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欧拉复数公式

时间:2020-10-28 16:02:46

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:

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

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