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欧拉公式

 陆潇潇 2019-04-18

 欧拉公式

e^iπ +1=0
这个恒等式也叫做欧拉公式,它是数学里最令人着迷的一个公式,它将数学里最重要的几个数学联系到了一起:两个超越数:自然对数的底e,圆周率∏,两个单位:虚数单位i和自然数的单位1,以及数学里常见的0。数学家们评价它是“上帝创造的公式”,我们只能看它而不能理解它。 
证明:
 
将e^ix=cosx+isinx中的x取作π 就得到。
 
欧拉公式e^ix=cosx+isinx的证明:

将函数y=e^x、y=sinx、y=cosx用幂级数展开,有 
e^x=exp(x)=1+x/1!+x^2/2!+x^3/3!+x^4/4!+…+x^n/n!+… <1>

sinx=x-x^3/3!+x^5/5!-x^7/7!+……+(-1)^(k-1)*x^(2k-1)/(2k-1)!+… <2>

cosx=1-x^2/2!+x^4/4!-x^6/6!+……+(-1)^k*x^(2k)/(2k)!+…… <3>
将<1>式中的x换为ix,得到<4>式;
将i*<2>+<3>式得到<5>式。比较<4><5>两式,知<4>与<5>恒等。
于是我们导出了e^ix=cosx+isinx,
将公式里的x换成-x,得到: 
e^-ix=cosx-isinx
然后采用两式相加减的方法得到: 
sinx=(e^ix-e^-ix)/(2i),
cosx=(e^ix+e^-ix)/2.
tanx=[e^(ix)-e^(-ix)]/[ie^(ix)+ie^(-ix)] 

此时三角函数定义域已推广至整个复数集。 

 欧拉公式

在数学历史上有很多公式都是欧拉(Leonhard Euler 公元1707-1783年)发现的,它们都叫做欧拉公式,它们分散在各个数学分支之中。 
(1)分式里的欧拉公式: 
a^r/(a-b)(a-c)+b^r/(b-c)(b-a)+c^r/(c-a)(c-b) 
当r=0,1时式子的值为0  
当r=2时值为1 
当r=3时值为a+b+c 
(2)复变函数论里的欧拉公式: 
e^ix=cosx+isinx,e是自然对数的底,i是虚数单位。 
它将三角函数的定义域扩大到复数,建立了三角函数和指数函数的关系,它在复变函数论里占有非常重要的地位。 
将公式里的x换成-x,得到: e^-ix=cosx-isinx,
然后采用两式相加减的方法得到: sinx=(e^ix-e^-ix)/(2i),cosx=(e^ix+e^-ix)/2. 
这两个也叫做欧拉公式。 
(3)三角形中的欧拉公式: 
设R为三角形外接圆半径,r为内切圆半径,d为外心到内心的距离,则: d^2=R^2-2Rr 
(4)拓扑学里的欧拉公式: 
V+F-E=X(P),V是多面体P的顶点个数,F是多面体P的面数,E是多面体P的棱的条数,X(P)是多面体P的欧拉示性数。 
如果P可以同胚于一个球面(可以通俗地理解为能吹胀成一个球面),那么X(P)=2,如果P同胚于一个接有h个环柄的球面,那么X(P)=2-2h。 X(P)叫做P的拓扑不变量,是拓扑学研究的范围。 
(5)初等数论里的欧拉公式: 
欧拉φ函数:φ(n)是所有小于n的正整数里,和n互素的整数的个数。n是一个正整数。 
欧拉证明了下面这个式子: 
如果n的标准素因子分解式是p1^a1*p2^a2*……*pm*am,其中众pj(j=1,2,……,m)都是素数,而且两两不等。则有 
φ(n)=n(1-1/p1)(1-1/p2)……(1-1/pm) 
利用容斥原理可以证明它。 
此外还有很多著名定理都以欧拉的名字命名。

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