03.07 “数学英雄”欧拉的天才之作—欧拉公式,为啥被称为宇宙第一公式?

孤单的飞11


答:欧拉公式是数学中当之无愧的最美公式,公式中包含着深刻的数学思想,也隐含了宇宙的哲学原理,其形式相当优美和迷人。


e^iπ+1=0

这个恒等式叫做欧拉公式,最早是由瑞士数学家莱昂哈德·欧拉在1740年发现,高斯曾说:“如果一个人第一次看到这个公式而不感受到它的魅力,那么他不可能成为数学家。”

这个欧拉公式的神奇之处在于,它把数学中最基本的五个常数,以非常优美的形式结合了起来:

e——自然对数,代表了大自然

π——圆周率,代表了无限

i——虚数单位,代表了想象

1——数字一,代表了起点

0——数字零,代表了终点

乘法代表结合,指数代表加成,加法代表累计,等号代表统一。

欧拉公式暗示着:大自然充满无限想象,但是最终都会归于终点。

我们宇宙诞生于138亿年前的一次暴涨,那么138亿年前发生了什么事?或许在我们宇宙诞生之前,宇宙就经历了无数次的暴涨和收缩,宇宙未来也会坍缩为奇点,期间充满着无数可能,但是最终都会归于终点。

另外,虚数在物理学中还隐含了时间的属性,比如广义相对论的四维时空(闵可夫斯基时空)中时间就是虚数;而广义的欧拉公式e^ix=cosx+isinx,随着x的增长,该公式的数学图形是绕着原点旋转,定义域在[-1,1]中往复,或许暗示了宇宙的无限膨胀和收缩。


简简单单的一个数学公式,也只使用了最基本的运算符号,不仅把数学中最基本的五个常数联系了起来,还包含了如此深奥的宇宙哲学原理,被称作“宇宙第一公式”一点不过分。

在数学中,你再也找不到能与之媲美的公式了,或许只有物理学中的质能方程还能一较高下;比如下图这个数学公式,虽然也包含了数学的基本常数,但是与欧拉公式相差甚远。

欧拉公式不仅仅是形式优美,而且还有着巨大的实用价值,比如在研究交流电时少不了它,信号分析时的必备数学工具,量子力学的重要数学工具,极坐标切换需要它,求反常积分需要它,研究任何圆周运动使用欧拉公式都能大大得到简化。


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艾伯史密斯


英国科学期刊《物理世界》曾让读者投票评选了“最伟大的公式”,最终榜上有名的十个公式既有无人不知的1+1=2,又有著名的E=mc2;既有简单的圆周公式,又有复杂的欧拉公式……欧拉公式你不知道吗?

这可是被称为世界上最完美的公式,那么欧拉公式到底为什么被称为世界上最完美的公式了,下面就来跟随笔者解开欧拉公式的神秘面纱吧。

欧拉公式将数学里最重要的几个常数联系到了一起: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,以及数学里常见的0。

而且它对数学领域的缔造也产生了广泛影响,如三角函数、傅里叶级数、泰勒级数、概率论、群论等都有她的倩影。因此,数学家们评价它是“上帝创造的公式,我们只能看它却不能完全理解它”。高斯曾经说:“一个人第一次看到这个公式而不感到它的魅力,他不可能成为数学家。”

还有人这样玄幻地说,e=自然常数,表明宇宙的增长率,π=圆周率 表示宇宙的线性循环,i=黑洞中光二维塌陷引起的时间倒流1单位π是宇宙中实部智慧的循环率,只存在于实部智慧里,π的存在表明自然中不存在连贯的圆,连贯的圆只存在于人类的幻觉中和技术的作弊,没有绝对的圆。π乘以i,表明黑洞口万事万物是逆循环,逆生长,也就是热力学和新陈代谢都颠倒了。宇宙实部,也就是大自然,按照e的πi乘方的作用,时间也开始倒流。

一.数学角度的震撼迷人的理由

法国数学家皮埃尔-西蒙•拉普拉斯(Pierre-Simon marquis de Laplace)曾这样评价欧拉对于数学的贡献:“读欧拉的著作吧,在任何意义上,他都是我们的大师”。

1.自然界的 e 含于其中。

自然对数的底,大到飞船的速度,小至蜗牛的螺线,谁能够离开它?

2.最重要的常数 π 含于其中。

世界上最完美的平面对称图形是圆。“最伟大的公式”能够离开圆周率吗?

(还有π 和e是两个最重要的无理数!)

