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欧拉公式:修订间差异

Euler’s formula

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扩充定义、推导、算例、边界条件与原创 SVG 配图(AI 辅助整理,算例已复算)
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重编数学讲解:连贯例题、逐步推导与多幅过程图;更新写作规范
 
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第1行: 第1行:
欧拉公式是复指数函数与三角函数之间的恒等式。对任意实数 <math>\theta</math>,
'''欧拉公式'''(Euler's formula)把指数函数与圆周运动联系起来:
<math display="block">e^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta,\qquad i^2=-1.</math>
<math display="block">e^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta.</math>
这里的角度采用'''弧度制'''。公式把单位圆上的旋转写成指数运算,是复数、三角函数和振动分析之间的桥梁。
这里 <math>i^2=-1</math>,<math>\theta</math> 是以弧度表示的实数角度。理解这条公式,可以先看一个具体问题:怎样用一次乘法,把平面上的向量转过一个指定角度?


== 单位圆上的一个点 ==
== 乘一个数,怎样使向量转动 ==
[[File:Gezhi-euler-circle.svg|frame|center|alt=复平面单位圆上角度为θ的点,横纵投影分别为余弦θ和正弦θ|点的横坐标是实部,纵坐标是虚部;虚数单位 i 表示纵轴方向。]]
把平面上的点 <math>(x,y)</math> 记作复数 <math>x+iy</math>。例如 <math>1+i</math> 表示从原点指向 <math>(1,1)</math> 的向量。乘以 <math>i</math> 后,
复数 <math>z=x+iy</math> 对应平面上的点 <math>(x,y)</math>。由 <math>\cos^2\theta+\sin^2\theta=1</math> 可知,<math>e^{i\theta}</math> 的模长等于 1。
<math display="block">i(1+i)=i+i^2=-1+i,</math>
终点变成 <math>(-1,1)</math>:向量长度未变,方向逆时针转了直角。对一般向量也一样,<math>i(x+iy)=-y+ix</math>,新坐标是 <math>(-y,x)</math>


更一般地,每个非零复数都可以写成 <math>z=re^{i\theta}</math>,其中 <math>r=|z|>0</math>。角度只在相差 <math>2\pi k</math><math>k</math> 为整数)的意义下确定;原点没有确定的辐角。
要转过别的角度,就需要单位圆上别的点。下图中,半径与横轴的夹角为 <math>\theta</math>,横、纵坐标分别是 <math>\cos\theta</math> <math>\sin\theta</math>。因此这个点对应复数 <math>\cos\theta+i\sin\theta</math>,其长度为1。


== 为什么指数会产生三角函数 ==
[[File:Gezhi-euler-circle-theme.svg|frame|center|alt=复平面单位圆上角度为θ的点,横纵投影分别为余弦θ和正弦θ|单位圆上的点同时记录两个坐标和一个方向角。]]
复指数可由幂级数定义:
<math display="block">e^z=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{z^n}{n!}.</math>
该级数对每个复数绝对收敛,因此可以把偶数次项与奇数次项分别求和。代入 <math>z=i\theta</math>,利用 <math>i^{2k}=(-1)^k</math> 和 <math>i^{2k+1}=i(-1)^k</math>,得到
<math display="block">e^{i\theta}=\sum_{k=0}^{\infty}\frac{(-1)^k\theta^{2k}}{(2k)!}+i\sum_{k=0}^{\infty}\frac{(-1)^k\theta^{2k+1}}{(2k+1)!}.</math>
两个实级数分别是余弦和正弦的展开式。这也说明公式中的 <math>e^{i\theta}</math> 不是把实数指数的图像直接延长,而是使用了在复数范围内一致的函数定义。


== 乘法就是缩放与旋转 ==
<math>x+iy</math> 乘以它,展开得到
<math>z_1=r_1e^{i\alpha}</math>、<math>z_2=r_2e^{i\beta}</math>,则
<math display="block">(x+iy)(\cos\theta+i\sin\theta)=(x\cos\theta-y\sin\theta)+i(x\sin\theta+y\cos\theta).</math>
<math display="block">z_1z_2=r_1r_2e^{i(\alpha+\beta)}.</math>
若原向量长为 <math>r</math>、方向角为 <math>\alpha</math>,代入 <math>x=r\cos\alpha</math>、<math>y=r\sin\alpha</math>,再用和角公式,新坐标就是 <math>(r\cos(\alpha+\theta),r\sin(\alpha+\theta))</math>。乘法确实把方向转过 <math>\theta</math>,同时保留长度。
模长相乘,角度相加。例如 <math>1+i=\sqrt2e^{i\pi/4}</math>,所以
<math display="block">(1+i)^2=2e^{i\pi/2}=2i.</math>
直接展开也得到 <math>1+2i+i^2=2i</math>。两种算法分别突出几何结构与代数规则。


