图:Original: GuntherDerivative work: Wereon · CC BY-SA 3.0 · Wikimedia Commons
- 类型
- 恒等式、定理
- 发现 / 发明时间
- 1748 年
- 发现者 / 提出者
- 莱昂哈德·欧拉
- 命名来源
- 莱昂哈德·欧拉
- 研究学科
- 复分析、三角学
- 学科
- 物理学
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百科正文
其中 e 是自然对数的底数, i 是虚数单位,而 cos 和 sin 则是余弦、正弦对应的三角函数,参数 x 则以弧度为单位。这一复数指数函数有时还写作 cis x (英语:cosine plus i sine,余弦加i 乘以正弦)。由于该公式在 x 为复数时仍然成立,所以也有人将这一更通用的版本称为欧拉公式。
欧拉公式在数学、物理和工程领域应用广泛。物理学家理查德·费曼将欧拉公式称为:“我们的珍宝”和“数学中最非凡的公式”。
当 x=π 时,欧拉公式变为 e^(i π)+1=0,即欧拉恒等式。
在复分析的应用
这公式可以说明当 x 为实数时,函数 e^(ix) 可在复数平面描述一单位圆。且 x 为此平面上一条连至原点的线与正实轴的交角。先前一个在复平面的复点只能用笛卡尔坐标系描述,欧拉公式在此提供复点至极坐标的变换
任何复数 z=x+yi 皆可记为 z=x+iy=|z|(cos φ +isin φ)=|z|e^(iφ)
z=x-iy=|z|(cos φ -isin φ)=|z|e^(-iφ)
在此 (公式略) 为实部 (公式略) 为虚部 (公式略) 为 z 的模 φ =atan2 (y,x),其中 (公式略)
历史
约翰·伯努利注意到有 (公式略)
并且由于 ∫ dx/(1+ax)=1/aln(1+ax)+C,
上述公式通过把自然对数和复数(虚数)联系起来,告诉我们关于复对数的一些信息。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·柯特斯于 1714 年发现 ix=ln(cos x+isin x).
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。
大约50年之后,卡斯帕尔·韦塞尔提出可以把复数视做复平面中的点。
形式
对于任意实数 x,以下等式恒成立: e^(ix)=cos x+isin x
由此也可以推导出 (公式略) 及 (公式略)。
当 x=π 时,欧拉公式的特殊形式为 e^(i π)+1=0。
证明
首先,在复数域上对 e^(x) 进行定义:
对于 a,b∈ R,c=a+ib∈ C,规定 e^(c)=lim _(n→ ∞)(1+c/n)ⁿ。
对复数的极坐标表示 w=u+iv=r(cos θ +isin θ),有: (公式略)
且根据棣莫弗公式, wⁿ=(u+iv)ⁿ=rⁿ(cos nθ +isin nθ)
从而有: (1+(a+bi)/n)ⁿ=[(1+a/n)+ib/n]ⁿ=rₙ(cos θ ₙ+isin θ ₙ)
- 假设 n>|a|,则: (公式略)
- (由于包含n在幂,所以要ln)从而有: (公式略)
- 这一步骤用到 ln(1+x)≈ x (墨卡托级数)
即: lim _(n→ ∞)rₙ=lim _(n→ ∞)e^(l)n rₙ=e^(a)
又有(arctan x 约等于x 于0附近): (公式略)
从而可以证明: lim _(n→ ∞)(1+(a+bi)/n)ⁿ=e^(a)(cos b+isin b)
即: e^(a+ib)=e^(a)(cos b+isin b)
令 a=0,可得欧拉公式。
证毕。
验证方法
方法一:泰勒级数
把函数 e^(x)、 cos x 和 sin x 写成泰勒级数形式: (公式略)
- cos (公式略)
- sin (公式略)
- 将 x=iz 代入 e^(x) 可得: (公式略)
- 方法二:求导法
- 对于所有 x∈ I,定义函数 (公式略)
- 由于 e^(ix)· e^(-ix)=e⁰=1
可知 e^(ix) 不可能为0,因此以上定义成立。 f(x) 之导数为: (公式略)
设 [a,b]∈ I 和 c∈ (a,b)
f'(c)=(f(b)-f(a))/(b-a). (拉格朗日中值定理) (公式略)
- ∴ (公式略)
- f(a)=f(b)
- 因此 f(x) 必是常数函数。 f(x)=f(0)
- (公式略)
- cos (公式略)
- 重新整理,即可得到: e^(ix)=cos x+isin x
- 方法三:微积分
找出一个原函数 y(x),使得 dy/dx=iy 及 y(0)=1。
假设 y(x)=e^(ix),有: d/dxe^(ix)=ie^(ix)=iy
假设 y(x)=isin x+cos x,有: (公式略)
使用积分法,可得 iy 的原函数是以上两个函数分别与任意实数的和,分别记为: y₁(x)=e^(ix)+C₁
y₂(x)=cos x+isin x+C₂
其中, C ₁ 和: C ₂ 是任意实数。
又 x=0 时, y(0)=1,观察到: y₁(0)=eⁱ⁰+C₁=e⁰+C₁=1+C₁
y₂(0)=cos 0+isin 0+C₂=1+i(0)+C₂=1+C₂
所以 C₁=C₂=0,可以得出: (公式略)
cis函数
在复分析领域,欧拉公式亦可以以函数的形式表示 cis θ =cos θ +isin θ
cis cis θ =e^(iθ)
并且一般定义域为 θ ∈ R,值域为 θ ∈ C (复平面上的所有单位向量)。
当一复数的模为1,其反函数就是辐角(arg函数)。
当 θ 值为复数时,cis函数仍然是有效的,所以有些人可利用cis函数将欧拉公式推广到更复杂的版本。
检验和角公式
由于 e^(iα)=cos α +isin α 且 e^(iβ)=cos β +isin β,则有 (公式略)
实部等于实部,虚部等于虚部,因此 cos(α +β)=cos α cos β -sin α sin β
sin sin(α +β)=sin α cos β +cos α sin β
以上内容摘自维基百科「欧拉公式」,按 CC BY-SA 4.0 使用,去掉了参考文献、外部链接等尾部小节,公式改写成了纯文本。全文、配图和出处见原文。
