欧拉公式 Euler's Formula
欧拉公式是数学中最重要的公式之一, 它涉及到了复数, 无理数, 三角函数, 简单优美
\(e^{i\theta} = cos(\theta) + isin(\theta)\)
欧拉公式代表的含义并不是欧拉最先发现的, 1714年英国物理学家和数学家罗杰·柯茨在一个公式中建立了对数, 三角函数和虚数之间的关系, 在1740年前后, 欧拉通过另一种形式得到了等价的公式.
\(i\theta = ln\left(cos(\theta) + isin(\theta)\right)\)
如果把 \(\theta\) 的值特殊化为 \(\theta = \pi\),就得到了欧拉恒等式
\(e^{\pi i} = -1\)
自然常数e
自然常数e是一个特殊的常数, 它的特性是 $ \left ( e^{x} \right )' = e^{x} $, 即指数函数的导数还是自身
e的定义如下
$ e = \lim_{x \to 0} (1 + x)^{\frac{1}{x}} $
或
$ e = \lim_{x \to \infty} (1 + \frac{1}{x})^{x}$
这个极限收敛, 值约为2.71828
对 \(e^x\) 的导数不变性的证明:
因为当e趋于无穷小时, $ e = \lim_{x \to 0} (1 + x)^{\frac{1}{x}} $ (这里实际上包含一个物理意义, 在 \(\lim_{x \to 0}\) 时 \(e^x\) 和 \(y=x\) 的曲线是无限接近的)
对其变形可得
$ e^x = lim_{x \to 0}1 + x$,
$ x = lim_{x \to 0}e^x - 1$,
$ 1 = lim_{x \to 0} \frac{e^{x} - 1}{x}$,
于是根据导数的定义,对于 \(e^x\), 我们给自变量x一个微小增量dx,可以得到
\(y' = \frac{e^{(x+dx)}-e^{x}}{dx}\)
\(= \frac{e^x * e^{dx} - e^x}{dx}\)
\(= e^x * \frac{e^{dx} - 1}{dx}\), 将上面的等式代入
$= e^x * 1 = e^x = y $
自然常数e的指数函数
\(f(x) = e^x\) 的泰勒级数展开
\(exp(x) = 1 + \frac{x^1}{1!} + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + ... = \sum_{i=0}^{n} \frac{x^n}{n!}\)
当 \(x = i\theta\) 时, \(exp(i\theta)\) 就成为了复平面上的一个圆
\(e^{i(0 + 2n\pi)} = 1\)
\(e^{i(\frac{\pi}{2} + 2n\pi)} = i\)
\(e^{i(\pi + 2n\pi)} = -1\)
\(e^{i(\frac{3\pi}{2} + 2n\pi)} = -i\)
数值验证
用一小段c代码验证 \(e^{i(\pi + 2n\pi)} = -1\)
#define PI 3.1415926
#define STEP 18
int main(void)
{
int32_t i = 0;
int64_t factorial = 1;
double real = 1, imaginary = 0, pp = 1, curr;
for (i = 0; i < STEP; i++)
{
pp = pp * PI;
factorial = factorial * (i + 1);
curr = pp / factorial;
if (i % 4 == 0) imaginary += curr;
else if (i % 4 == 1) real -= curr;
else if (i % 4 == 2) imaginary -= curr;
else real += curr;
printf("%3d - %20.6f / %25lu = %f, %10f %10f\r\n", i, pp, factorial, curr, real, imaginary);
}
}
当step为18时, 其输出为
0 - 3.141593 / 1 = 3.141593, 1.000000 3.141593
1 - 9.869604 / 2 = 4.934802, -3.934802 3.141593
2 - 31.006275 / 6 = 5.167713, -3.934802 -2.026120
3 - 97.409084 / 24 = 4.058712, 0.123910 -2.026120
4 - 306.019659 / 120 = 2.550164, 0.123910 0.524044
5 - 961.389095 / 720 = 1.335263, -1.211353 0.524044
6 - 3020.292867 / 5040 = 0.599264, -1.211353 -0.075221
7 - 9488.529721 / 40320 = 0.235331, -0.976022 -0.075221
8 - 29809.094757 / 362880 = 0.082146, -0.976022 0.006925
9 - 93648.031501 / 3628800 = 0.025807, -1.001829 0.006925
10 - 294203.962770 / 39916800 = 0.007370, -1.001829 -0.000445
11 - 924268.992327 / 479001600 = 0.001930, -0.999900 -0.000445
12 - 2903676.626705 / 6227020800 = 0.000466, -0.999900 0.000021
13 - 9122169.003250 / 87178291200 = 0.000105, -1.000004 0.000021
14 - 28658138.636560 / 1307674368000 = 0.000022, -1.000004 -0.000001
15 - 90032196.270391 / 20922789888000 = 0.000004, -1.000000 -0.000001
16 - 282844481.564807 / 355687428096000 = 0.000001, -1.000000 0.000000
17 - 888582130.234833 / 6402373705728000 = 0.000000, -1.000000 0.000000
应用
欧拉公式中, \(cos(\theta)\)是实部, \(sin(\theta)\)是虚部, 分别可以表示为
\(cos(x) = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} + ... = \sum_{i=0}^{n} (-1)^n\frac{x^{2n}}{2n!}\)
\(sin(x) = \frac{x^1}{1!} - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - ... = \sum_{i=0}^{n} (-1)^n\frac{x^{2n + 1}}{(2n+1)!}\)
这样就建立了三角函数和普通指数运算的桥梁, 在计算机上, 计算三角函数 sin, cos 以及其派生出的其他数值, 都可以通过泰勒级数进行计算, 根据需要可以通过循环次数控制精度.
