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從歐拉公式到泰勒展開

2022-01-15 23:05 作者:匆匆-cc  | 我要投稿

? ? ? ? 公元1748年,歐拉發(fā)表著名的公式:

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

? ? ? ? 這個(gè)公式還有更加著名的一面:

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

? ? ? ? 這就是歐拉公式。

? ? ? ? 該公式聯(lián)系起數(shù)學(xué)中最重要的5個(gè)常數(shù):

????????????0:最小的自然數(shù),原點(diǎn)

????????????1:最小的正整數(shù),單位元

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

????????????%5Cpi:圓周率,圓的周長與直徑的比值

????????????i:虛數(shù)單位,i%3D%5Csqrt%7B-1%7D

? ? ? ? 因而被譽(yù)為“最美的數(shù)學(xué)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稱為%5Cmathbf%7Bn%7D階泰勒余項(xiàng)。

? ? ? ? 以上即為著名的泰勒展開式

? ? ? ? 特別的,當(dāng)x_%7B0%7D%3D0時(shí),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)

? ? ? ? 稱為%5Cmathbf%7Bn%7D麥克勞林公式。

? ? ? ? 以上為基礎(chǔ)知識(shí),下面進(jìn)入正題。

? ? ? ? 先來看三個(gè)特殊函數(shù)的麥克勞林展開式。

%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

? ? ? ? 讀者可自行驗(yàn)證。

? ? ? ? 談到這里,就不得不說明一個(gè)重要概念——解析延拓

? ? ? ? 簡單來說,就是補(bǔ)充原有函數(shù)的定義域。

? ? ? ? 說得好玩一點(diǎn),就是數(shù)學(xué)家喜歡把本來不應(yīng)該往里面放的東西放到里面去,比如說這里的x,照理來說也該是個(gè)實(shí)數(shù),偏偏數(shù)學(xué)家放進(jìn)了別的東西:復(fù)數(shù),甚至是矩陣。

? ? ? ? 這里,數(shù)學(xué)家放入了虛數(shù)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

后記:

? ? ? ? 基礎(chǔ)介紹片,為后續(xù)數(shù)學(xué)工具應(yīng)用作準(zhǔn)備。

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