也有人將這一更通用的版本稱為歐拉公式[2]

歐拉公式在数学、物理和工程领域应用广泛。物理学家理查德·费曼将歐拉公式称为:“我们的珍宝”和“数学中最非凡的公式”[3]

时,歐拉公式变为,即歐拉恒等式

历史[编辑]

約翰·伯努利注意到有[4]

并且由于

上述公式通过把自然对数和复数(虚数)联系起来,告诉我们关于複對數的一些信息。然而伯努利并没有计算出这个积分。

欧拉也知道上述方程,伯努利对欧拉的回应表明他还没有完全理解复对数。欧拉指出复对数可以有无穷多个值。

与此同时,罗杰·柯特斯英语Roger Cotes于 1714 年发现[5]

由于三角函数的周期性,一个复数可以加上 2iπ 的不同倍数,而它的复对数可以保持不变。

1740年左右,欧拉把注意力从对数转向指数函数,得到了以他命名的欧拉公式。欧拉公式通过比较指数的级数展开和三角函数得到(其实此证法存在问题,原因见验证方法,但结论正确。),于1748年发表[6][5]

大约50年之后,卡斯帕尔·韦塞尔提出可以把复数視做复平面中的点。

形式[编辑]

对于任意实数,以下等式恆成立:

由此也可以推导出

时,欧拉公式的特殊形式为

证明[编辑]

首先,在复数域上对进行定义:

对于,规定

复数的极坐标表示,有:

且根据棣莫弗公式

从而有:

假设,则:

(由於包含n在冪,所以要ln)从而有:

這一步驟用到 墨卡托級數


即:

又有(arctan x 約等於x 於0附近):

从而可以证明:

即:

,可得欧拉公式。

证毕。[7]

验证方法[编辑]

方法一:泰勒级数
把函数写成泰勒级数形式:
代入可得:
方法二:求導法
对于所有,定義函數
由於
可知不可能為0,因此以上定義成立。
之导数為:
拉格朗日中值定理
因此必是常數函數
重新整理,即可得到:
方法三:微積分
找出一个原函數,使得
假设 ,有:
假设 ,有:
使用積分法,可得的原函數是以上兩個函數分别与任意实数的和,分别记为:
其中,和:是任意实数。
時,,观察到:
所以,可以得出:

cis函數[编辑]

在複分析領域,歐拉公式亦可以以函數的形式表示

並且一般定義域,值域為(复平面上的所有单位向量)。

當一複數的模為1,其反函數就是輻角arg函數)。

值為複數時,cis函數仍然是有效的,所以有些人可利用cis函數將歐拉公式推廣到更複雜的版本。[2]

檢定和角公式[编辑]

由於,則有

實部等於實部,虛部等於虛部,因此

在複分析的應用[编辑]

這公式可以說明當 實數時,函數 可在複數平面描述一單位圓。且 為此平面上一條連至原點的線與正實數軸的交角。先前一個在複數平面的複點只能用笛卡尔坐标系描述,歐拉公式在此提供複點至極坐標的變換

任何複數 皆可記為

在此

為實部
為虛部
,其中

參見[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ Eulers Formula. 密蘇里科技大學. [2021-06-13]. (原始内容存档于2020-02-21). 
  2. ^ 2.0 2.1 Moskowitz, Martin A. A Course in Complex Analysis in One Variable. World Scientific Publishing Co. 2002: 7. ISBN 981-02-4780-X. 
  3. ^ Feynman, Richard P. The Feynman Lectures on Physics, vol. I. Addison-Wesley. 1977: 22-10. ISBN 0-201-02010-6. 
  4. ^ Bernoulli, Johann. Solution d'un problème concernant le calcul intégral, avec quelques abrégés par rapport à ce calcul [Solution of a problem in integral calculus with some notes relating to this calculation]. Mémoires de l'Académie Royale des Sciences de Paris. 1702, 1702: 197–289. 
  5. ^ 5.0 5.1 John Stillwell. Mathematics and Its History. Springer. 2002 [2018-07-17]. (原始内容存档于2019-06-04). 
  6. ^ Leonard Euler (1748) Chapter 8: On transcending quantities arising from the circle页面存档备份,存于互联网档案馆) of Introduction to the Analysis of the Infinite, page 214, section 138 (translation by Ian Bruce, pdf link from 17 century maths).
  7. ^ 张, 筑生. 数学分析新讲(第一册). 北京大学出版社. 1990.