常用的复数表达方式有很多种,比如最常见的一种
还有一种类似于极坐标的表达方式
但是还有一种工程中应用最广发,最漂亮,奇迹般的表达方式,它就是大名鼎鼎的欧拉公式:
这个公式是欧拉再1740年左右发现的,那个时候乾隆才当了4年皇帝.
下面用运动的方式来图形化演示欧拉公式到底说了什么
回忆一下一个基本的事实,
是它自身的导数,也就是
虽然是推导出来的,但是在微积分中,这是一个可以拿来作为定义的事实,也就是说,如果有人说一个函数满足
并且
那么可以肯定的得到结论:
类似的,如果
是一个实常数,则
和下面的条件等价
并且
为了把通常的指数函数
从
的实数域推广到虚数值,我们可以抓住这一点不放,坚定认定,当
时,此式为真,即:
实函数的导数理解为斜率,但是怎样理解虚函数的求导呢?
还记得在高等数学中,老师介绍微积分的时候,是通过速度,位移引入的,速度和位移同样都是矢量,可以用复数表示.
是位移.所以,无论是实数域还是复数域,给定了一个自变量的复函数,总可以把
看成是运动过程中动点的位置,运用求导的方法,得到它的矢量速度.
把这个想法应用到
上面,
上面的式子得到一个结论,就是速度始终和位置大小相同,但是垂直于当前的位置.
我们知道初始位置的值是
所以运动过程的初始速度是
,也就是垂直向上运动,一段时间后,将运动到新的位置,而新位置的速度与新位置的向量仍然成直角,按照此种方法构造的运动,很明显,将会是如下方式的圆运动:
接下来看一下,为什么一定要是
指数才可以呢?其它的实数为什么不行呢,
的特殊性究竟再哪里呢?对于
如果
则
恰好是欧拉公式,我们看一下当
的时候,运动图像会有什么不同:
从动图可以看出,
点在区间
运动时,只有
,也就是红色的向量,围绕原点运动了整整一圈,
由于角速度过大,围绕原点超过了1圈,而
则由于角速度过小,当自变量A变动一周后,像点运动不到一圈.特别的,当A运动到
点时,
恰好运动到负实轴的-1,也就是
就是号称世界上最美公式的欧拉公式!
如果指数用复数代替纯虚数,则可以写成
下图表示当
时,
随着级数的增加,级数和螺旋式样收敛于 e圆上,其与远点的距离为
,角度为
弧度.对于z=1+2i的情况,2 弧度=114.59156 度,收敛于e圆上.实际上,这种曲线有一个专门的名字,叫做对数螺线,老鹰抓小鸡,飞蛾扑火,导弹追踪目标,走出的都是对数螺线的轨迹。
另一种推导
根据棣莫弗公式:
当n趋近于无穷大时:
不失为另一种有趣的证明方式。
扩展,关于e
银行复利与自然常数e之间的关系,我们拿1元到银行去存,存一年,年利息是100%,聪明的你一眼就得出年收入是2元,这实在太少了,我们拿到第二家银行去存,利息半年算一次,一年的收入就是2.25元,计算方法是:
以此类推,一年内结算n次就是:
典型的,如果一天一结算,就是:
这个值不是无限增大的,当n趋于无穷大时,会趋于某个稳定值,这个值就是e了,我们用图形画出来就是如下图所示:
根据函数图像也可以看出,当n趋向负无穷时,极限也是e,推算一下,下式x>0,则-x<0: