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數(shù)學(xué)里最令人著迷的公式之一:歐拉恒等式

更新時(shí)間:2024-01-12 文章作者:佚名 信息來源:網(wǎng)絡(luò)整理 閱讀次數(shù):

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(gè)常數(shù)聯(lián)系到了一起:兩個(gè)趕超數(shù):自然對(duì)數(shù)的底e,圓周率π;兩個(gè)單位:虛數(shù)單位i和自然數(shù)的單位1物理公式,以及物理里常見的0。zOs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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但是它對(duì)數(shù)學(xué)領(lǐng)域的造就也形成了廣泛影響,如三角函數(shù)、傅里葉級(jí)數(shù)、泰勒級(jí)數(shù)、概率論、群論等都有她的倩影。zOs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

為此,物理家們?cè)u(píng)價(jià)它是“上帝創(chuàng)造的公式物理公式,我們只能看它卻不能完全理解它”。zOs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

但是,這個(gè)公式對(duì)化學(xué)學(xué)影響也十分巨大,如機(jī)械波論、電磁學(xué)、波動(dòng)光學(xué)、量子熱學(xué)等匍匐在她的腳下;為啥化學(xué)學(xué)家蓋瑞·費(fèi)曼直呼:歐拉恒方程不可是“數(shù)學(xué)最奇妙的公式”,也是現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)的定量之跟,由于她把最基本的5個(gè)物理常數(shù)簡練地連系上去,但是也將數(shù)學(xué)學(xué)中的圓周運(yùn)動(dòng)、簡諧震動(dòng)、機(jī)械波、電磁波、概率波等聯(lián)系在了一起......zOs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

歐拉恒方程是:zOs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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

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

對(duì)于任意實(shí)數(shù)x,則有zOs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

令x=π代入上式,則可得出歐拉恒方程。zOs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

在歐拉公式中,虛數(shù)i占有特殊的地位,認(rèn)識(shí)這個(gè)公式就需先從i開始:zOs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

虛數(shù)i你們?cè)谛W(xué)接觸過,但那時(shí)我們只曉得它是-1的平方根,但是它真正的意義是哪些呢?zOs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

這兒有一條數(shù)軸,在數(shù)軸上有一個(gè)黃色線段,它的厚度是1。當(dāng)它除以3的時(shí)侯,它的厚度發(fā)生了變化,弄成了紅色的線段3,而當(dāng)它除以-1的時(shí)侯,就弄成了紅色的線段,或則說線段在數(shù)軸上圍繞原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)了180度。zOs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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(zhuǎn)了180度,這么乘一次i呢?zOs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

答案很簡單:旋轉(zhuǎn)了90度唄。zOs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

假如我們將這些運(yùn)算放在座標(biāo)平面上來表示,則實(shí)軸與虛軸就構(gòu)成了一組對(duì)稱線段,我們?cè)僭?處安插一個(gè)垂直此線段的軸,這樣就構(gòu)成了一個(gè)平面,我們稱之為復(fù)數(shù)平面;在這個(gè)平面上,我們可以看出,虛數(shù)i的功能就是旋轉(zhuǎn)。zOs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

對(duì)于歐拉公式zOs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

這個(gè)公式在物理領(lǐng)域的意義要遠(yuǎn)小于傅里葉剖析,當(dāng)x=π時(shí),則有zOs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

它對(duì)描述圓周運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)意義就是圓心位移為0,如右圖:zOs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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

可見,歐拉公式所勾畫的正是在復(fù)平面上做圓周運(yùn)動(dòng)的點(diǎn),隨著時(shí)間的改變,這個(gè)點(diǎn)在時(shí)間軸上就成了一條螺旋線。假如只看它的實(shí)數(shù)部份,也就是螺旋線在兩側(cè)的投影,就是一個(gè)最基礎(chǔ)的正弦函數(shù),而右邊投影則是一個(gè)余弦函數(shù)。zOs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)告訴我們,宏觀宇宙的構(gòu)成本質(zhì)是旋轉(zhuǎn)的,帶有圓周運(yùn)動(dòng)和載流子性;微觀世界也是旋轉(zhuǎn)的,也帶有圓周運(yùn)動(dòng)和載流子性,而歐拉公式描述的核心正是旋轉(zhuǎn)與頻度,為此,在數(shù)學(xué)學(xué)定量意義上講,稱它是宇宙第一公式一點(diǎn)也不為過!zOs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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