sin和cos的欧拉公式转换

sin和cos的欧拉公式转换如下:

正弦函数的欧拉公式为:sinx=(e^(ix)-e^(-ix))/(2i),余弦函数的欧拉公式为:cosx=(e^(ix)+e^(-ix))/2.需要注意的是,虽然我们可以检验(sinx)^2+(cosx)^2=1,但却不能用这种检验法来证明这两个公式。

如果用逆向思维反推的话,我们可以由正弦函数的欧拉公式得到e^(ix)-e^(-ix)=2isinx;由余弦函数的欧拉公式得到e^(ix)+e^(-ix)=2cosx.把它们看作是关于e^(ix)和e^(-ix)的二元一次方程组,两式相加可以得到e^(ix)=cosx+isinx;两式相减则得到e^(-ix)=cosx-isinx。

事实上,记f(x)=e^(ix)=cosx+isinx,那么就有f(-x)=e^(-ix)=cosx-isinx,也就是说,它们是同一个公式的两种形态。检验e^(ix)=cosx+isinx需要运用到e^x,cosx和sinx三者省略余项的麦克劳林公式。

e^x=1+x/1!+x^2/2!+x^3/3!+……+x^n/n!;cosx=1-x^2/2!+x^4/4!-x^6/6!+……+(-1)^mx^(2m)/(2m)!,(n=2m);sinx=x-x^3/3!+x^5/5!-x^7/7!+……+(-1)^mx^(2m+1)/(2m+1)!,(n=2m+1).

用ix替换e^x的省略余项的麦克劳林公式中的x,就可以得到:

e^(ix)=1+ix-x^2/2!-ix^3/3!+x^4/4!+ix^5/5!-x^6/6!-ix^7/7!+……+(-1)^mx^(2m)/(2m)!+i(-1)^mx^(2m+1)/(2m+1)!=(1-x^2/2!+x^4/4!-x^6/6!+……+(-1)^mx^(2m)/(2m)!)+i(x-x^3/3!+x^5/5!-x^7/7!+……+(-1)^mx^(2m+1)/(2m+1)!)=cosx+isinx.

这就证明了sin和cos的欧拉公式成立。

然而欧拉在推导公式时,却是反过来的。他是先由e^x,cosx和sinx三者省略余项的麦克劳林公式,将e^x的x替换成±ix,推出e^(ix)=cosx+isinx和e^(-ix)=cosx-isinx。再把两者看作关于sinx和cosx的二元一次方程组,从而得到sinx=(e^(ix)-e^(-ix))/(2i)和cosx=(e^(ix)+e^(-ix))/2的。

另外,对x取π,代入e^(ix)=cosx+isinx得到e^(πi)+1=0,即e^(πi)=-1,它被誉为“上帝创造的公式”。



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