比较 <math>e^{i(\alpha+\beta)}</math> 两种写法的实部和虚部,就能得到三角函数的和角公式。对整数 <math>n</math>,还有棣莫弗公式
现在转动最初的 <math>1+i</math>,取 <math>\theta=\pi/3</math>,也就是60度:
<math display="block">(\cos\theta+i\sin\theta)^n=\cos(n\theta)+i\sin(n\theta).</math>
<math display="block">\begin{aligned}
(1+i)\left(\frac12+i\frac{\sqrt3}2\right)
&=\frac12+i\frac{\sqrt3}2+\frac i2-\frac{\sqrt3}2\\
&=\frac{1-\sqrt3}2+i\frac{1+\sqrt3}2.
\end{aligned}</math>
新坐标约为 <math>(-0.366,1.366)</math>,平方和仍为2。原方向为45度,转后为105度,落在第二象限,与坐标符号吻合。用[[矩阵]]写同一变换,就是
<math display="block">\begin{pmatrix}x'\\y'\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}.</math>


== 振动与特殊值 ==
== 为什么这个旋转数恰好是指数 ==
<math>\theta=\pi</math> 得到欧拉恒等式 <math>e^{i\pi}+1=0</math>;取 <math>\theta=\pi/2</math> 得到 <math>e^{i\pi/2}=i</math>
前面的计算解释了 <math>\cos\theta+i\sin\theta</math>,还没有解释 <math>e^{i\theta}</math>。实指数延伸到复数时,可以采用幂级数定义:
<math display="block">e^z=1+z+\frac{z^2}{2!}+\frac{z^3}{3!}+\cdots=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{z^n}{n!}.</math>
其中 <math>n!=1\cdot2\cdots n</math>,规定 <math>0!=1</math>。对任何固定复数 <math>z</math>,相邻项绝对值的比是 <math>|z|/(n+1)</math>;从某项起小于 <math>1/2</math>,后面的绝对值之和受到收敛等比级数控制。因此级数绝对收敛,偶数项、奇数项可以分别收集。


在简谐振动中,<math>A\cos(\omega t+\varphi)</math> 可以表示为 <math>Ae^{i(\omega t+\varphi)}</math> 的实部。这里 <math>A</math> 为振幅,<math>\omega</math> 为角频率,<math>\varphi</math> 为初相位。复指数把微分转化为乘以 <math>i\omega</math>,便于处理线性的振动方程;最后仍需取出所需的实物理量。
代入 <math>z=i\theta</math>。由于 <math>i^2=-1</math><math>i^3=-i</math><math>i^4=1</math>,幂次按四项循环:
<math display="block">\begin{aligned}
e^{i\theta}
&=1+i\theta-\frac{\theta^2}{2!}-i\frac{\theta^3}{3!}+\frac{\theta^4}{4!}+\cdots\\
&=\left(1-\frac{\theta^2}{2!}+\frac{\theta^4}{4!}-\cdots\right)
+i\left(\theta-\frac{\theta^3}{3!}+\frac{\theta^5}{5!}-\cdots\right).
\end{aligned}</math>
两个括号分别是余弦与正弦的泰勒级数,欧拉公式由此成立。从圆的几何定义三角函数时,泰勒定理可以证明这两个展开:各阶导数的绝对值不超过1,余项不超过 <math>|\theta|^{n+1}/(n+1)!</math>,对固定角度趋于零。标准三角函数导数采用弧度,所以这里的角度也采用弧度。


== 使用时的边界 ==
复指数还保留加法律。把两个绝对收敛的级数相乘,按总次数 <math>n</math> 收集项,其系数为
* <math>e^{i\theta}=1</math> 不只发生在 <math>\theta=0</math>,而是所有 <math>\theta=2\pi k</math>。复指数不是一一对应的函数,因此复对数不能直接照搬实对数的单值规则。
<math display="block">\sum_{k=0}^n\frac{z^kw^{n-k}}{k!(n-k)!}=\frac1{n!}\sum_{k=0}^n\binom nk z^kw^{n-k}=\frac{(z+w)^n}{n!}.</math>
* 若角度用度数表示,应先乘以 <math>\pi/180</math>。例如 90 度对应 <math>e^{i\pi/2}</math>
最后一步是二项式定理,因而 <math>e^ze^w=e^{z+w}</math>。对纯虚指数,这恰好说先转 <math>\alpha</math> 再转 <math>\beta</math>,等于转 <math>\alpha+\beta</math>。级数的代数性质与平面的旋转规律在这里相接。
* 此处的欧拉公式与多面体的欧拉公式 <math>V-E+F=2</math> 是不同结论;后者的拓扑背景可参见 [[环面]]。


