拓展欧拉公式的证明方法
现在,我们通过几种不同的方法来阐述下欧拉公式的证明思想,即证明,e^πi + 1=0.
首先指数函数是定义在实数域上的,现在要延拓到复数域上,首先要定义e^i, e^ix是什么,严格地说,这是一种定义,而且,这个定义是合理的.
e^ix=cosx+isinx,e是自然对数的底,i是虚数单位,他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.
证法1:
泰勒中值定理:
若函数f(x)在开区间(a,b)有直到n+1阶的导数,则当函数在此区间内时,可以展开为一个关于(x-x0)多项式和一个余项的和:
f(x)=f(x0)+f'(x0)(x-x0)+f''(x0)/2!.(x-x0)^2,+f'''(x0)/3!.(x-x0)^3+...+f(n)(x0)/n!.(x-x0)^n+Rn
其中,Rn=f(n+1)(ξ)/(n+1)!.(x-x0)^(n+1),这里ξ在x和x0之间,该余项称为拉格朗日型的余项.
注:f(n)(x0)是f(x0)的n阶导数,不是f(n)与x0的相乘.
用此定理可以将任何有n阶导数的函数展开成多项式的形式
所以,e^x,cosx,sinx:
e^x=1+x/1!+x^2/2!+x^3/3!+x^4/4!+...
cos x=1-x^2/2!+x^4/4!-x^6/6!...
sin x=x-x^3/3!+x^5/5!-...
在e^x的展开式中把x换成±ix,则:
e^±ix
=1±x/1!-x^2/2!+x^3/3!∓x^4/4!...
=(1-x^2/2!+...)±i(x-x^3/3!...)
所以,e^±ix=cosx±isinx
将x换成-x,可得:
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
将e^ix=cosx+isinx中的x取作π
就得到:e^iπ+1=0
注:(±i)^2=-1,(±i)^3=∓i,(±i)^4=1...
证法2:
证明之前需要定义exp,sin,cos函数和π
1.定义exp
先来定义exp函数,我们定义复指数函数,对于z,定义exp(z)为:
采用复级数的比例判别法可知,对于每个z,exp(z)都收敛,还有,exp(z)在C是复解析的.
exp(z)的性质有:
exp(z+w)=exp(z)exp(w)
~exp(z)=exp(~z)
定义欧拉数e为:
根据exp函数的性质第一点可以证明,对于每个实数x,有exp(x)=e^x
根据这个命题,我们将交互的使用记号,exp(x)和e^x
但是,如果,z是复数,那么,e^z则没有指数的含义,只有exp(z)的另一种写法.
2.定义三角函数
再来定义三角函数,如果,z是复数,那么,定义:
分别把cos和sin叫做余弦函数、正弦函数.
由定义可知,对于复数z,有:
从exp的幂级数定义,可得:
一般我们只用到实三角函数,同样三角函数在C上是复解析的,三角函数的性质有,设:x,y是实数,那么,有如下各式:
且对于一切x∈R,有:
设,E是集合,E:={x∈(0,∞):sin(x)=0},根据三角函数的性质,可知,存在c>0,使得E包含于[c,∞),且,还有E是R中的闭集,于是,E含有他的一切附着点,从而,含有inf(E).
3.定义π
定义π,为:
π:=inf{x∈(0,∞):sin(x)=0}
于是,π∈E包含于[c,∞),那么,π>0,而且,sin(π)=0,同样,根据三角函数的性质,可以断定:cos(π)<1,由于sin^2(π)+cos^2(π)=1,所以,cos(π)=-1.
于是,得到了欧拉公式
即,
此公式,将数学里最重要的几个数字联系到了一起.
两个超越数:自然对数的底e,圆周率π,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,数学家们评价他是上帝创造的公式,我们只能看他而不能理解他.
注意:
R + V - E=2,这是欧拉定理,实际上,他是费马小定理的推广.
,这是欧拉公式(之一).
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