Формула Эйлера - доказательство, применение и примеры решения

Несмотря на простоту записи, эта формула несёт принципиально важную идею и находит применение почти во всех современных точных исследованиях и разработках.

Общие сведения

Формула Эйлера утверждает, что:

• i - мнимая единица, то есть корень квадратный из -1;
• e – экспонента, одна из важнейших математических констант, определяется выражением:

Формула, связывающая тригонометрические и функции экспоненциальные выражения, имеет множество применений. Она позволяет рассчитать некоторые выражения, решения которых невозможно или проблематично вычислить другим путём.

Необходимо лишь превратить исходные формулы в конструкцию, которая будет содержать удобные для проведения дальнейших операций функции.

Экспоненциальные и тригонометрические выражения обладают столь многочисленными свойствами, что имеют наиболее широкую область использования. Это делает неочевидную связь между ними особенно полезной.

История создания

Первым формулу опубликовал Роджер Котс, математик родом из Англии, в научном журнале, издаваемом Лондонским королевским обществом. Затем, формула была отображена в книге «Гармония мер», которую издали после смерти автора - в 1722 году. Котс не придал ей большого значения и отобразил среди геометрических построений. Чтоб полученное Котсом выражение приобрело привычный вид, необходимо исправить ошибку в знаке и перевести на современный язык описания математики.

Формулу в привычном для людей виде опубликовал Эйлер в статье 1740 года. В 1748 году выражение было также представлено в его книге «Введение в анализ бесконечно малых». Эйлер доказал формулу на основе бесконечных разложений составляющих формулы в степенные ряды.

Но учёные того времени не рассматривали геометрической интерпретации формулы, которая используется на сегодняшний день. Представление о комплексных числах в виде точек на комплексной плоскости, на основе которого строится геометрическая интерпретация равенства, появилось примерно на 50 лет позже в работах К. Весселя.

Доказательство формулы

Вывод формулы Эйлера можно выполнить, используя ряд Маклорена – частный случай ряда Тейлора при разложении функции в окрестности точки x=0. Раскладывая левую часть равенства, получится cтепенной ряд, в котором в различные степени будет возводиться мнимая единица. Необходимо вынести её, сформировав коэффициент перед x.

При расчёте степеней мнимой единицы удаётся получить интересный эффект: если степень чётная – можно её представить как умножение некоторого числа пар i*i, которые можно заменить на -1 (из определения мнимой единицы). А при умножении между собой отрицательных единиц возможны два случая, опять же исходя из чётности их количества. Если их число кратно 2, то получают просто единицу («минус на минус даёт плюс»). Если их нечётное число – получится -1.

С другой стороны, из всех членов, где мнимая единица стоит в нечётной степени, она выносится за скобки. В них останется выражение, подобное тому, которое вышло для чётных степеней.

Таким образом, чередование происходит дважды: по чётности степеней мнимой единицы, а следом – по чётности степеней -1, которые были получены вследствие первого шага. Получается циклическое изменение на каждые четыре члена суммы.

После разделения мнимых и вещественных членов последовательности и расстановки чередующихся знаков формируются две группы слагаемых, которые представляют собой разложения других функций – синуса и косинуса. При их подстановке получится равенство Эйлера.

Использование

Геометрическая интерпретация позволяет наглядно отобразить математические преобразования. Для этой цели используется комплексная плоскость. Она геометрически отображает комплексные величины: вдоль горизонтальной оси откладывается вещественная часть числа, а вдоль вертикальной – мнимая. Таким образом, число отражается точкой с координатами, представляющими собой вещественную (Re) и мнимую (Im) его части. Часто для удобства используется вектор, проведённый из начала координат в эту точку (радиус-вектор). Несложно понять, что его координаты совпадают с координатами той самой точки.

В геометрической интерпретации рассматривается единичная окружность (радиус равен единице). Для любой точки, принадлежащей окружности, можно построить прямоугольные треугольники, опуская перпендикуляры на оси координат. Это позволяет сделать переход в полярную систему координат, которая удобна для пояснения другой формы числа.

В ней положение точки определяется не расстояниями, отложенными на осях, а длиной вектора, проведённого в точку из начала координат и углом поворота относительно оси (вещественной).

Из свойств прямоугольного треугольника следует, что синус используемого угла равен отношению мнимой части числа (противолежащего катета) к длине вектора (гипотенузе). Так как длина гипотенузы равна единице (радиус окружности), то мнимая часть числа равна синусу угла. Аналогично вдоль вещественной оси откладывается расстояние, равное косинусу этого угла. Теперь для получения числа в новом виде осталось только сложить его части, не забыв умножить мнимую на i. Таким образом, исходное число равно:

Последняя конструкция в точности повторяет выражение, стоящее в правой части равенства Эйлера. Значит, благодаря ей появляется возможность отобразить комплексную величину по-новому – через экспоненту:

Комплексный анализ

Формула играет важную роль в комплексном анализе. На её основе строится связь тригонометрической и показательной форм записи комплексного числа, которая отображена в только что полученной формуле.

Нельзя ограничиваться единичной окружностью. Как отобразить любую точку комплексной плоскости в новом виде? Можно это представить очень просто: будет изменяться радиус. Тогда числа, выраженные через синус и косинус, будут умножаться на длину гипотенузы (радиус окружности). Эта длина называется модулем комплексной величины, а угол поворота – аргументом.