参考
欧拉公式 Euler's Formula的更多相关文章
- Trying to find the anti-derivative of $\tan x$ unsuccessfully by using Euler's formula
We know that$$\tan t=\frac{e^{it}-e^{-it}}{i(e^{it}+e^{-it})}=\frac{e^{2i t}+1-2}{i(e^{2it}+1)}=- ...
- 数学常数e的含义
转载: http://www.ruanyifeng.com/blog/2011/07/mathematical_constant_e.html 作者: 阮一峰 日期: 2011年7月 9日 1. ...
- $\mathcal{OI}$生涯中的各种数论算法的证明
嗯,写这个是因为我太弱了\(ORZ\). #\(\mathcal{\color{silver}{1 \ \ Linear \ \ Sieve \ \ Method \ \ of \ \ Prime}} ...
- 《Shazam It! Music Recognition Algorithms, Fingerprinting, and Processing》译文
最近看到一篇老外写的博客,简单介绍了shazam的工作原理.图非常好,所以就把它翻译成中文,希望对搞听歌识曲的人有帮助. 你可能遇到这样的场景:在酒吧或者餐厅听到你非常熟悉的歌,也许你曾经听过无数次, ...
- Data Visualization – Banking Case Study Example (Part 1-6)
python信用评分卡(附代码,博主录制) https://study.163.com/course/introduction.htm?courseId=1005214003&utm_camp ...
- Mathematics for Computer Science (Eric Lehman / F Thomson Leighton / Albert R Meyer 著)
I Proofs1 What is a Proof?2 The Well Ordering Principle3 Logical Formulas4 Mathematical Data Types5 ...
- 五、c++实现离散傅里叶变换
C++离散傅里叶变换 一.序言: 该教程基于之前的图像处理类MYCV,是对其的补充. 二.设计目标 对图像进行简单的离散傅里叶变换,并输出生成的频谱图. 三.需要提前掌握的知识 二维傅里叶变换公式: ...
- Circle Problem From 3Blue1Brown (分圆问题)
Background\text{Background}Background Last night, lots of students from primary school came to our c ...
- Game Engine Architecture 13
[Game Engine Architecture 13] 1.describe an arbitrary signal x[n] as a linear combination of unit im ...
- poj2284 That Nice Euler Circuit(欧拉公式)
题目链接:poj2284 That Nice Euler Circuit 欧拉公式:如果G是一个阶为n,边数为m且含有r个区域的连通平面图,则有恒等式:n-m+r=2. 欧拉公式的推广: 对于具有k( ...
随机推荐
- SD Host控制器微架构设计
微架构设计思路 ahb_slave_if中的寄存器可以在datasheet中进行描述 sd_clk - 时钟产生模块的接口描述 sd_data_fsm和sd_cmd_fsm - 状态机描述 发送时序需 ...
- [转帖]TIDB TIKV 数据是怎么写入与通过Region 分割的?
https://cloud.tencent.com/developer/article/1882194 国产的分布式数据库不少,TDSQL, OB, TIDB ,等等都是比较知名的产品,使用的分布式协 ...
- [转帖]KingbaseES V8R6 中walminer的使用
https://www.cnblogs.com/kingbase/p/17315750.html 前言 walminer工具可以帮助dba挖掘wal日志中的内容,看到某时间对应数据库中的具体操作.例如 ...
- [转帖]《Linux性能优化实战》笔记(二)—— CPU 上下文切换(上)
上一篇的最后一个例子,在多个进程竞争CPU时,我们看到每个进程实际上%usr部分只有20%多,70%多是在wait,但是load远远高于单个进程使用CPU达到100%. 这让我想到之前看的RWP公开课 ...
- [转帖]一次SSL握手异常,我发现JDK还有发行版区别
https://www.cnblogs.com/codelogs/p/16633704.html 原创:扣钉日记(微信公众号ID:codelogs),欢迎分享,转载请保留出处. 简介# 最近,我们一个 ...
- ltp的简单学习
ltp的简单学习 简介 下载地址为: https://github.com/linux-test-project/ltp Linux Test Project is a joint project s ...
- element-ui中Select 选择器value-key的使用
场景描述 很多时候我们都需要使用下拉框 Select 选择器. 在获取值的时候,通常只需要传递对应的id给后端就行了. 但是特殊情况,后端不想去查库,不仅需要我们id,还有name,code之类的. ...
- echasrts定义折线图legend的样式-优化
option = { title: { text: '折线图堆叠' }, tooltip: { trigger: 'axis' }, //定义折线图legend的形状哈 legend: { itemW ...
- 【JS 逆向百例】网洛者反爬练习平台第二题:JJEncode 加密
关注微信公众号:K哥爬虫,持续分享爬虫进阶.JS/安卓逆向等技术干货! 声明 本文章中所有内容仅供学习交流,抓包内容.敏感网址.数据接口均已做脱敏处理,严禁用于商业用途和非法用途,否则由此产生的一切后 ...
- 在C#或python中使用xpath解析xml
记几个笔记 文件后缀不一定要.xml,可以是任意后缀,只要内容是符合xml和格式即可解析出来 文件编码需要是utf-8,python和c#都需要,或者xml文件头有这样一句:<?xml vers ...