03.07 “數學英雄”歐拉的天才之作—歐拉公式,為啥被稱為宇宙第一公式?

孤單的飛11


答:歐拉公式是數學中當之無愧的最美公式,公式中包含著深刻的數學思想,也隱含了宇宙的哲學原理,其形式相當優美和迷人。


e^iπ+1=0

這個恆等式叫做歐拉公式,最早是由瑞士數學家萊昂哈德·歐拉在1740年發現,高斯曾說:“如果一個人第一次看到這個公式而不感受到它的魅力,那麼他不可能成為數學家。”

這個歐拉公式的神奇之處在於,它把數學中最基本的五個常數,以非常優美的形式結合了起來:

e——自然對數,代表了大自然

π——圓周率,代表了無限

i——虛數單位,代表了想象

1——數字一,代表了起點

0——數字零,代表了終點

乘法代表結合,指數代表加成,加法代表累計,等號代表統一。

歐拉公式暗示著:大自然充滿無限想象,但是最終都會歸於終點。

我們宇宙誕生於138億年前的一次暴漲,那麼138億年前發生了什麼事?或許在我們宇宙誕生之前,宇宙就經歷了無數次的暴漲和收縮,宇宙未來也會坍縮為奇點,期間充滿著無數可能,但是最終都會歸於終點。

另外,虛數在物理學中還隱含了時間的屬性,比如廣義相對論的四維時空(閔可夫斯基時空)中時間就是虛數;而廣義的歐拉公式e^ix=cosx+isinx,隨著x的增長,該公式的數學圖形是繞著原點旋轉,定義域在[-1,1]中往復,或許暗示了宇宙的無限膨脹和收縮。


簡簡單單的一個數學公式,也只使用了最基本的運算符號,不僅把數學中最基本的五個常數聯繫了起來,還包含了如此深奧的宇宙哲學原理,被稱作“宇宙第一公式”一點不過分。

在數學中,你再也找不到能與之媲美的公式了,或許只有物理學中的質能方程還能一較高下;比如下圖這個數學公式,雖然也包含了數學的基本常數,但是與歐拉公式相差甚遠。

歐拉公式不僅僅是形式優美,而且還有著巨大的實用價值,比如在研究交流電時少不了它,信號分析時的必備數學工具,量子力學的重要數學工具,極座標切換需要它,求反常積分需要它,研究任何圓周運動使用歐拉公式都能大大得到簡化。


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艾伯史密斯


英國科學期刊《物理世界》曾讓讀者投票評選了“最偉大的公式”,最終榜上有名的十個公式既有無人不知的1+1=2,又有著名的E=mc2;既有簡單的圓周公式,又有複雜的歐拉公式……歐拉公式你不知道嗎?

這可是被稱為世界上最完美的公式,那麼歐拉公式到底為什麼被稱為世界上最完美的公式了,下面就來跟隨筆者解開歐拉公式的神秘面紗吧。

歐拉公式將數學裡最重要的幾個常數聯繫到了一起:兩個超越數:自然對數的底e,圓周率π;兩個單位:虛數單位i和自然數的單位1,以及數學裡常見的0。

而且它對數學領域的締造也產生了廣泛影響,如三角函數、傅里葉級數、泰勒級數、概率論、群論等都有她的倩影。因此,數學家們評價它是“上帝創造的公式,我們只能看它卻不能完全理解它”。高斯曾經說:“一個人第一次看到這個公式而不感到它的魅力,他不可能成為數學家。”

還有人這樣玄幻地說,e=自然常數,表明宇宙的增長率,π=圓周率 表示宇宙的線性循環,i=黑洞中光二維塌陷引起的時間倒流1單位π是宇宙中實部智慧的循環率,只存在於實部智慧裡,π的存在表明自然中不存在連貫的圓,連貫的圓只存在於人類的幻覺中和技術的作弊,沒有絕對的圓。π乘以i,表明黑洞口萬事萬物是逆循環,逆生長,也就是熱力學和新陳代謝都顛倒了。宇宙實部,也就是大自然,按照e的πi乘方的作用,時間也開始倒流。

一.數學角度的震撼迷人的理由

法國數學家皮埃爾-西蒙•拉普拉斯(Pierre-Simon marquis de Laplace)曾這樣評價歐拉對於數學的貢獻:“讀歐拉的著作吧,在任何意義上,他都是我們的大師”。

1.自然界的 e 含於其中。

自然對數的底,大到飛船的速度,小至蝸牛的螺線,誰能夠離開它?

2.最重要的常數 π 含於其中。

世界上最完美的平面對稱圖形是圓。“最偉大的公式”能夠離開圓周率嗎?

(還有π 和e是兩個最重要的無理數!)

