大学数学的漏洞---欧拉公式 数学欧拉公式

我所说的漏洞不是指欧拉公式本身有问题,而是课本设计的问题。我在学大学数学里其实一直有两个严重疑问,虽然说是疑问,但我从来没有像老师请教过,也没打算弄清楚过。这两个来源于两个基本定义公式(书中无推导过程直接告诉结果的公式)。

1,牛顿---莱布尼茨公式(定积分公式)。

2,欧拉公式。

至于说这两个公式为什么让我困惑,是因为这两个公式属于定义公式(其实牛莱顿公式不算),无推导过程凭空给你的公式,对于一个无来源的基础公式较真的,显然会疑惑。就比如教你1+1=2从此你会了加法,但忽然告诉你3*3=9,并包括所有乘法表让你背下来,并以后计算乘法按照乘法表,我相信你会永远有个疑惑3*3为什么等于9.当然学乘法时,有过度的,课本会说3*3是指3个3相加,3*3=3+3+3你就不会有任何疑问。这牛顿公式和欧拉公式之所以一直成为我重大疑问的原因就是这个,没有推导公式,不知从哪来的。

当然牛顿---莱布尼茨公式虽然是最近在网上找的来由,但实际上大学课本上还是有推导的,只是公式本身没什么推导,而是牛顿公式之前的引理有推导,只可惜看书时一直没当回事,也不认为不知道这个有什么大碍(其实确实也没什么大碍)。我保证很多学生说不清为什么函数的不定积分就是他的原函数(不知道又能怎样,会用就行)。而欧拉公式确确实实没有任何推导过程,完完全全被《复变函数》(西安交通大学编)作为了一个定义公式,没有任何推导过程,我们学这门课必须认定。

当然我觉得《复变函数》(西交大编)这本书这么做一定程度上说是不负责任,他导致,我们学生对数学理论体系的理解在欧拉公式上出现了断带,很大程度上影响了我对三角函数,复变函数的理解,一直让我不能想象,为什么通过一个三角函数,就将实数域映射到了复数域(如果说不明白牛顿公式对我没什么影响的话,不明白欧拉公式确实让我一直有点苦恼)。。我只能说这是大学课本的巨大漏洞(西交大版《复变函数》,我们学校用的是这个)。。

当然我在网上差了一下欧拉公式来由,虽然没找到推导过程(就搜了一次),但我找到了他是由欧拉通过幂级数站开法推导的,自己推了推很容易就出来了(幂级数展开,如果高数过关,很简单的事情)。当然我也很惭愧于自己的不求甚解,大学天天上网,竟然从来没有打算过来解决这个死结。但我想课本上如果将欧拉公式的推导过程写进去我早就明白了。虽然说不明白也赖我的懒惰,但显然西交大版《复变函数》的主编也很大的责任,一个学生对于一个基础内容不能在书里找到答案,不得不说是主编的失职,我想学生还不至于水准差到理解不了欧拉公式的程度。

欧拉公式解决了虚数的指数幂问题,让复数也可以进行指数运算。这个运算公式是复数运算里很重要的一个基础公式,但如果不知道为什么,真的让人很憋屈。下面说说他的推导。

我们都知道虚数定义来源于 i是虚数单位,就和实数单位为1一个意思。

通过定义我们可以很容易用运算法则轻松的知道

这样复数加减,乘除,次方开方就容易计算。但显然如果问你指数幂等于多少,显然无法简单获得,这让指数和对数得运算变的没办法。。。《复变函数》上引入,这样这个问题就解决了,但显然为什么左边等于右边没有任何推导。下面就是说为什么。

首先我要先拿出三个幂级数(幂级数推导不做介绍,高数过关的都会很清楚,《高等数学(下)》中有明确的推导过程)。

对于虚数运算需要和实数有共同的运算法则,带入幂级数(1)



经过整理得

可以看出分开的两个部分正好就是正弦和余弦函数的级数展开式。所以有

这样就解决了虚数的指数幂,那么和实数指数运算合并就是复数的指数运算。

当然通过这个式子我也就完全对三角函数可以进行实数域像复数域的映射没有任何疑惑。

通过欧拉公式的变换有有这个公式,就可以通过傅里叶级数以及傅里叶变换,将普通实数域的函数映射到复数域,从而由时域分析转变为频域分析,简化微积分运算。因为对于三角函数,积分就是简单的幅值变化以及相移,这样实数域的常规函数(符合狄氏条件的)就可以展开成三角函数的级数形式,这样实数域的微积分通过傅里叶变换像复数域映射就变成了简单的幅值变化和相移,成为一个乘以复数的乘除运算,化解掉了繁琐的微积分。

其实我一直不能清楚的理解拉氏变化简化微积分的缘由和频域分析的实质,除了我自己没有认真学习积分变换外,一定程度上也是受到了欧拉公式的羁绊。

欧拉公式的推导过程很简单,但西交大版《复变函数》的没有写入,我相信会导致很多人都很疑惑,虽然欧拉公式你不知道来由,也并不能说你复变函数就学不好,只要你会这一运算,其实影响也不大不大,但我想这种问题的影响仅仅是对于复变函数的使用普通应用影响不大,但这种肤浅的理解一定会影响学习和思考,不求甚解的内容多了脑子一定会糊涂,所以学习还是尽量做到深层次理解,不要怕麻烦看人家的推导过程,如果只知道结论和简单运用,永远都是停留在照葫芦画瓢的程度。




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