== 延伸阅读 ==
== 从半周旋转到方程的全部根 ==
* [https://www.jirka.org/diffyqs/ Jiří Lebl,《Notes on Diffy Qs》]:复数、复指数及线性微分方程。
转过半周,单位圆上的点为 <math>(-1,0)</math>,所以
* [[导数]] · [[微分方程]] · [[群]]
<math display="block">e^{i\pi}=-1,\qquad e^{i\pi}+1=0.</math>
这称为欧拉恒等式。转过整周则回到原来的方向:<math>e^{i(\theta+2\pi k)}=e^{i\theta}</math>,其中 <math>k</math> 是整数。方向相同不意味着角度数值只有一个。
 
这点在求根时尤其有用。求 <math>z^3=8</math>,先写成 <math>z=re^{i\phi}</math>,其中 <math>r=|z|>0</math>。代入得 <math>r^3e^{3i\phi}=8</math>。比较长度,<math>r^3=8</math>,所以 <math>r=2</math>;比较方向,<math>3\phi=2\pi k</math>。取三个互不重复的方向,得到
<math display="block">z=2,\quad 2e^{2\pi i/3}=-1+i\sqrt3,\quad 2e^{4\pi i/3}=-1-i\sqrt3.</math>
再增加 <math>k</math> 就只是给这些根的角度增加整周,没有新根。三个根在半径2的圆上等角排列;它们的和为零,也与多项式 <math>z^3-8</math> 缺少二次项一致。
 
同理,对正整数 <math>n</math>,<math>z^n=1</math> 的全部根为 <math>e^{2\pi ik/n}</math>,<math>k=0,1,\ldots,n-1</math>。令 <math>\zeta=e^{2\pi i/n}</math>,当 <math>n>1</math> 时,和 <math>S=1+\zeta+\cdots+\zeta^{n-1}</math> 满足
<math display="block">(1-\zeta)S=1-\zeta^n=0.</math>
因为 <math>\zeta\ne1</math>,故 <math>S=0</math>。这证明圆周上均匀排列的向量相互抵消。把公比换成 <math>\zeta^m</math>,若整数 <math>m</math> 不是 <math>n</math> 的倍数,同样得到和为零;若是倍数,每项为1,和为 <math>n</math>。
 
== 把两个同频振动合成一个 ==
考虑 <math>\cos t+\sqrt3\sin t</math>。欧拉公式允许把两项放进同一个复乘法:
<math display="block">(1-i\sqrt3)e^{it}=(\cos t+\sqrt3\sin t)+i(\sin t-\sqrt3\cos t).</math>
我们要的恰好是实部。系数 <math>1-i\sqrt3</math> 长为2,方向为 <math>-\pi/3</math>,所以等于 <math>2e^{-i\pi/3}</math>。于是
<math display="block">\cos t+\sqrt3\sin t=\operatorname{Re}(2e^{i(t-\pi/3)})=2\cos(t-\pi/3).</math>
符号 <math>\operatorname{Re}</math> 表示取实部。原来的两项合成振幅2、相位 <math>-\pi/3</math> 的振动。振幅不是把1与 <math>\sqrt3</math> 直接相加,因为两项的峰值并不同时到达。
 
同频振动都带有共同因子 <math>e^{i\omega t}</math>,计算时可先相加复系数,再取实部。不同频率没有同一个这样的时间因子,通常仍需保留各自的振动。复指数在[[微分方程]]中也方便求导:一次求导乘以 <math>i\omega</math>,两次乘以 <math>-\omega^2</math>,因而直接给出 <math>y''+\omega^2y=0</math> 的振动解。
 
== 从圆周回到一般复指数 ==
对实数 <math>x,y</math>,加法律给出 <math>e^{x+iy}=e^x(\cos y+i\sin y)</math>:实部 <math>x</math> 控制长度 <math>e^x</math>,虚部 <math>y</math> 控制方向。复指数从不等于零。
 
