Eilera identitāte (e^{iπ}+1=0) — definīcija, nozīme un skaidrojums

Eilera identitāte (e^{iπ}+1=0): elegantais matemātikas un kompleksu skaitļu pamats — definīcija, nozīme un vienkāršs skaidrojums ikvienam interesentam.

Autors: Leandro Alegsa

Eilera identitāte (dažkārt dēvēta arī par Eilera vienādojumu) ir šāds elegants matemātisks teikums:

e i π + 1 = 0 {\displaystyle e^{i\pi }+1+1=0} {\displaystyle e^{i\pi }+1=0}

Ko nozīmē simboli

  • π {\displaystyle \pi } {\displaystyle \pi } — pi: attiecība starp riņķa līnijas garumu un tās diametru. Tas ir nepārtraukts un transcendentāls skaitlis, π ≈ 3,14159.

π ≈ 3,14159 {\displaystyle \pi \aprox 3,14159} {\displaystyle \pi \approx 3.14159}

  • e {\displaystyle e} {\displaystyle e} — Ēlera skaitlis: dabiskā logaritma bāze. To var definēt kā limitu (1 + 1/n)^n, izmantojot bezgalīgu sēriju vai kā funkciju ar īpašu atvasināšanas īpašību; e ≈ 2,71828.

e ≈ 2,71828 {\displaystyle e\aprox 2,71828} {\displaystyle e\approx 2.71828}

ı = √ - 1 {\displaystyle \imath =\surd {-1}} {\displaystyle \imath =\surd {-1}}

Kā no tā nāk e^{iπ} + 1 = 0 — vienkāršs pierādījums

Galvenā izejas doma ir Eilera formula:

e^{ix} = cos x + i sin x.

To var iegūt, salīdzinot Taylora sērijas funkcijām e^x, cos x un sin x:

e^x = 1 + x + x^2/2! + x^3/3! + x^4/4! + ···
cos x = 1 − x^2/2! + x^4/4! − ···
sin x = x − x^3/3! + x^5/5! − ···

Ja sērijā e^{ix} aizvieto x ar ix, iegūst:

e^{ix} = 1 + ix − x^2/2! − i x^3/3! + x^4/4! + i x^5/5! − ··· = cos x + i sin x.

Tagad izvēloties x = π, zināms, ka cos π = −1 un sin π = 0, tāpēc

e^{iπ} = −1, un līdz ar to e^{iπ} + 1 = 0.

Geometriska interpretācija

Komplekso skaitļu plaknē skaitlis e^{iθ} atbilst vienības attālumā esošam punktam leņķī θ no pozitīvās reālās ass — tātad tas ir rotācija ap oriģinālu par leņķi θ. e^{iπ} ir rotācija par π (180°), kas pārvērš 1 par −1 — tas tieši atspoguļojas identitātē.

Nozīme un pielietojumi

  • Skaistums un vienkāršība: identitēte savieno piecus fundamentālus matemātiskos objektus: e, π, i, 1 un 0. Šī saikne bieži tiek minēta kā piemērs "matemātiskas skaistuma".
  • Kompleksā analīze: Eilera formula ir pamatā trigonometrisko funkciju un eksponenciālo funkciju attiecībām kompleksajā laukā; tā atvieglo diferenciālvienādojumu risināšanu un transformācijas.
  • Fizika un inženierija: kompleksie eksponenti (e^{iωt}) ir centrāli viļņu, kvantu mehānikas, signālu apstrādes un elektromagnētismu aprakstā. Fourier transformācija izmanto tieši šo sasaisti starp sinusoīdiem un eksponentēm.
  • Aritmētiskie un skaitļu teorijas aspekti: π un e ir fundamentāli skaitļi ar īpašām algebraiskām un transcendentālām īpašībām; Eilera identitāte rāda, kā šīs īpašības var saistīties caur kompleksiem skaitļiem.

Vēsture un nosaukums

Eilera identitāte ir nosaukta pēc Šveices matemātiķa Leonarda Eilera. Lai gan Eilers to popularizēja un izmantoja plaši, ideju par eksponenciālo attiecību ar trigonometriskajām funkcijām savulaik izskatīja arī citi matemātiķi — tomēr tieši Eilera darbos formulējums kļuva par standartu. Nav pilnīgi skaidrs, vai tieši viņš "izgudroja" šo konkrēto formu, bet viņa nopelni tās izplatīšanā ir nenoliedzami.

Physics World aptaujā respondenti šo identitāti nosauca par "visdziļāko matemātisko apgalvojumu, kāds jebkad rakstīts", "brīnumainu un cildenu", "kosmiska skaistuma pilnu" un "prāta pārpilnu".

Piezīmes par pierādījumiem un niansēm

  • Iepriekš minētais pierādījums, izmantojot Taylora sērijas, pieprasa zināmu konverģences apsvērumu, taču tas ir stingrs un plaši pieņemts kompleksajā analīzē.
  • Citā pieejā Eilera formulu var iegūt kā risinājumu diferenciālvienādojumam f'(x) = i f(x) ar f(0) = 1; risinājums ir e^{ix} = cos x + i sin x.
  • Kompleksās loģaritma (multi‑vērtību) lietojums prasa uzmanību: e^{iπ} = −1, bet e^{iπ + 2kπi} = −1 arī citām 2kπ pievienošanas vērtībām; tomēr identitāte e^{iπ} + 1 = 0 ir konkrēta un viennozīmīga, ja izmanto galveno (vērtību) izvēli x = π.

Rezultātā Eilera identitāte ir gan matemātiski lietderīga, gan simboliski pievilcīga — tā apvieno teorētiskās struktūras, ģeometriju un praktiskas lietojumprogrammas vienā vienkāršā vienādojumā.

Zoom


Eilesera identitātes matemātisks pierādījums, izmantojot Teilora virknes

Daudzus vienādojumus var uzrakstīt kā virkni kopā saskaitītu locekļu. To sauc par Teilora rindu

Eksponenciālo funkciju e x {\displaystyle e^{x}}{\displaystyle e^{x}} var pierakstīt kā Teilora rindu.

e x = 1 + x + x 2 2 2 ! + x 3 3 ! + x 4 4 ! ⋯ = ∑ k = 0 ∞ x n n ! {\displaystyle e^{x}=1+x+{x^{2} \over {2!}}}+{x^{3} \over {3!}}+{x^{4} \over {4!}}\cdots =\sum _{k=0}^{\infty }{x^{n} \over n!}}} {\displaystyle e^{x}=1+x+{x^{2} \over {2!}}+{x^{3} \over {3!}}+{x^{4} \over {4!}}\cdots =\sum _{k=0}^{\infty }{x^{n} \over n!}}

Arī sinusu var rakstīt kā

sin x = x - x 3 3 ! + x 5 5 ! - − x 7 7 ! ⋯ = ∑ k = 0 ∞ ( - 1 ) n ( 2 n + 1 ) ! x 2 n + 1 {\displaystyle \sin {x}=x-{x^{3} \over 3!}+{x^{5} \over 5!}-{x^{7}} \over 7!}\cdots =\sum _{k=0}^{\infty }{(-1)^{n} \pār (2n+1)!}{x^{2n+1}}}} {\displaystyle \sin {x}=x-{x^{3} \over 3!}+{x^{5} \over 5!}-{x^{7} \over 7!}\cdots =\sum _{k=0}^{\infty }{(-1)^{n} \over (2n+1)!}{x^{2n+1}}}

un Cosine kā

cos x = 1 - x 2 2 ! + x 4 4 ! - − x 6 6 ! ⋯ = ∑ k = 0 ∞ ( - 1 ) n ( 2 n ) ! x 2 n {\displaystyle \cos {x}=1-{x^{2} \pār 2!}+{x^{4} \over 4!}-{x^{6} \over 6!}\cdots =\sum _{k=0}^{{\infty }{(-1)^{n} \pār (2n)!}{x^{2n}}}}. {\displaystyle \cos {x}=1-{x^{2} \over 2!}+{x^{4} \over 4!}-{x^{6} \over 6!}\cdots =\sum _{k=0}^{\infty }{(-1)^{n} \over (2n)!}{x^{2n}}}

Šeit mēs redzam, kā veidojas modelis. e x {\displaystyle e^{x}}{\displaystyle e^{x}} šķiet, ka tā ir sinusa un kosinusa Teilora rindu summa, tikai ar visām zīmēm, kas mainītas uz pozitīvām. Identitāte, ko mēs faktiski pierādām, ir e i x = cos ( x ) + i sin ( x ) {\displaystyle e^{ix}=\cos(x)+i\sin(x){\displaystyle e^{ix}=\cos(x)+i\sin(x)}} .

Tātad kreisajā pusē ir e i x {\displaystyle e^{ix}}. {\displaystyle e^{ix}}, kura Teilora rinda ir 1 + i x - x 2 2 ! - i x 3 3 3 ! + x 4 4 ! + i x 5 5 ! ⋯ {\displaystyle 1+ix-{x^{2} \over 2!}-{ix^{3} \over 3!}+{x^{4} \over 4!}+{ix^{5} \over 5!}\\cdots } {\displaystyle 1+ix-{x^{2} \over 2!}-{ix^{3} \over 3!}+{x^{4} \over 4!}+{ix^{5} \over 5!}\cdots }

Mēs šeit varam redzēt likumsakarību, ka katrs otrais loceklis ir i reizes sinusa locekļi un ka pārējie locekļi ir kosīna locekļi.