Модуль обозначается так же, как и обычный модуль для вещественного числа, ведь он представляет просто более общий случай. В то же время для аргумента стало использоваться новое обозначение – arg.

И синус, и косинус умножаются на модуль. Следовательно, его можно вынести за скобки. Что осталось в скобках? – Всё та же правая часть любимой формулы. Можно заменить содержимое скобок на экспоненту.

Таким образом, имеется три формы записи комплексного числа:

• алгебраическая;
• тригонометрическая;
• показательная.

Последние две связаны между собой за счёт формулы Эйлера. Зачем их три? Новичку, как правило, приятно использовать алгебраическую, ведь она проще выглядит: лишь сумма двух чисел. Но некоторые операции очень сложно либо даже невозможно осуществить, используя лишь её.

Так что часто приходится переводить число из алгебраической формы в тригонометрическую, которая имеет ряд полезных особенностей. А вот перейти к показательной форме от тригонометрической не составит труда – копируется аргумент числа и вставляется в степень e, умножив на i.

Производные формулы

Формула Эйлера выражает экспоненту через тригонометрические функции, но можно получить и обратное преобразование. Применимость её для таких целей очевидна. Заменяют x на –x. Косинус – чётная функция, синус – нечётная. В результате замены происходит изменение знака перед синусом.

Сложение и вычитание полученных выражений приводит к уравнению, с одной стороны которого располагается удвоенный косинус или синус, а с другой – комбинация экспонент. Выразить отсюда тригонометрическую функцию не составит труда.

Эти формулы имеют большое значение при работе с преобразованиями комплексных величин. Например, они могут служить определением тригонометрических функций комплексной переменной.

При обычном рассмотрении тригонометрических функций не удаётся получить значения для комплексного аргумента, зато есть возможность поставить такое значение в только что полученную формулу. В результате преобразований можно получить значение, которое выражается лишь через косинусы и синусы вещественной переменной, а также гиперболические косинусы и синусы, опять же, с вещественными аргументами.

Таким образом, для получения значений ряда функций комплексных используются следствия формулы Эйлера.

Пример применения:

Также эти формулы значительно упрощают некоторые расчёты. С их помощью можно получить многие тригонометрические тождества путём проведения преобразований и дальнейшей обратной замены.

Кроме того, из формулы вытекает известное тождество Эйлера, которое связывает пять фундаментальных математических констант. Оно представляет собой частный случай при x=π. При подстановке числа π синус обращается в 0, а косинус принимает значение 1.

Остаётся лишь перенести 1 в другую часть уравнения, чтоб получить все пять констант в явном виде.

Тождество было опубликовано Эйлером в 1740 году и вызвало общественный резонанс. Имели место даже попытки мистического толкования как символа единства математики. Ведь тождество связывает величины, произошедшие из разных разделов математики:

• нуль и единица - из арифметики;
• число π - геометрии;
• мнимая единица (i) - алгебры;
• число Эйлера (е) - из математического анализа.

Наглядное доказательство

Существуют альтернативные доказательства, как для почти любых математических выражений. Более наглядное отображение может дать рассмотрение производной выражения в показательной форме, а именно от числа с модулем, равным единице.

Производная экспоненты равна той же самой экспоненте, но с одним изменением: необходимо умножить её значение, на которое умножался аргумент в степени.

Умножение на i аналогично повороту на 90 градусов. Полученный угол даёт возможность провести аналогию с центростремительной силой – подтверждается то, что точка движется по окружности с центром в начале координат. Но в то же время, для этой же окружности действует отображение точек через сумму косинуса и синуса. Отсюда вытекает взаимное соответствие комплексной экспоненты и тригонометрических функций.

В науке и технике

В комплексном анализе для возведения числа в степень его переводят в тригонометрическую или показательную форму. Например, возведение в степень комплексного числа в тригонометрической форме легко произвести, пользуясь формулой Муавра. Тем не менее, показательная форма позволяет сократить объёмы записей, не усложняя их. Так что имеет смысл проводить промежуточные расчёты, используя именно её. Хотя для простых случаев есть возможность просто вычислять корни и степени с помощью онлайн-калькуляторов. Они тоже используют переходы между формами комплексного числа.

Согласно формуле Муавра, при возведении комплексного числа в степень необходимо возвести в эту степень модуль числа и умножить аргумент на тот же показатель степени. Для вычисления корня производятся аналогичные операции: взятие корня и деление соответственно.

Но для получения всех корней необходимо учитывать возможность сдвига аргумента 2π и кратные ему значения (при повороте на полный оборот попадают в ту же точку – то же число). В связи с этим, при взятии корня образуется также множество результатов, но сдвиг между ними в равное показателю корня раз меньший. Следовательно, на каждый оборот приходится несколько корней, что необходимо учитывать в большинстве расчётов.

Ещё более широкие перспективы открываются благодаря свойству экспоненты при дифференцировании и интегрировании переходить самой в себя. Задачи решаются на порядок проще, чем при проведении вычислений с тригонометрическими функциями. Как следствие, показательная форма комплексного числа и формула Эйлера широко применяются в физике и технике, а также множестве программных алгоритмов.