欧拉公式是数学中最重要的公式之一, 它涉及到了复数, 无理数, 三角函数, 简单优美

\(e^{i\theta} = cos(\theta) + isin(\theta)\)

欧拉公式代表的含义并不是欧拉最先发现的, 1714年英国物理学家和数学家罗杰·柯茨在一个公式中建立了对数, 三角函数和虚数之间的关系, 在1740年前后, 欧拉通过另一种形式得到了等价的公式.

\(i\theta = ln\left(cos(\theta) + isin(\theta)\right)\)

如果把 \(\theta\) 的值特殊化为 \(\theta = \pi\),就得到了欧拉恒等式

\(e^{\pi i} = -1\)

自然常数e

自然常数e是一个特殊的常数, 它的特性是 $ \left ( e^{x} \right )' = e^{x} $, 即指数函数的导数还是自身

e的定义如下

$ e = \lim_{x \to 0} (1 + x)^{\frac{1}{x}} $



$ e = \lim_{x \to \infty} (1 + \frac{1}{x})^{x}$

这个极限收敛, 值约为2.71828

对 \(e^x\) 的导数不变性的证明:

因为当e趋于无穷小时, $ e = \lim_{x \to 0} (1 + x)^{\frac{1}{x}} $ (这里实际上包含一个物理意义, 在 \(\lim_{x \to 0}\) 时 \(e^x\) 和 \(y=x\) 的曲线是无限接近的)

对其变形可得

$ e^x = lim_{x \to 0}1 + x$,

$ x = lim_{x \to 0}e^x - 1$,

$ 1 = lim_{x \to 0} \frac{e^{x} - 1}{x}$,

于是根据导数的定义,对于 \(e^x\), 我们给自变量x一个微小增量dx,可以得到

\(y' = \frac{e^{(x+dx)}-e^{x}}{dx}\)

\(= \frac{e^x * e^{dx} - e^x}{dx}\)

\(= e^x * \frac{e^{dx} - 1}{dx}\), 将上面的等式代入

$= e^x * 1 = e^x = y $

自然常数e的指数函数

\(f(x) = e^x\) 的泰勒级数展开

\(exp(x) = 1 + \frac{x^1}{1!} + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + ... = \sum_{i=0}^{n} \frac{x^n}{n!}\)

当 \(x = i\theta\) 时, \(exp(i\theta)\) 就成为了复平面上的一个圆

\(e^{i(0 + 2n\pi)} = 1\)

\(e^{i(\frac{\pi}{2} + 2n\pi)} = i\)

\(e^{i(\pi + 2n\pi)} = -1\)

\(e^{i(\frac{3\pi}{2} + 2n\pi)} = -i\)

数值验证

用一小段c代码验证 \(e^{i(\pi + 2n\pi)} = -1\)

#define PI      3.1415926
#define STEP 18 int main(void)
{
int32_t i = 0;
int64_t factorial = 1;
double real = 1, imaginary = 0, pp = 1, curr;
for (i = 0; i < STEP; i++)
{
pp = pp * PI;
factorial = factorial * (i + 1);
curr = pp / factorial;
if (i % 4 == 0) imaginary += curr;
else if (i % 4 == 1) real -= curr;
else if (i % 4 == 2) imaginary -= curr;
else real += curr;
printf("%3d - %20.6f / %25lu = %f, %10f %10f\r\n", i, pp, factorial, curr, real, imaginary);
}
}

当step为18时, 其输出为

  0 -             3.141593 /                         1 = 3.141593,   1.000000   3.141593
1 - 9.869604 / 2 = 4.934802, -3.934802 3.141593
2 - 31.006275 / 6 = 5.167713, -3.934802 -2.026120
3 - 97.409084 / 24 = 4.058712, 0.123910 -2.026120
4 - 306.019659 / 120 = 2.550164, 0.123910 0.524044
5 - 961.389095 / 720 = 1.335263, -1.211353 0.524044
6 - 3020.292867 / 5040 = 0.599264, -1.211353 -0.075221
7 - 9488.529721 / 40320 = 0.235331, -0.976022 -0.075221
8 - 29809.094757 / 362880 = 0.082146, -0.976022 0.006925
9 - 93648.031501 / 3628800 = 0.025807, -1.001829 0.006925
10 - 294203.962770 / 39916800 = 0.007370, -1.001829 -0.000445
11 - 924268.992327 / 479001600 = 0.001930, -0.999900 -0.000445
12 - 2903676.626705 / 6227020800 = 0.000466, -0.999900 0.000021
13 - 9122169.003250 / 87178291200 = 0.000105, -1.000004 0.000021
14 - 28658138.636560 / 1307674368000 = 0.000022, -1.000004 -0.000001
15 - 90032196.270391 / 20922789888000 = 0.000004, -1.000000 -0.000001
16 - 282844481.564807 / 355687428096000 = 0.000001, -1.000000 0.000000
17 - 888582130.234833 / 6402373705728000 = 0.000000, -1.000000 0.000000

应用

欧拉公式中, \(cos(\theta)\)是实部, \(sin(\theta)\)是虚部, 分别可以表示为

\(cos(x) = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} + ... = \sum_{i=0}^{n} (-1)^n\frac{x^{2n}}{2n!}\)

\(sin(x) = \frac{x^1}{1!} - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - ... = \sum_{i=0}^{n} (-1)^n\frac{x^{2n + 1}}{(2n+1)!}\)

这样就建立了三角函数和普通指数运算的桥梁, 在计算机上, 计算三角函数 sin, cos 以及其派生出的其他数值, 都可以通过泰勒级数进行计算, 根据需要可以通过循环次数控制精度.