Labajā pusē ir cos ( x ) + i sin ( x ) {\displaystyle \cos(x)+i\sin(x)}. {\displaystyle \cos(x)+i\sin(x)}, kuras Teilora rinda ir kosinusa Teilora rinda plus i reizes sinusa Teilora rinda, ko var parādīt šādi:

( 1 - x 2 2 2 ! + x 4 4 4 ! ⋯ ) + ( i x - i x 3 3 3 ! + i x 5 5 ! ⋯ ) {\displaystyle (1-{x^{2} \over 2!}+{x^{4} \over 4!}\cdots )+(ix-{ix^{3} \over 3!}+{ix^{5} \over 5!}\cdots)} {\displaystyle (1-{x^{2} \over 2!}+{x^{4} \over 4!}\cdots )+(ix-{ix^{3} \over 3!}+{ix^{5} \over 5!}\cdots )}

ja tos saskaitām kopā, iegūstam

1 + i x - x 2 2 ! - i x 3 3 3 ! + x 4 4 ! + i x 5 5 ! ⋯ {\displaystyle 1+ix-{x^{2} \over 2!}-{ix^{3} \over 3!}+{x^{4} \over 4!}+{ix^{5} \over 5!}\\cdots } {\displaystyle 1+ix-{x^{2} \over 2!}-{ix^{3} \over 3!}+{x^{4} \over 4!}+{ix^{5} \over 5!}\cdots }

Tāpēc:

e i x = cos ( x ) + i sin ( x ) {\displaystyle e^{ix}=\cos(x)+i\sin(x)} {\displaystyle e^{ix}=\cos(x)+i\sin(x)}

Tagad, ja x aizstājam ar π {\displaystyle \pi } {\displaystyle \pi }, iegūstam..

  • e i π = cos ( π ) + i sin ( π ) {\displaystyle e^{i\pi }=\cos(\pi )+i\sin(\pi ) } {\displaystyle e^{i\pi }=\cos(\pi )+i\sin(\pi )}

Tad mēs zinām, ka

  • cos ( π ) = - 1 {\displaystyle \cos(\pi )=-1} {\displaystyle \cos(\pi )=-1}

un

  • sin ( π ) = 0 {\displaystyle \sin(\pi )=0} {\displaystyle \sin(\pi )=0}

Tāpēc:

  • e i π = 0 - 1 {\displaystyle e^{i\pi }=0-1} {\displaystyle e^{i\pi }=0-1}
  • e i π + 1 = 0 {\displaystyle e^{i\pi }+1+1=0} {\displaystyle e^{i\pi }+1=0}

QED

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir Eioleras identitāte?


A: Eilesera identitāte, dažkārt saukta par Eilesera vienādojumu, ir vienādojums, kurā ir matemātiskās konstantes pi, Eilesera skaitlis un iedomātā vienība, kā arī trīs matemātiskās pamatdarbības (saskaitīšana, reizināšana un eksponentizācija). Vienādojums ir e^(i*pi) + 1 = 0.

J: Kas bija Leonards Eiļers?


A: Leonards Eulers bija šveiciešu matemātiķis, kura vārdā ir nosaukta šī identitāte. Nav skaidrs, vai viņš pats to izgudroja.

J: Kādas ir dažas reakcijas uz Eilesera identitāti?


A.: Aptaujā, kas tika veikta Physics World, respondenti identitāti nosauca par "dziļāko matemātisko apgalvojumu, kāds jebkad rakstīts", "brīnumainu un cildenu", "piepildītu ar kosmisku skaistumu" un "satriecošu".

J: Kādas konstantes ir iekļautas šajā vienādojumā?


A: Šajā vienādojumā ir šādas konstantes: "pi" (aptuveni 3,14159), Eilesera skaitlis (aptuveni 2,71828) un iedomātā vienība (vienāda ar -1).

J: Kādas ir dažas no šajā vienādojumā ietvertajām darbībām?


A: Šajā vienādojumā ir šādas darbības: saskaitīšana, reizināšana un eksponentizācija.

J: Kā mēs varam matemātiski izteikt pi?


A: Pi var izteikt matemātiski kā π ≈ 3,14159 {\displaystyle \pi \aprox 3,14159}.

J: Kā mēs varam matemātiski izteikt Ēlera skaitli? A:Eilesera skaitli matemātiski var izteikt kā e ≈ 2,71828 {\displaystyle e\aprox 2,71828}.


Meklēt
AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3