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浅谈复数的欧拉公式及其应用
摘要:本文在复数域上给出欧拉公式的五种证明;通过实例说明欧拉公式在高等数学某些部分中的应用,从而简化了常规方法的繁杂.
关键词:复数;欧拉公式;微分积分 应用
一 欧拉公式的历史来源
等式称为复数 的欧拉公式(Eulers complex number formula)。 1714年,英国数学家科兹(1682-1716),首先 发表了下述定理(用现代记号表示):
1740年,著名数学家欧拉(1707-1783)在给约 .伯努利(1667-1748)的信中写道,和都是同一个微分方程的解.因此它们应该相等.
1743年,欧拉又发表了这个结果?
??
1748年欧拉重新发现了科兹所发现的结果,它等价于
,()
这就是著名的欧拉公式.
若设,得
即
.
这是一道被誉为美妙无比的式子,因等式将数学内五个极重要的数:e,i,π,1,0连起来!
欧拉公式被称为“世界上最杰出的公式”,关于它也有一个好玩的故事.欧拉早年曾受过良好的神学教育,成为数学家后在俄国宫廷供职.一次,俄女皇邀请法国哲学家狄德罗访问。狄德罗试图通过使朝臣改信无神论来证明他是值得被邀请的.女皇厌倦了,她命令欧拉去让这位哲学家闭嘴.于是,狄德罗被告知,一个有学问的数学家用代数证明了上帝的存在,要是他想听的话,这位数学家将当着所有朝臣的面给出这个证明.狄德罗高兴地接受了挑战.第二天,在宫廷上,欧拉朝狄德罗走去,用一种非常肯定的声调一本正经地说:“先生,,因此上帝存在.请回答!”对狄德罗来说,这听起来好像有点道理,他困惑得不知说什么好.周围的人报以纵声大笑,使这个可怜的人觉得受了羞辱.他请求女皇答应他立即返回法国,女皇神态自若地答应了.
二 欧拉公式的证明
证法1:复指数函数定义法
因为对任何复数,复指数函数定义为.所以,当的实部时,就得到欧拉公式 (证毕)
证法2:分离变量积分法
设复数,两边对求导数,得
.
分离变量并对两边积分,得
取得,故有,即. (证毕)
证法3:复数幂级数展开式法
因为,则有,而
, , ,
所以. (证毕)
证法4:变上限积分法
考虑变上限积分.
因为=,又因为
=
=,
再设,由此得,所以有
,
即.
令,得,
即有. (证毕)
证法5:极限法
当时,欧拉公式显然成立;
当时,考虑极限,().
一方面,令 ,则有
. ⑴
另一方面,将 化为三角式,得
=, ⑵
由棣莫夫公式得
,
而 ,, ,
所以有.
由(1)(2)两式得.
三 欧拉公式的应用
1 欧拉公式在三角中的应用
基本公式 由欧拉公式,容易推出
应用举例
计算三角函数式的值
例1 计算
解:原式=
=× 等比数列求和
×=×
=
例2 已知a,求的值
解:原式=
=
由a代入上式消去
原式==
对
所以 原式=
② 证明三角恒等式
例3 证明
为方便计算令,原式变为
证明:左边=
=
右边=
==左边
解三角方程
例4 解方程
解:把代入得:
由欧拉公式得:
经整理得:
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