關於尤拉公式證明的乙個延拓

2021-09-07 11:50:58 字數 2068 閱讀 5749

現在,我們通過幾種不同的方法來闡述下尤拉公式的證明思想,即證明,e^πi + 1=0.

首先指數函式是定義在實數域上的,現在要延拓到複數域上,首先要定義e^i, e^ix是什麼,嚴格地說,這是一種定義,而且,這個定義是合理的.

e^ix=cosx+isinx,e是自然對數的底,i是虛數單位,他將三角函式的定義域擴大到複數,建立了三角函式和指數函式的關係,它在復變函式論裡占有非常重要的地位.

證法1:

泰勒中值定理:

若函式f(x)在開區間(a,b)有直到n+1階的導數,則當函式在此區間內時,可以展開為乙個關於(x-x0)多項式和乙個餘項的和:

f(x)=f(x0)+f'(x0)(x-x0)+f''(x0)/2!.(x-x0)^2,+f'''(x0)/3!.(x-x0)^3+...+f(n)(x0)/n!.(x-x0)^n+rn

其中,rn=f(n+1)(ξ)/(n+1)!.(x-x0)^(n+1),這裡ξ在x和x0之間,該餘項稱為拉格朗日型的餘項.

注:f(n)(x0)是f(x0)的n階導數,不是f(n)與x0的相乘.

用此定理可以將任何有n階導數的函式展開成多項式的形式

所以,e^x,cosx,sinx:

e^x=1+x/1!+x^2/2!+x^3/3!+x^4/4!+...

cos x=1-x^2/2!+x^4/4!-x^6/6!...

sin x=x-x^3/3!+x^5/5!-...

在e^x的展開式中把x換成±ix,則:

e^±ix

=1±x/1!-x^2/2!+x^3/3!∓x^4/4!...

=(1-x^2/2!+...)±i(x-x^3/3!...)

所以,e^±ix=cosx±isinx

將x換成-x,可得:

e^-ix=cosx-isinx

然後採用兩式相加減的方法得到:

sinx=(e^ix-e^-ix)/(2i)

cosx=(e^ix+e^-ix)/2

這兩個也叫做尤拉公式

將e^ix=cosx+isinx中的x取作π

就得到:e^iπ+1=0

注:(±i)^2=-1,(±i)^3=∓i,(±i)^4=1...

證法2:

證明之前需要定義exp,sin,cos函式和π

1.定義exp

先來定義exp函式,我們定義復指數函式,對於z,定義exp(z)為:

採用復級數的比例判別法可知,對於每個z,exp(z)都收斂,還有,exp(z)在c是復解析的.

exp(z)的性質有:

exp(z+w)=exp(z)exp(w)

~exp(z)=exp(~z)

定義尤拉數e為:

根據exp函式的性質第一點可以證明,對於每個實數x,有exp(x)=e^x

根據這個命題,我們將互動的使用記號,exp(x)和e^x

但是,如果,z是複數,那麼,e^z則沒有指數的含義,只有exp(z)的另一種寫法.

2.定義三角函式

再來定義三角函式,如果,z是複數,那麼,定義:

分別把cos和sin叫做余弦函式、正弦函式.

由定義可知,對於複數z,有:

從exp的冪級數定義,可得:

一般我們只用到實三角函式,同樣三角函式在c上是復解析的,三角函式的性質有,設:x,y是實數,那麼,有如下各式:

且對於一切x∈r,有:

設,e是集合,e:=,根據三角函式的性質,可知,存在c>0,使得e包含於[c,∞),且,還有e是r中的閉集,於是,e含有他的一切附著點,從而,含有inf(e).

3.定義π

定義π,為:

π:=inf

於是,π∈e包含於[c,∞),那麼,π>0,而且,sin(π)=0,同樣,根據三角函式的性質,可以斷定:cos(π)<1,由於sin^2(π)+cos^2(π)=1,所以,cos(π)=-1.

於是,得到了尤拉公式

即,此公式,將數學裡最重要的幾個數字聯絡到了一起.

兩個超越數:自然對數的底e,圓周率π,兩個單位:虛數單位i和自然數的單位1,以及數學裡常見的0,數學家們評價他是上帝創造的公式,我們只能看他而不能理解他.

注意:r + v - e=2,這是尤拉定理,實際上,他是費馬小定理的推廣.

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