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從“旋轉(zhuǎn)”的角度探索“歐拉公式”的神奇奧秘

 當(dāng)以讀書(shū)通世事 2019-02-20

我們知道歐拉公式和自然常數(shù)e分布于工程和科學(xué)的各個(gè)角落,應(yīng)用及其廣泛,我們從一種新的視角來(lái)領(lǐng)略它給我們帶來(lái)的不一樣的感受。

先來(lái)看自然常數(shù)e的來(lái)源:

我們知道二項(xiàng)式定理:

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稍微經(jīng)過(guò)變形得:(將上式x變?yōu)閍x,m變?yōu)?/a)

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當(dāng)a趨于0時(shí)得到:

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當(dāng)x=1的時(shí)候得到

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所以當(dāng)a趨于0時(shí)得到一個(gè)與e有關(guān)的重要等式:

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所以只要a趨于無(wú)窮小,就得到一個(gè)與a無(wú)關(guān)的結(jié)果常數(shù)e,所以a可以用ax替換,并不影響結(jié)果

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再次變形得到等價(jià)的,a趨于無(wú)窮大的公式

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現(xiàn)在來(lái)看本文要闡述的旋轉(zhuǎn)概念:把上述的公式換成

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(i是虛數(shù))這個(gè)公式就是復(fù)數(shù)a+bi的形式

你會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)n取任何數(shù)值時(shí),且k=1,2,3,4...的情況下的圖像:

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圖中n=5和n=10,當(dāng)k=1,2,3,4時(shí)的圖

當(dāng)n較大,在k=1,2,3,4時(shí),旋轉(zhuǎn)半徑和旋轉(zhuǎn)角度越來(lái)越小,n趨于無(wú)窮大時(shí),且k=1,2,3,...n時(shí),最終的旋轉(zhuǎn)停止在角度為1旋轉(zhuǎn)半徑r=1的位置.所以公式

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表達(dá)的幾何意義就是:半徑為1,旋轉(zhuǎn)了1度的一個(gè)旋轉(zhuǎn)量,上述僅用1度來(lái)分析,其他角度也成立。且復(fù)數(shù)

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也表示在圓上的旋轉(zhuǎn),所以最終(1)和(2)在幾何上建立某種默契的聯(lián)系,這就是著名的歐拉公式:

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于是作圖得到

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從圖中得到公式:

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于是作圖得到:

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從圖中得到公式:

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所以正弦和余弦這兩個(gè)公式僅從頭腦中浮現(xiàn)的幾何圖形就可以寫(xiě)出來(lái),不用刻意去記或者推導(dǎo)。

這就是歐拉公式在幾何意義上的表示,用旋轉(zhuǎn)的思路去理解,直觀方便。

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