【数学杂谈】泰勒太难了,能不能用...

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【数学杂谈】泰勒太难了,能不能用高中知识证欧拉公式

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ueq 更新于2025-2-22 08:47:51

希望各位给出更多见解

不是那个无敌的欧拉欧拉欧拉欧拉欧拉欧拉欧拉欧拉欧拉,是屏幕截图 2024-09-07 212501.png

很简洁,是不是,看看证明

屏幕截图 2024-09-07 212612.png屏幕截图 2024-09-07 212635.png

我就问你看没看的懂吧,反正我都没学到那

好吧,废话不多说,上车



先从0和1开始

0:无,没有,起点

1:数学里最基本的单位

每一个文明建立一套数学体系,这是最重要的,从0开始,不断的加单位,就可以得到整个自然数集,最自然,最原始。

咱可以用数轴表示这种结构,往右不断增加,而往左是不断减小,所有经典的四则运算都是在此基础上进行

屏幕截图 2024-09-07 213329.png

说说虚数单位i吧 

ps:课本上定义是这样的i²=-1,而非i=√-1,很好避免了根号下的数要大于等于0的定义域,但以后√-1记号是很多甚至官方的

相信学到高中的同学想问,为什么两个复数相乘是模长相乘,辐角相加,为什么i有如此神奇的魔力

第一,模长相乘屏幕截图 2024-09-07 214224.png

通过小学二年级的计算,得出确实是这样 

ps:这个等式是拉格朗日恒等式,我也不会,如果只考虑实数的部分屏幕截图 2024-09-07 214500.png柯西不等式


第二,看看辐角

这是复数的三角表示方式,基本都学过吧屏幕截图 2024-09-07 214624.png


ps:虽然长得像欧拉,其实现在还没他啥事

两个复数一乘,再用三角和差公式一算屏幕截图 2024-09-07 214822.png

以上的都是lg教过的,但是,为啥就这么巧捏?

其实因果是颠倒,是复数的美丽性质,带来的这样的巧和,这个的巧合的原因,就来源于i²=-1

先看看一个虚数u=a+bi,你是怎么再复平面上找到他的?,先从原点出发,往x实轴方向前进a,再往y虚轴前进b

你再将这个虚数乘i,即iu=-b+ai,你再找找iu

屏幕截图 2024-09-07 215637.png

一个明显的旋转全等关系,逆时针旋转90°,无论是哪一个复数

正是因为i的定义,而铸造了这种关系


这下再考虑两个复数相乘的关系,建立一个新坐标系,他的横坐标方向是u,纵就是iu,称为u坐标系

为啥呢,因为这u坐标系也符合复平面的一个性质,任何一个复数x+yi乘了u,可以分别分解成x*u+yi*u

恰恰对应左边u坐标系横坐标前进x,纵坐标前进y的特性,因垂死听啊,所以,这个复数乘上u在复平面上的样子,恰好是这个复数在u平面的样子

ps:已经有包含线性映射,基底,旋转矩阵的思想,线代的思想,当然,我都不会

所以,这个乘积的辐角刚好是这个复数的辐角+u的辐角

屏幕截图 2024-09-07 221226.png

甚至可以用次反推和差角公式,very因垂死听,太优雅的

这些,全来自于i²=-1,

我们不是定义了i,而是i一直都在那,在一个一维的数轴上,原来一直有一个i,这是这个世界,早就蕴含的规律,虚数,他不虚


终于聊完了i,该到他了,e

e有好多定义屏幕截图 2024-09-07 222206.png屏幕截图 2024-09-07 222228.png

其实最初e来自于复利率,比如,你存入了1元,他一年过后会变为2元

如果,在一年内,你存取n次,就是每过1/n年,你就取出利润的钱,然后当做本金存回去

那么,每次存取,你的钱会变成你的(1+1/n)倍,最终你的钱会变为(1+1/n)ⁿ

贪婪的商人发现,就算n趋近无穷,也只会收敛到一个有限的值,≈2.71828,这就是e无穷极限的定义方式

其实在这个定义里,已经蕴含着e的x次方的倒数也是他本身


这下,要解决一个核心意味e^ix到底意味着什么,为什么在π的函数值变为-1

你将e^ix求导,ie^ix,也就差个i倍,在复平面上说过,乘i,就是逆时针旋转90°

其实,e^ix描绘了一个二维向量在复平面上的运动过程,初始时屏幕截图 2024-09-07 224139.png

之后每个时刻,他位置的导数,也就是运动的速度,都是位置向量乘了i,他的速度永远垂直于原点

这下,学过高中物理的人要因垂死听了,这是啥,和洛伦兹力一样,圆周运动啊

运用i构建的几何特性,和e导数等于自身的特质,e^ix,是一个从1,0开始,沿着单位圆的运动轨迹,x,便代表了你前进长度为x的圆弧

再结合一点三角函数,这下,终于出来了,欧拉公式,本质,就是把单位圆上的点,用三角分解的性质表现出来

最后,再带入π,最美丽的公式出来了屏幕截图 2024-09-07 225013.png

欧拉公式,是运用了i的几何特性,e的自导特性,π的定义,构建了这个美丽的公式,0,1,e,π,i,被欧拉用一个公式,解决了

这就是,数学的美

转载于

【漫士科普】如何最简单且本质地理解欧拉公式?

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ueq
8月前

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2条评论
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无名的流浪者
8月前

咳咳,我什么都不说

嘿嘿嘿jj-huaji

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ueq 回复 无名的流浪者
8月前

why,给我说【狗头】

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yc(平面几何版)
8月前
漫士沉思录好评
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章-NH558J2(限时回归)
8月前
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5汉爱学习
8月前

不如积分法


2条评论
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5汉爱学习
8月前

哎,滑稽掉了,补上



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紫川帛玟_最后的所有 回复 5汉爱学习
8月前

积分法不如直接泰勒展开jj-chengbikong,毕竟是从纯实数的角度去探究欧拉公式的,肥肠简单呐

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紫川帛玟_最后的所有
8月前

方法还好,用棣莫弗公式或者复平面几何意义推导的确是很容易想到的方法

这里补充两个方法

第一个应该就是欧拉本人的思路

都知道e的x次方在x=0的n阶导数都为e的0次方也就是1

把这些值带入到麦克劳林公式里

就能得到以自然指数e为底的指数函数幂级数

整理我们得到的式子,并将x代换为ix

可以观察到不含虚数i的式子是余弦麦克劳林展开式,另一个含i的式子是是正弦麦克劳林展开式

然后即可得出结论

第二个方法简单粗暴,分别对正弦函数和余弦函数进行泰勒展开,将正弦展开式乘i之后与余弦展开式相减然后暴力求解即可得出欧拉公式

当然,积分法也是不二之选

又及,如果想对欧拉公式有一个完整的认知,还是要学学复变函数论,实变函数论和泛函数的[狗头]

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懒得省吾身(懒癌限定)
7月前
白金之星:“看不懂”