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工程數(shù)學(xué)基礎(chǔ)-歐拉公式

2023-02-25 11:06 作者:sky92曇  | 我要投稿

雖然過程很簡單,著名的歐拉公式的推導(dǎo)還是要記錄一下的

DrCAN只說明了驗證部分,后半本分為補(bǔ)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

反推驗證

我們現(xiàn)在可以先做個驗證

首先復(fù)數(shù)基礎(chǔ)就知道? i%3D%5Csqrt%7B-1%7D%20

先設(shè)一個函數(shù) ?然后 對其求導(dǎo)

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

那么說明這個函數(shù)是一個常數(shù) 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

那么結(jié)果就非常簡單了

歷史上歐拉在觀察泰勒展開式才發(fā)現(xiàn)的這個關(guān)系

我們來看幾個常見函數(shù)的泰勒展開

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

此時歐拉觀察到 ?將 兩個三角函數(shù)的展開式相加 得到的分母分布就很符合e%5Ex的展開式的分母分布;那么將其相加得到:

%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:此時我們再次和上述? e%5Ex? 展開式比較 ,可見這里有一些符號上的差異,其集中在分母為 ?2367 , 其實如再向后寫,會看見隔兩項目就會出現(xiàn)負(fù)號,即 出現(xiàn)負(fù)號時的分母為 2 3 6 7 10 11;那么此時,可以預(yù)見如果有一種數(shù)可以根據(jù)冪次的遞增來改變正負(fù)就很好了,那么此時猜想出可能復(fù)數(shù)有這個能力 ?, 由于 ?i%5E0%3D1%2Ci%5E1%3Di%2Ci%5E2%3D-1%2Ci%5E3%3D-i%2Ci%5E4%3D1? ,其正負(fù)號也是根據(jù)冪次遞增相隔兩項;

那么就把這個特殊的數(shù)引入函數(shù)來;將自然冪指函數(shù)混合復(fù)數(shù)做如下函數(shù)泰勒展開:

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

而上述式子將分母分布方式以三角函數(shù)的展開式分為兩部分(兩股),就有如下繼續(xù)推導(dǎo)

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

可見方程的左方集合為 余弦函數(shù)展開
可見方程的右方集合為 正弦函數(shù)展開后乘系數(shù) i

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

那么得證 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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