参考

欧拉公式 Euler's Formula的更多相关文章

  1. Trying to find the anti-derivative of $\tan x$ unsuccessfully by using Euler's formula

    We know that$$\tan t=\frac{e^{it}-e^{-it}}{i(e^{it}+e^{-it})}=\frac{e^{2i    t}+1-2}{i(e^{2it}+1)}=- ...

  2. 数学常数e的含义

    转载:   http://www.ruanyifeng.com/blog/2011/07/mathematical_constant_e.html 作者: 阮一峰 日期: 2011年7月 9日 1. ...

  3. $\mathcal{OI}$生涯中的各种数论算法的证明

    嗯,写这个是因为我太弱了\(ORZ\). #\(\mathcal{\color{silver}{1 \ \ Linear \ \ Sieve \ \ Method \ \ of \ \ Prime}} ...

  4. 《Shazam It! Music Recognition Algorithms, Fingerprinting, and Processing》译文

    最近看到一篇老外写的博客,简单介绍了shazam的工作原理.图非常好,所以就把它翻译成中文,希望对搞听歌识曲的人有帮助. 你可能遇到这样的场景:在酒吧或者餐厅听到你非常熟悉的歌,也许你曾经听过无数次, ...

  5. Data Visualization – Banking Case Study Example (Part 1-6)

    python信用评分卡(附代码,博主录制) https://study.163.com/course/introduction.htm?courseId=1005214003&utm_camp ...

  6. Mathematics for Computer Science (Eric Lehman / F Thomson Leighton / Albert R Meyer 著)

    I Proofs1 What is a Proof?2 The Well Ordering Principle3 Logical Formulas4 Mathematical Data Types5 ...

  7. 五、c++实现离散傅里叶变换

    C++离散傅里叶变换 一.序言: 该教程基于之前的图像处理类MYCV,是对其的补充. 二.设计目标 对图像进行简单的离散傅里叶变换,并输出生成的频谱图. 三.需要提前掌握的知识 二维傅里叶变换公式: ...

  8. Circle Problem From 3Blue1Brown (分圆问题)

    Background\text{Background}Background Last night, lots of students from primary school came to our c ...

  9. Game Engine Architecture 13

    [Game Engine Architecture 13] 1.describe an arbitrary signal x[n] as a linear combination of unit im ...

  10. poj2284 That Nice Euler Circuit(欧拉公式)

    题目链接:poj2284 That Nice Euler Circuit 欧拉公式:如果G是一个阶为n,边数为m且含有r个区域的连通平面图,则有恒等式:n-m+r=2. 欧拉公式的推广: 对于具有k( ...

随机推荐

  1. MySQL高可用搭建方案之(MHA)

    有的时候博客内容会有变动,首发博客是最新的,其他博客地址可能会未同步,认准https://blog.zysicyj.top 首发博客地址 原文地址 MHA架构介绍 MHA是Master High Av ...

  2. [转帖]麒麟v10上部署TiDBv5.1.2生产环境的最佳实践

    https://tidb.net/book/tidb-monthly/2022/2022-07/usercase/tidb-v5-1-2 前言​ 笔者最近在一个银行项目中做 PoC 测试,由于客户选择 ...

  3. UnixBench的简单测试与验证

    UnixBench的简单测试与验证 目标 飞腾2000+ (物理机和虚拟机) Intel Golden 6170 物理机 Intel Golden 5218 虚拟机 Gold 5218 CPU @ 2 ...

  4. easyUI 多表头设置

  5. 淘宝一面:“说一下 Spring Boot 自动装配原理呗?”

    本文已经收录进 Github 95k+ Star 的Java项目JavaGuide .JavaGuide项目地址 : https://github.com/Snailclimb/JavaGuide . ...

  6. 文心千帆:PPT 制作、数字人主播一键开播等数十种应用场景惊艳到我了,下面给出简介和使用指南,快去使用起来吧

    文心千帆:PPT 制作.数字人主播一键开播等数十种应用场景惊艳到我了,下面给出简介和使用指南,快去使用起来吧 文心千帆大模型平台是面向企业开发者的一站式大模型开发及服务运行平台.文心千帆不仅提供了包括 ...

  7. PaddleNLP基于ERNIR3.0文本分类以CAIL2018-SMALL数据集罪名预测任务为例【多标签】

    相关项目链接: Paddlenlp之UIE模型实战实体抽取任务[打车数据.快递单] Paddlenlp之UIE分类模型[以情感倾向分析新闻分类为例]含智能标注方案) 应用实践:分类模型大集成者[Pad ...

  8. uni-app 介绍及使用

    一.什么是uni-app uni-app由dcloud公司开发的多端融合框架,是一个使用 Vue.js 开发所有前端应用的框架,开发者编写一套代码,可发布到iOS.Android.Web(响应式).以 ...

  9. 自定义RecyclerView下拉刷新上拉加载更多

    自定义ListView下拉刷新上拉加载更多 自定义RecyclerView下拉刷新上拉加载更多

  10. 让 JuiceFS 帮你做好「异地备份」

    家住北京西二旗的小张是一家互联网金融公司的运维工程师,金融行业的数据可是很值钱的,任何的损坏和丢失都不能容忍. 为此,小张选了北京品质最高的机房,买了品质最好的硬件,做了全面的数据备份容灾策略: 每 ...