反过来,给定 <math>z=re^{i\theta}\ne0</math>,求所有 <math>e^w=z</math> 的解,会得到
<math display="block">w=\log r+i(\theta+2\pi k),\qquad k\in\mathbb Z.</math>
这就是复对数有多个值的原因。若只选幅角位于 <math>(-\pi,\pi]</math> 的主值,<math>\operatorname{Log}(-1)=i\pi</math>,但 <math>\operatorname{Log}(1)=0</math>,故 <math>\operatorname{Log}((-1)(-1))</math> 不等于两个 <math>\operatorname{Log}(-1)</math> 之和。实数对数的乘积法则在复数中需要同时处理角度的选择。
 
共轭把角度反号:<math>\overline{e^{i\theta}}=e^{-i\theta}</math>。将这两个数相加、相减,分别保留实部、虚部,便有
<math display="block">\cos\theta=\frac{e^{i\theta}+e^{-i\theta}}2,\qquad \sin\theta=\frac{e^{i\theta}-e^{-i\theta}}{2i}.</math>
三角函数既可以画成圆上的坐标,也可以写成旋转指数的组合。
 
== 历史 ==
棣莫弗在十八世纪研究复数的幂与角度之间的关系,欧拉则系统发展了指数、对数、三角函数与无穷级数的联系。《无穷分析引论》第一卷出版于1748年;[https://scholarlycommons.pacific.edu/euler-works/101/ Euler Archive E101]保存了原著及书目信息。[https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/De_Moivre/ MacTutor:De Moivre]与[https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Euler/ Euler]记录了相关人物的工作。
 
此处讨论的复指数恒等式,与多面体顶点、棱、面之间的 <math>V-E+F=2</math> 同称“欧拉公式”,但属于不同问题。
 
== 来源与继续阅读 ==
* [https://scholarlycommons.pacific.edu/euler-works/101/ Euler Archive,E101:《Introductio in analysin infinitorum》卷一,1748]:原著与出版记录。
* [https://www.jirka.org/diffyqs/html/sec_ccsol.html Jiří Lebl,《Notes on Diffy Qs》§2.2]:复数、欧拉公式与常系数方程。
* [https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Euler/ MacTutor:Leonhard Euler];[https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/De_Moivre/ Abraham de Moivre]:历史背景。
* 相关:[[导数]][[矩阵]][[群]]、[[微分方程]]。
[[分类:分析]]
[[分类:分析]]

2026年9月20日 (日) 07:15的最新版本

欧拉公式(Euler's formula)把指数函数与圆周运动联系起来: eiθ=cosθ+isinθ. 这里 i2=1θ 是以弧度表示的实数角度。理解这条公式,可以先看一个具体问题:怎样用一次乘法,把平面上的向量转过一个指定角度?

乘一个数,怎样使向量转动

把平面上的点 (x,y) 记作复数 x+iy。例如 1+i 表示从原点指向 (1,1) 的向量。乘以 i 后, i(1+i)=i+i2=1+i, 终点变成 (1,1):向量长度未变,方向逆时针转了直角。对一般向量也一样,i(x+iy)=y+ix,新坐标是 (y,x)

要转过别的角度,就需要单位圆上别的点。下图中,半径与横轴的夹角为 θ,横、纵坐标分别是 cosθsinθ。因此这个点对应复数 cosθ+isinθ,其长度为1。

复平面单位圆上角度为θ的点,横纵投影分别为余弦θ和正弦θ
单位圆上的点同时记录两个坐标和一个方向角。

x+iy 乘以它,展开得到 (x+iy)(cosθ+isinθ)=(xcosθysinθ)+i(xsinθ+ycosθ). 若原向量长为 r、方向角为 α,代入 x=rcosαy=rsinα,再用和角公式,新坐标就是 (rcos(α+θ),rsin(α+θ))。乘法确实把方向转过 θ,同时保留长度。

现在转动最初的 1+i,取 θ=π/3,也就是60度: (1+i)(12+i32)=12+i32+i232=132+i1+32. 新坐标约为 (0.366,1.366),平方和仍为2。原方向为45度,转后为105度,落在第二象限,与坐标符号吻合。用矩阵写同一变换,就是 (xy)=(cosθsinθsinθcosθ)(xy).

