Ейлерова идентичност (e^{iπ}+1=0): значение и обяснение

Разберете красотата и смисъла на Ейлеровата идентичност e^{iπ}+1=0 — ясно обяснение, исторически контекст и интуиции зад „най-възвишеното“ математическо уравнение.

Автор: Leandro Alegsa

Идентичността на Ойлер, понякога наричана уравнение на Ойлер, е това уравнение:

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

  • π {\displaystyle \pi } {\displaystyle \pi }, pi

π ≈ 3.14159 {\displaystyle \pi \approx 3.14159} {\displaystyle \pi \approx 3.14159}

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

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

Идентичността на Ойлер е наречена на швейцарския математик Леонард Ойлер. Не е ясно дали той сам я е измислил.

Респондентите на анкета на Physics World наричат идентичността "най-дълбокото математическо твърдение, писано някога", "странна и възвишена", "изпълнена с космическа красота" и "поразяваща".

Какво означава e^{iπ}+1=0?

В основата на идентичността е т.нар. формула на Ойлер:

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

която свързва експоненциалната функция с тригонометричните функции (както и с комплексните числа). Ако в нея заместим x = π, получаваме

e^{iπ} = cos π + i sin π = −1 + i·0 = −1,

а оттук следва e^{iπ} + 1 = 0. Тази проста замяна показва защо точно числата e, π и i се появяват заедно с 1 и 0.

Кратко доказателство (скеч)

Има няколко начина да се докаже формулата на Ойлер; най-популярните използват редове на Тейлър (безкрайни редове) или решения на диференциални уравнения.

  • Чрез редовете на Тейлър: експоненциалната функция и синус/косинус имат следните развивания около 0:
    • e^{z} = 1 + z + z^2/2! + z^3/3! + ...
    • cos z = 1 − z^2/2! + z^4/4! − ...
    • sin z = z − z^3/3! + z^5/5! − ...
    За z = ix (където i^2 = −1) сборът на редовете показва, че e^{ix} = cos x + i sin x.
  • Чрез диференциални уравнения: функцията f(x)=e^{ix} удовлетворява f'(x)=if(x) и при x=0 f(0)=1; същевременно комбинацията cos x + i sin x има същите свойства и по този начин двете функции съвпадат.

Геометрична интерпретация

В комплексната равнина числото e^{ix} лежи на единичната окръжност (модул 1) и представлява точка, която прави ъгъл x с положителната реална ос. Увеличаването на x "завърта" точката по окръжността. За x=π точката е в отрицателната реална посока (−1). Това дава визуално обяснение защо експонентата с чисто имагинерен показател дава въртене.

Защо е важно и защо се смята за красива?

Ейлеровата идентичност свързва пет фундаментални математически константи:

  • 0 (нула) — неутралният елемент при събирането;
  • 1 (единица) — неутралният елемент при умножението;
  • π — основна константа от геометрията и анализа;
  • e — основната експоненциална и логаритмична константа;
  • i — основната имагинерна единица, която разширява числата до комплексни.

Свързването на тези числа в една проста равенство, без допълнителни коефициенти, е причината много математици и учени да го определят като естетически привлекателно и "дълбоко". То показва неочаквана хармония между различни области на математиката: анализ, геометрия и теория на комплексните числа.

Приложения и връзки

  • Фуриева теория и обработка на сигнали: използването на e^{ix} улеснява представянето на синусоидални вълни като експоненциални функции.
  • Квантова механика: комплексните експоненциални функции описват фази и вълнови функции.
  • Диференциални уравнения и системи: решение на линейни уравнения често използват комплексни експоненти.
  • Електротехника и комуникации: модул и фаза на сигнали се описват естествено чрез комплексни числа и e^{iθ}.

История и бележки

Идентичността е свързана с работата на Леонард Ойлер, макар че е трудно да се каже дали формата, в която я познаваме днес, е изцяло негово изобретение или резултат от развитие на математическите идеи от няколко автора. Името "Ейлерова (Ойлерова) идентичност" се използва широко — в българската литература се срещат и изписвания с "Ейлер", и с "Ойлер".

Допълнителни бележки и предупреждения

  • Формулата e^{ix}=cos x + i sin x се интерпретира в рамките на комплексителен анализ; използването ѝ за рационални или реални аргументи изисква разглеждане на непрекъснати разширения на експоненциалната и тригонометричните функции.
  • Символът i често се използва за въображаемата единица; в някои инженерни дисциплини се използва j вместо i, за да не се бърка с електрическия ток I.