3.最重要的運算符號 + 含於其中。

之所以說加號是最重要的符號,是因為其餘符號都是由加號派生而來。減號是加法的逆逆運算,乘法是累計的加法……

4.最重要的關係符號 = 含於其中。

從你一開始學算術,最先遇見它,相信你也會同意這句話。

5.最重要的兩個元在裡面。

零元 0 ,單位 1 ,是構造群,環,域的基本元素。如果你看了有關《近世代數》的書,你就會體會到它的重要性。

6.最重要的虛單位 i 也在其中。

虛單位 i 使數軸上的問題擴展到了平面,而在哈密爾的 4 元數與 凱萊的 8 元數中也離開不了它。

之所以說她美,是因為這個公式的精簡。她沒有多餘的字符,卻聯繫著幾乎所有的數學知識。

有了加號,可以得到其餘運算符號;有了0,1,就可以得到其他的數字;有了 π 就有了圓函數,也就是三角函數;有了 i 就有了虛數,平面向量與其對應,也就有了哈密爾的 四元數,現實的空間與其對應;有了 e 就有了微積分,就有了和工業革命時期相適宜的數學。

(3)三角形中的歐拉公式:

設r為三角形外接圓半徑,r為內切圓半徑,d為外心到內心的距離,則: d^2=r^2-2rr

(4)拓撲學裡的歐拉公式:

v+f-e=x(p),v是多面體p的頂點個數,f是多面體p的面數,e是多面體p的稜的條數,x(p)是多面體p的歐拉示性數。

如果p可以同胚於一個球面(可以通俗地理解為能吹脹而繃在一個球面上),那麼x(p)=2,如果p同胚於一個接有h個環柄的球面,那麼x(p)=2-2h。

x(p)叫做p的歐拉示性數,是拓撲不變量,就是無論再怎麼經過拓撲變形也不會改變的量,是拓撲學研究的範圍。

在多面體中的運用:簡單多面體的頂點數v、面數f及稜數e間有關係v+f-e=2

這個公式叫歐拉公式。公式描述了簡單多面體頂點數、面數、稜數特有的規律。

之所以說她美,是因為這個公式的精簡。她沒有多餘的字符,卻聯繫著幾乎所有的數學知識。

二.物理角度的震撼誘人的理由

物理學家理查德•費曼(Richard Phillips Feynman)將歐拉公式稱為:“我們的珍寶”和“數學中最非凡的公式”。

初等數論裡的歐拉公式:歐拉φ函數:φ(n)是所有小於n的正整數里,和n互素的整數的個數。n是一個正整數。

歐拉證明了下面這個式子:

如果n的標準素因子分解式是p1^a1*p2^a2*……*pm^am,其中眾pj(j=1,2,……,m)都是素數,而且兩兩不等。則有φ(n)=n(1-1/p1)(1-1/p2)……(1-1/pm),利用容斥原理可以證明它。

這個公式對物理學影響也非常巨大,如機械波論、電磁學、波動光學、量子力學等匍匐在她的腳下;難怪物理學家查德•費曼驚呼:歐拉恆等式不但是“數學最奇妙的公式”,也是現代物理學的定量之跟,因為她把最基本的5個數學常數簡潔地連繫起來,而且也將物理學中的圓周運動、簡諧振動、機械波、電磁波、概率波等聯繫在了一起......

現代物理學告訴我們,宏觀宇宙的構成本質是旋轉的,帶有圓周運動和自旋性;微觀世界也是旋轉的,也帶有圓周運動和自旋性,而歐拉公式描述的核心正是旋轉與頻率,因此,在物理學定量意義上講,稱它是宇宙第一公式一點也不為過!


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作為一個數學學渣,我是能感受到它的美的。初中一個化學方程式都那麼難,背不下來。三角函數都那麼多字母,唯有這個歐拉公式,又高級,寫起來又簡單。考試的時候還給送分。因為他最多能有兩個考法,第一,下面哪個是歐拉公式。第二:請寫出歐拉公式。兩種我都會。完美。


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我覺得歐拉等式反映了一種巧合。巧合在它把最特別的五個數聯繫在了一起,0,1,i,e,π。

歐拉等式是這樣
而這個等式的推導,確實是和歐拉公式相關的。


歐拉公式的推導,要用到高等數學中的泰勒展開定理。泰勒展開定理的內容如下:

若函數f(x)在包含x0的某個閉區間[a,b]上具有n階導數,且在開區間(a,b)上具有(n+1)階導數,則對閉區間[a,b]上任意一點x,成立下式:

