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    欧拉复数公式

    发布时间:2020-10-28 16:02:46 作者:冬青好 

    首先,你一定见过这个著名的方程:


    20201028154925.png

    这个方程真的很奇妙,因为它集合了:

    e (欧拉数)
    i (单位 虚数)
    π (大名鼎鼎的 pi,一个在很多不同领域都出现的数)
    0 和 1(也是不凡的数!)

    欧拉公式

    这方程其实源自欧拉公式

    eix = cos x + i sin x

    以 x = π,我们得到:

    eiπ = cos π + i sin π
    eiπ = −1 + i × 0   (因为 cos π = −1 和 sin π = 0)
    eiπ = −1
    eiπ + 1 = 0

    故此,eiπ + 1 = 0 只不过是更有用的欧拉公式的一个特例。

    发现

    在大约公元1740年时,数学家都对 虚数很有兴趣。

    虚数的平方是负数

    20201028155200.png

    通常这是不可能的(试试去取任何数的平方,记着负负得正),但想象你可以做得到,并叫这个数为 i(英语字“imaginary”(想象)的第一个字母),然后看看会有什么发生:

    i2 = -1

    有一天,欧拉在用虚数玩耍(!),他拿这个泰勒级数 (在当时已经发现了):

    20201028155249.png

    他把 i 代进去:

    20201028155324.png

    因为 i2 = -1,级数简化成:

    20201028155356.png

    把含有 i 和没有 i 的项分开,我们得到:

    20201028155434.png

    奇迹出现……

    第一组是 cos 的 泰勒级数      
    第二组是 sin 的泰勒级数

                                                                                20201028155549.png

    故此:

    20201028155810.png

     

    例子:当 x = 3

    eix = cos x + i sin x
    e3i = cos 3 + i sin 3
    e3i = −0.990 + 0.141 i   ((保留三位小数)
    注意:我们是用弧度,不是用度数。

    答案是实数与虚数的组合,叫 复数。

    我们甚至可以在 复数平面 画出这个数(实数从左到右,虚数从下到上):

    20201028155913.png

    在这图我们显示 −0.990 + 0.141 i 这个复数这数也是 e3i

    圆形!

    把欧拉公式放到图上便会形成一个圆形:

    20201028160043.png

    eix 形成一个半径是 1 的圆形

    我们可以把任何点(例如 3 + 4i)变成 reix 的格式(只需找到 x 的值和圆形的半径,r

    例子:3 + 4i

    把这复数转换为 reix的格式,我们要转换笛卡尔坐标为极坐标:

    • r = √(32 + 42) = √(9+16) = √25 = 5
    • x = tan-1 ( 4 / 3 ) = 0.927 (保留三位小数)

    所以 3 + 4i 也可以是 5e0.927 i

    20201028160132.png

    在很多情况下,用reix这个格式(例如乘法)比用 a+bi 容易

    最后,这个点是 eiπ(刚才在页顶讲的):

    20201028160210.png

    eiπ = −1

    更新:20210423 104211     


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