欧拉公式是指以欧拉命名的诸多公式。其中最著名的有,复变函数中的欧拉幅角公式,即将复数、指数函数与三角函数联系起来。拓扑学中的欧拉多面体公式。初等数论中的欧拉函数公式。欧拉公式描述了简单多面体顶点数、面数、棱数特有的规律,它只适用于简单多面体。常用的欧拉公式有复数函数e^ix=cosx isinx,三角公式d^2=R^2-2Rr ,物理学公式F=fe^ka等。
基本信息
中文名:欧拉公式
外文名:Eulers formula
应用学科:数学
解释:是指以欧拉命名的诸多公式之一
发现人:欧拉
基本介绍
(Euler公式)
在数学历史上有很多公式都是欧拉(Leonhard Euler 公元1707-1783年)发现的,它们都叫做欧拉公式,分散在各个数学分支之中。
公式介绍
复变函数
e^ix=cosx isinx,e是自然对数的底,i是虚数单位。它将三角函数的定义域扩大到复数,建立了三角函数和指数函数的关系,它在复变函数论里占有非常重要的地位。
欧拉公式
e^ix=cosx isinx的证明:
因为e^x=1 x/1! x^2/2! x^3/3! x^4/4! ……
cos x=1-x^2/2! x^4/4!-x^6/6!……
sin x=x-x^3/3! x^5/5!-x^7/7!……
在e^x的展开式中把x换成±ix.
(±i)^2=-1, (±i)^3=?i, (±i)^4=1 ……
e^±ix=1±ix/1!-x^2/2!?ix^3/3! x^4/4!……
=(1-x^2/2! ……)±i(x-x^3/3!……)
所以e^±ix=cosx±isinx
将公式里的x换成-x,得到:
e^-ix=cosx-isinx,然后采用两式相加减的方法得到:
sinx=(e^ix-e^-ix)/(2i),cosx=(e^ix e^-ix)/2.这两个也叫做欧拉公式。将e^ix=cosx isinx中的x取作π就得到:
恒等式
e^iπ 1=0.这个恒等式也叫做欧拉公式,它是数学里最令人着迷的一个公式,它将数学里最重要的几个数字联系到了一起:两个超越数:自然对数的底e,圆周率π,两个单位:虚数单位i和自然数的单位1,以及被称为人类伟大发现之一的0。数学家们评价它是“上帝创造的公式”
那么这个公式的证明就很简单了,利用上面的e^±ix=cosx±isinx。 那么这里的π就是x,那么
e^iπ=cosπ isinπ
=-1
那么e^iπ 1=0
这个公式实际上是前面公式的一个应用。
分式
分式里的欧拉公式:
a^r/(a-b)(a-c) b^r/(b-c)(b-a) c^r/(c-a)(c-b)
当r=0,1时式子的值为0
当r=2时值为1
当r=3时值为a b c三角公式
三角形中的欧拉公式:
设R为三角形外接圆半径,r为内切圆半径,d为外心到内心的距离,则:
d^2=R^2-2Rr拓扑学说
拓扑学里的欧拉公式:
拓扑学
V F-E=X(P),V是多面体P的顶点个数,F是多面体P的面数,E是多面体P的棱的条数,X(P)是多面体P的欧拉示性数。
如果P可以同胚于一个球面(可以通俗地理解为能吹胀而绷在一个球面上),那么X(P)=2,如果P同胚于一个接有h个环柄的球面,那么X(P)=2-2h。
X(P)叫做P的欧拉示性数,是拓扑不变量,就是无论再怎么经过拓扑变形也不会改变的量,是拓扑学研究的范围。初等数论
欧拉φ函数:φ(n)是所有小于n的正整数里,和n互素的整数的个数。n是一个正整数。
欧拉证明了下面这个式子:
如果n的标准素因子分解式是p1^a1*p2^a2*……*pm^am,其中众pj(j=1,2,……,m)都是素数,而且两两不等。则有
φ(n)=n(1-1/p1)(1-1/p2)……(1-1/pm)
利用容斥原理可以证明它。物理学
欧拉公式应用
众所周知,生活中处处存在着摩擦力,欧拉测算出了摩擦力与绳索缠绕在桩上圈数之间的关系。现将欧拉这个颇有价值的公式列在这里:
F=fe^ka
其中,f表示我们施加的力,F表示与其对抗的力,e为自然对数的底,k表示绳与桩之间的摩擦系数,a表示缠绕转角,即绳索缠绕形成的弧长与弧半径之比。
此外还有很多著名定理都以欧拉的名字命名。
平面几何
设△ABC的外心为O,内心为I,外接圆半径为R,内切圆半径为r,又记外心、内心的距离OI为d,则有
欧拉公式
(1)式称为欧拉公式.
为了证明(1)式,我们现将它改成
欧拉公式
(2)式左边是点I对于⊙O的幂:过圆内任一点P的弦被P分成两个部分,这两个部分的乘积是一个定值,称为P关于⊙O的幂。事实上,如图3.21,如果将OI延长交圆于E、F,那么
欧拉公式
因此,设AI交⊙O于M,则
欧拉公式
因此,只需证明
欧拉公式
或写成比例式
欧拉公式
为了证明(5)式,应当寻找两个相似的三角形。一个以长IA、r为边;另一个以长2R、MI为边。前一个不难找,图3.21中的△IDA就是,D是内切圆与AC的切点。后一个也必须是直角三角形,所以一边是直径ML,另一个顶点也应当在圆上。△MBL就满足要求。
容易证明
欧拉公式
欧拉公式
因此(5)式成立,从而(1)式成立。
欧拉公式
因为
,所以由欧拉公式得出一个副产品,即
欧拉公式
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