這樣,可以將cosx和sinx進行展開,分別是



而e的x次方展開是這


將ix帶入上式後,對比一下等式兩端,就得到
將x=π帶入,就得到



不啟不發


這個公式把2個數學最重要的常數統一到一起,有實數,有虛數,應該說是數里面的最美的公式。


大魚2020


別的暫不多論:所謂的圓或圓周,那不過是物質或物質狀態從生到滅過程中的“滅階段”所呈現出來的現象,也可以說是物質發散現象的從出現到結束過程中的現象,更是一個發散狀態越來越趨近徹底的狀態或現象,所謂圓周率,其實就是這個物質從發散初始到發散結束的遞進頻率,這就如同一塊石頭投入水裡所產生出來的水波紋一樣,開始從小到大的擴散,直至恢復平靜,所以,圓周率不可能是一個常數。天才也好,庸才也罷,如果把圓周率認定為一個常數,他們都是不懂常識,違背常識了,需要提醒的是,水波紋的逐漸散開,並不是以同一個數值頻率展開的,這裡的頻率是波動變化遞進式的。每一波都是不一樣的。請問:到哪裡找出一個圓周率的定植呢?

其他的話就不多說了。僅此。


北京得明


歐拉公式並沒有多複雜,反而方程簡單,有點像武林高手,達到了最高境界,返璞歸真一樣的感覺。

在這個公式裡面,它將數學裡最重要的幾個常數聯繫到了一起:兩個超越數:自然對數的底e,圓周率π;兩個單位:虛數單位i和自然數的單位1,以及數學裡常見的0。

“e”被稱為自然常數也被稱為歐拉數。 雙曲函數、素數定理、完全率、阻力落體、粒子運動等等都離不開“e"

而另外一個超越數,π,大家相比很清楚了,就是圓周率。這兩個超越數都是歐拉發明的。

也包含了最重要的運算符號 + ,最重要的關係符號 = 。而0和1,是構造群,環,域的基本元素,也是構造代數的基礎。 而虛單位 i 使數軸上的問題擴展到了平面,在哈密爾的 4 元數與 凱萊的 8 元數中也離開不了它。

看起來是不是特別地簡單,但是這個公式在以前即使是許多的數學界窮盡一生都很難琢磨明白,

因為你可以用非常多不同的方式去證明它,你既可以用數學歸納法證明,也可以用推理證明,也可以分式推導,還可以用複變函數求證,甚至你可以用 平面幾何學、 物理學、拓撲學來推證。所以才說他蘊含了所有的數學元素,甚至蘊含了宇宙的至理法則。


下面我給大家舉幾個例子!

歐拉公式也可以寫成這個形式e^ix=cosx+isinx,它的推導過程如下:



你可以使用歐拉公式將三角函數轉換為指數(由泰勒級數易得):

sinx=[e^(ix)-e^(-ix)]/(2i) cosx=[e^(ix)+e^(-ix)]/2 tanx=[e^(ix)-e^(-ix)]/[ie^(ix)+ie^(-ix)]

cosα=1/2[e^(iα)+e^(-iα)]sinα=-i/2[e^(iα)-e^(-iα)]

泰勒展開有無窮級數,e^z=exp(z)=1+z/1!+z^2/2!+z^3/3!+z^4/4!+…+z^n/n!+… 此時三角函數定義域已推廣至整個複數集。可以說歐拉公式將指數函數的定義域擴大到了複數域,建立了三角函數和指數函數的關係,被譽為“數學中的天橋”。

還可以把它擴展為時間的函數。(引用至CSDN xieyan0811 )


加入了t,把e^(ix)想成e^(iwt),t是時間,w是係數。把平面上的轉圈擴展成了空間中的轉圈,縱軸表示時間t,兩個橫軸分別為實部(cos(t))和虛部(sin(t)),藍線經過的點是e^ix,即,把時域上的e^ix分別投射到了實軸cos(t)和虛軸sin(t),它們都是時間t的函數.圖中可看到正餘和餘弦的投射(紅/綠)。如果用python做3D圖,拖動旋轉角度效果更直觀.這就是傅立葉變換原理:將時域值拆分映射到頻域,通過三角函數的疊加表示。

除此之外,歐拉公式將指數函數的定義域擴大到了複數域,建立和三角函數和指數函數的關係。

可以說,這個公式影響了整個數學的發展,三角函數、傅里葉級數、泰勒級數、概率論、群論、幾何都受到這個公式的影響,就連物理也收到了這個公式的影響,機械波論、電磁學、波動光學以及引發了電子學革命的量子力學的理論基礎也蘊含其中。

所以看完之後,你就能知道為什麼歐拉公式被譽為“上帝創造的公式”了吧,很多數學家甚至物理學家都從歐拉公式裡得到了啟發。


高斯曾經說:“一個人第一次看到這個公式而不感到它的魅力,他不可能成為數學家。”


物理學家查德·費曼驚呼:歐拉恆等式不但是“數學最奇妙的公式”,也是現代物理學的定量之跟。


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