为什么这个旋转数恰好是指数

前面的计算解释了 cosθ+isinθ,还没有解释 eiθ。实指数延伸到复数时,可以采用幂级数定义: ez=1+z+z22!+z33!+=n=0znn!. 其中 n!=12n,规定 0!=1。对任何固定复数 z,相邻项绝对值的比是 |z|/(n+1);从某项起小于 1/2,后面的绝对值之和受到收敛等比级数控制。因此级数绝对收敛,偶数项、奇数项可以分别收集。

代入 z=iθ。由于 i2=1i3=ii4=1,幂次按四项循环: eiθ=1+iθθ22!iθ33!+θ44!+=(1θ22!+θ44!)+i(θθ33!+θ55!). 两个括号分别是余弦与正弦的泰勒级数,欧拉公式由此成立。从圆的几何定义三角函数时,泰勒定理可以证明这两个展开:各阶导数的绝对值不超过1,余项不超过 |θ|n+1/(n+1)!,对固定角度趋于零。标准三角函数导数采用弧度,所以这里的角度也采用弧度。

复指数还保留加法律。把两个绝对收敛的级数相乘,按总次数 n 收集项,其系数为 k=0nzkwnkk!(nk)!=1n!k=0n(nk)zkwnk=(z+w)nn!. 最后一步是二项式定理,因而 ezew=ez+w。对纯虚指数,这恰好说先转 α 再转 β,等于转 α+β。级数的代数性质与平面的旋转规律在这里相接。

从半周旋转到方程的全部根

转过半周,单位圆上的点为 (1,0),所以 eiπ=1,eiπ+1=0. 这称为欧拉恒等式。转过整周则回到原来的方向:ei(θ+2πk)=eiθ,其中 k 是整数。方向相同不意味着角度数值只有一个。

这点在求根时尤其有用。求 z3=8,先写成 z=reiϕ,其中 r=|z|>0。代入得 r3e3iϕ=8。比较长度,r3=8,所以 r=2;比较方向,3ϕ=2πk。取三个互不重复的方向,得到 z=2,2e2πi/3=1+i3,2e4πi/3=1i3. 再增加 k 就只是给这些根的角度增加整周,没有新根。三个根在半径2的圆上等角排列;它们的和为零,也与多项式 z38 缺少二次项一致。

同理,对正整数 nzn=1 的全部根为 e2πik/nk=0,1,,n1。令 ζ=e2πi/n,当 n>1 时,和 S=1+ζ++ζn1 满足 (1ζ)S=1ζn=0. 因为 ζ1,故 S=0。这证明圆周上均匀排列的向量相互抵消。把公比换成 ζm,若整数 m 不是 n 的倍数,同样得到和为零;若是倍数,每项为1,和为 n

把两个同频振动合成一个

考虑 cost+3sint。欧拉公式允许把两项放进同一个复乘法: (1i3)eit=(cost+3sint)+i(sint3cost). 我们要的恰好是实部。系数 1i3 长为2,方向为 π/3,所以等于 2eiπ/3。于是 cost+3sint=Re(2ei(tπ/3))=2cos(tπ/3). 符号 Re 表示取实部。原来的两项合成振幅2、相位 π/3 的振动。振幅不是把1与 3 直接相加,因为两项的峰值并不同时到达。

同频振动都带有共同因子 eiωt,计算时可先相加复系数,再取实部。不同频率没有同一个这样的时间因子,通常仍需保留各自的振动。复指数在微分方程中也方便求导:一次求导乘以 iω,两次乘以 ω2,因而直接给出 y+ω2y=0 的振动解。

从圆周回到一般复指数

对实数 x,y,加法律给出 ex+iy=ex(cosy+isiny):实部 x 控制长度 ex,虚部 y 控制方向。复指数从不等于零。

反过来,给定 z=reiθ0,求所有 ew=z 的解,会得到 w=logr+i(θ+2πk),k. 这就是复对数有多个值的原因。若只选幅角位于 (π,π] 的主值,Log(1)=iπ,但 Log(1)=0,故 Log((1)(1)) 不等于两个 Log(1) 之和。实数对数的乘积法则在复数中需要同时处理角度的选择。

共轭把角度反号:eiθ=eiθ。将这两个数相加、相减,分别保留实部、虚部,便有 cosθ=eiθ+eiθ2,sinθ=eiθeiθ2i. 三角函数既可以画成圆上的坐标,也可以写成旋转指数的组合。

历史

棣莫弗在十八世纪研究复数的幂与角度之间的关系,欧拉则系统发展了指数、对数、三角函数与无穷级数的联系。《无穷分析引论》第一卷出版于1748年;Euler Archive E101保存了原著及书目信息。MacTutor:De MoivreEuler记录了相关人物的工作。

此处讨论的复指数恒等式,与多面体顶点、棱、面之间的 VE+F=2 同称“欧拉公式”,但属于不同问题。

来源与继续阅读