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如何通俗地解释欧拉公式(e^πi+1=0)?

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如何通俗地解释欧拉公式(e^πi+1=0)?

 

欧拉公式,被誉为上帝公式, e、 i 、 pi 、乘法单位元1、加法单位元0,这五个重要的数学元素全部被包含在内,在数学爱好者眼里,仿佛一行诗道尽了数学的美好。

欧拉公式将指数函数的定义域扩大到了复数域,建立和三角函数和指数函数的关系,被誉为“数学中的天桥”。形式简单,结果惊人,欧拉本人都把这个公式刻在皇家科学院的大门上,看来必须好好推敲一番。


1 复数

在进入欧拉公式之前,我们先看一些重要的复数概念。

1.1 ii的由来

i=1i=−1,这个就是ii的定义。虚数的出现,把实数数系进一步扩张,扩张到了复平面。实数轴已经被自然数、整数、有理数、无理数塞满了,虚数只好向二维要空间了。

可是,这是最不能让人接受的一次数系扩张,听它的名字就感觉它是“虚”的:

 

  • 从自然数扩张到整数: 增加的负数可以对应“欠债、减少”
  • 从整数扩张到有理数: 增加的分数可以对应“分割、部分”
  • 从有理数扩张到实数: 增加的无理数可以对应“单位正方形的对角线的长度(22)”
  • 从实数扩张到复数: 增加的虚数对应什么?

 

虚数似乎只是让开方运算在整个复数域封闭了(即复数开方运算之后得到的仍然是复数)。

看起来我们没有必要去理会1−1到底等于多少,我们规定1−1没有意义就可以了嘛,就好像1010一样。

我们来看一下,一元二次方程ax2+bx+c=0(a0)ax2+bx+c=0(a≠0)的万能公式:其根可以表示为:x=b±b24ac2ax=−b±b2−4ac2a,其判别式Δ=b24acΔ=b2−4ac。

 

  • Δ>0Δ>0: 有两个不等的实数根
  • Δ=0Δ=0: 有两个相等的实数根
  • $\Delta

 

我们再看一下,一元三次方程ax3+bx2+cx+d=0(a0)ax3+bx2+cx+d=0(a≠0),一元三次方程的解太复杂了,这里写不下,大家可以参考 维基百科 ,但愿大家能够打开。

我们讨论一下b=0b=0,此时,一元三次方程可以化为x3+px+q=0x3+px+q=0,其根可以表示为:

⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪x1=3q2+(q2)2+(p3)3+3q2(q2)2+(p3)3x2=ω3q2+(q2)2+(p3)

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