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數學里最令人著迷的公式之一:歐拉恒等式

2024-01-12 09:33:02教育資訊43

歐拉公式物理里最令人著迷的公式之一,它將物理里最重要的幾個常數聯系到了一起:兩個趕超數:自然對數的底e,圓周率π;兩個單位:虛數單位i和自然數的單位1物理公式,以及物理里常見的0。Alu物理好資源網(原物理ok網)

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但是它對數學領域的造就也形成了廣泛影響,如三角函數、傅里葉級數、泰勒級數、概率論、群論等都有她的倩影。Alu物理好資源網(原物理ok網)

為此,物理家們評價它是“上帝創造的公式物理公式,我們只能看它卻不能完全理解它”。Alu物理好資源網(原物理ok網)

但是,這個公式對化學學影響也十分巨大,如機械波論、電磁學、波動光學、量子熱學等匍匐在她的腳下;為啥化學學家蓋瑞·費曼直呼:歐拉恒方程不可是“數學最奇妙的公式”,也是現代數學學的定量之跟,由于她把最基本的5個物理常數簡練地連系上去,但是也將數學學中的圓周運動、簡諧震動、機械波、電磁波、概率波等聯系在了一起......Alu物理好資源網(原物理ok網)

歐拉恒方程是:Alu物理好資源網(原物理ok網)

其中e是自然指數的底,i是虛數單位,π是圓周率。Alu物理好資源網(原物理ok網)

這條恒方程第一次出現于1748年歐拉在洛桑出版的書,它是復剖析的歐拉公式特例。Alu物理好資源網(原物理ok網)

對于任意實數x,則有Alu物理好資源網(原物理ok網)

令x=π代入上式,則可得出歐拉恒方程。Alu物理好資源網(原物理ok網)

在歐拉公式中,虛數i占有特殊的地位,認識這個公式就需先從i開始:Alu物理好資源網(原物理ok網)

虛數i你們在小學接觸過,但那時我們只曉得它是-1的平方根,但是它真正的意義是哪些呢?Alu物理好資源網(原物理ok網)

這兒有一條數軸,在數軸上有一個黃色線段,它的厚度是1。當它除以3的時侯,它的厚度發生了變化,弄成了紅色的線段3,而當它除以-1的時侯,就弄成了紅色的線段,或則說線段在數軸上圍繞原點旋轉了180度。Alu物理好資源網(原物理ok網)

我們曉得乘-1雖然就等于乘了兩次i,因i×i=-1,這樣就使線段旋轉了180度,這么乘一次i呢?Alu物理好資源網(原物理ok網)

答案很簡單:旋轉了90度唄。Alu物理好資源網(原物理ok網)

假如我們將這些運算放在座標平面上來表示,則實軸與虛軸就構成了一組對稱線段,我們再在0處安插一個垂直此線段的軸,這樣就構成了一個平面,我們稱之為復數平面;在這個平面上,我們可以看出,虛數i的功能就是旋轉。Alu物理好資源網(原物理ok網)

對于歐拉公式Alu物理好資源網(原物理ok網)

這個公式在物理領域的意義要遠小于傅里葉剖析,當x=π時,則有Alu物理好資源網(原物理ok網)

它對描述圓周運動的數學意義就是圓心位移為0,如右圖:Alu物理好資源網(原物理ok網)

這個公式的關鍵作用就是將正弦波統一成了簡單的指數方式,我們來瞧瞧它圖象上的含義:Alu物理好資源網(原物理ok網)

可見,歐拉公式所勾畫的正是在復平面上做圓周運動的點,隨著時間的改變,這個點在時間軸上就成了一條螺旋線。假如只看它的實數部份,也就是螺旋線在兩側的投影,就是一個最基礎的正弦函數,而右邊投影則是一個余弦函數。Alu物理好資源網(原物理ok網)

現代數學學告訴我們,宏觀宇宙的構成本質是旋轉的,帶有圓周運動和載流子性;微觀世界也是旋轉的,也帶有圓周運動和載流子性,而歐拉公式描述的核心正是旋轉與頻度,為此,在數學學定量意義上講,稱它是宇宙第一公式一點也不為過!Alu物理好資源網(原物理ok網)

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