引入

很早就听过欧拉公式的大名,其中最有意义的还是欧拉恒等式,又名为上帝公式。

当 时,有:

为什么五个最基本的常数 、、、、 会出现在同一个式子里?

正文

定义

对于任意实数 ,都有 当 时得到欧拉恒等式:。

证明

根据泰勒级数与复数的定义,将 代入 的展开式:

括号里的恰好是 和 的泰勒级数展开式,则

证明的关键在于”实部与虚部分别凑成级数”。这不是巧合: 使偶次项变号,正好对应 的交替符号;奇次项保留 ,正好对应 。

为什么叫”上帝公式”

欧拉恒等式

把五个最基本的数学常数连在一起:

常数来源领域
分析
代数
圆周长与直径之比几何
乘法单位元代数
加法单位元代数

它的意义不在于”美”,而在于”跨领域”:分析、代数、几何三个分支的常数,由一条公式连接。

复数的指数形式

由欧拉公式,任意复数可写成

形式表达式
代数
三角
指数

指数形式让乘除变成指数加减:

推导出的重要结论

三角恒等式

由 展开两边:

比较实部虚部即得和角公式。整个三角恒等式体系都可以由欧拉公式推出。

倍角公式

这是棣莫弗定理,由 直接得到。

三角函数的指数表示

这两个式子是三角函数的复数定义的起点。

几何意义

是复平面上单位圆上的点, 是它与实轴正方向的夹角。

值复平面位置

乘以 相当于逆时针旋转 。这个性质使复数成为描述旋转与振动的自然工具。

应用

领域用途
交流电用 表示正弦信号
信号处理傅里叶变换
量子力学波函数
微分方程 的解
控制理论传递函数

核心优势:把”三角函数运算”转化为”指数运算”,乘除变加减,微分变乘法。

常见误区

错误说法问题
”欧拉公式是人为规定的”由泰勒级数推出
""是
“欧拉公式只对实数 成立”对复数也成立
”它只是一个漂亮的等式”是大量计算的工具
” 与 无关”实部就是

引出

为什么 能让泰勒级数自动分成 与 两部分?

复指数与旋转矩阵是同一件事吗?

欧拉公式在傅里叶变换中如何起作用?