Идентичността на Ойлер е не само любопитно математическо равенство, а и инструмент с широко практическо приложение, който служи като мост между различни области на математиката и физиката.

Zoom


Математическо доказателство за тъждеството на Ойлер с помощта на редицата на Тейлър

Много уравнения могат да бъдат записани като поредица от членове, събрани заедно. Това се нарича редица на Тейлър

Експоненциалната функция e x {\displaystyle e^{x}}{\displaystyle e^{x}} може да се запише като редица на Тейлър

e x = 1 + x + x 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} \над 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!}}

Синусът може да се запише и като

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} \над 3!}+{x^{5} \над 5!}-{x^{7} \over 7!}\cdots =\sum _{k=0}^{\infty }{(-1)^{n} \над (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}}}

и Cosine като

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} \над 2!}+{x^{4} \овер 4!}-{x^{6} \over 6!}\cdots =\sum _{k=0}^{\infty }{(-1)^{n} \над (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}}}

Тук виждаме, че се оформя модел. e x {\displaystyle e^{x}}{\displaystyle e^{x}} изглежда като сума от синусоида и косинусоида на Тейлър, само че с всички знаци, променени на положителни. Идентичността, която всъщност доказваме, е e i x = cos ( x ) + i sin ( x ) {\displaystyle e^{ix}=\cos(x)+i\sin(x)}{\displaystyle e^{ix}=\cos(x)+i\sin(x)} .

Така че от лявата страна е e i x {\displaystyle e^{ix}} {\displaystyle e^{ix}}, чиято редица на Тейлър е 1 + i x - x 2 2 ! - i x 3 3 ! + x 4 4 ! + i x 5 5 ! ⋯ {\displaystyle 1+ix-{x^{2} \овер 2!}-{ix^{3} \овер 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 }

Можем да видим, че всеки втори член е i пъти член на синуса, а останалите членове са членове на косинуса.

Дясната страна е cos ( x ) + i sin ( x ) {\displaystyle \cos(x)+i\sin(x)} {\displaystyle \cos(x)+i\sin(x)}, чийто ред на Тейлър е редът на Тейлър на косинуса плюс i пъти редът на Тейлър на синуса, което може да се покаже по следния начин:

( 1 - x 2 2 ! + x 4 4 ! ⋯ ) + ( i x - i x 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 )}

ако ги съберем, ще получим

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

Следователно:

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

Сега, ако заменим x с π {\displaystyle \pi } {\displaystyle \pi }, имаме..

  • 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 )}

Тогава знаем, че

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

и

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

Следователно:

  • 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=0} {\displaystyle e^{i\pi }+1=0}

QED

Въпроси и отговори

Въпрос: Какво представлява идентичността на Ойлер?


О: Идентичността на Ойлер, понякога наричана уравнение на Ойлер, е уравнение, което включва математическите константи пи, числото на Ойлер и въображаемата единица заедно с три от основните математически операции (събиране, умножение и експоненциране). Уравнението е e^(i*pi) + 1 = 0.

Въпрос: Кой е бил Леонард Ойлер?


О: Леонард Ойлер е швейцарски математик, на когото е кръстено тъждеството. Не е ясно дали той сам я е измислил.

Въпрос: Какви са някои от реакциите на Ойлеровото тъждество?


О: Респондентите на анкетата на Physics World наричат идентичността "най-дълбокото математическо твърдение, писано някога", "странна и възвишена", "изпълнена с космическа красота" и "поразяваща".

Въпрос: Кои са някои от константите, включени в това уравнение?


О: Константите в това уравнение са пи (приблизително 3,14159), числото на Ойлер (приблизително 2,71828) и въображаема единица (равна на -1).

В: Кои са някои от операциите, включени в това уравнение?


О: Операциите, които се срещат в това уравнение, са събиране, умножение и умножение.

В: Как можем да изразим пи математически?


О: Пи може да се изрази математически като π ≈ 3,14159 {\displaystyle \pi \approx 3,14159}.

В: Как можем да изразим математически числото на Ойлер? О: Числото на Ойлер може да се изрази математически като e ≈ 2,71828 {\displaystyle e\approx 2,71828}.


обискирам
AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3