3.最重要的运算符号 + 含于其中。

之所以说加号是最重要的符号,是因为其余符号都是由加号派生而来。减号是加法的逆逆运算,乘法是累计的加法……

4.最重要的关系符号 = 含于其中。

从你一开始学算术,最先遇见它,相信你也会同意这句话。

5.最重要的两个元在里面。

零元 0 ,单位 1 ,是构造群,环,域的基本元素。如果你看了有关《近世代数》的书,你就会体会到它的重要性。

6.最重要的虚单位 i 也在其中。

虚单位 i 使数轴上的问题扩展到了平面,而在哈密尔的 4 元数与 凯莱的 8 元数中也离开不了它。

之所以说她美,是因为这个公式的精简。她没有多余的字符,却联系着几乎所有的数学知识。

有了加号,可以得到其余运算符号;有了0,1,就可以得到其他的数字;有了 π 就有了圆函数,也就是三角函数;有了 i 就有了虚数,平面向量与其对应,也就有了哈密尔的 四元数,现实的空间与其对应;有了 e 就有了微积分,就有了和工业革命时期相适宜的数学。

(3)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

(4)拓扑学里的欧拉公式:

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。

在多面体中的运用:简单多面体的顶点数v、面数f及棱数e间有关系v+f-e=2

这个公式叫欧拉公式。公式描述了简单多面体顶点数、面数、棱数特有的规律。

之所以说她美,是因为这个公式的精简。她没有多余的字符,却联系着几乎所有的数学知识。

二.物理角度的震撼诱人的理由

物理学家理查德•费曼(Richard Phillips Feynman)将欧拉公式称为:“我们的珍宝”和“数学中最非凡的公式”。

初等数论里的欧拉公式: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。

这个公式对物理学影响也非常巨大,如机械波论、电磁学、波动光学、量子力学等匍匐在她的脚下;难怪物理学家查德•费曼惊呼:欧拉恒等式不但是“数学最奇妙的公式”,也是现代物理学的定量之跟,因为她把最基本的5个数学常数简洁地连系起来,而且也将物理学中的圆周运动、简谐振动、机械波、电磁波、概率波等联系在了一起......

现代物理学告诉我们,宏观宇宙的构成本质是旋转的,带有圆周运动和自旋性;微观世界也是旋转的,也带有圆周运动和自旋性,而欧拉公式描述的核心正是旋转与频率,因此,在物理学定量意义上讲,称它是宇宙第一公式一点也不为过!


中学数学深度研究


作为一个数学学渣,我是能感受到它的美的。初中一个化学方程式都那么难,背不下来。三角函数都那么多字母,唯有这个欧拉公式,又高级,写起来又简单。考试的时候还给送分。因为他最多能有两个考法,第一,下面哪个是欧拉公式。第二:请写出欧拉公式。两种我都会。完美。


X雷利大叔去旅行


我觉得欧拉等式反映了一种巧合。巧合在它把最特别的五个数联系在了一起,0,1,i,e,π。

欧拉等式是这样
而这个等式的推导,确实是和欧拉公式相关的。


欧拉公式的推导,要用到高等数学中的泰勒展开定理。泰勒展开定理的内容如下:

若函数f(x)在包含x0的某个闭区间[a,b]上具有n阶导数,且在开区间(a,b)上具有(n+1)阶导数,则对闭区间[a,b]上任意一点x,成立下式:

这样,可以将cosx和sinx进行展开,分别是



而e的x次方展开是这


将ix带入上式后,对比一下等式两端,就得到
将x=π带入,就得到



不启不发


这个公式把2个数学最重要的常数统一到一起,有实数,有虚数,应该说是数里面的最美的公式。


大鱼2020


别的暂不多论:所谓的圆或圆周,那不过是物质或物质状态从生到灭过程中的“灭阶段”所呈现出来的现象,也可以说是物质发散现象的从出现到结束过程中的现象,更是一个发散状态越来越趋近彻底的状态或现象,所谓圆周率,其实就是这个物质从发散初始到发散结束的递进频率,这就如同一块石头投入水里所产生出来的水波纹一样,开始从小到大的扩散,直至恢复平静,所以,圆周率不可能是一个常数。天才也好,庸才也罢,如果把圆周率认定为一个常数,他们都是不懂常识,违背常识了,需要提醒的是,水波纹的逐渐散开,并不是以同一个数值频率展开的,这里的频率是波动变化递进式的。每一波都是不一样的。请问:到哪里找出一个圆周率的定植呢?

其他的话就不多说了。仅此。


北京得明


欧拉公式并没有多复杂,反而方程简单,有点像武林高手,达到了最高境界,返璞归真一样的感觉。

在这个公式里面,它将数学里最重要的几个常数联系到了一起: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,以及数学里常见的0。

“e”被称为自然常数也被称为欧拉数。 双曲函数、素数定理、完全率、阻力落体、粒子运动等等都离不开“e"

而另外一个超越数,π,大家相比很清楚了,就是圆周率。这两个超越数都是欧拉发明的。

也包含了最重要的运算符号 + ,最重要的关系符号 = 。而0和1,是构造群,环,域的基本元素,也是构造代数的基础。 而虚单位 i 使数轴上的问题扩展到了平面,在哈密尔的 4 元数与 凯莱的 8 元数中也离开不了它。

看起来是不是特别地简单,但是这个公式在以前即使是许多的数学界穷尽一生都很难琢磨明白,

因为你可以用非常多不同的方式去证明它,你既可以用数学归纳法证明,也可以用推理证明,也可以分式推导,还可以用复变函数求证,甚至你可以用 平面几何学、 物理学、拓扑学来推证。所以才说他蕴含了所有的数学元素,甚至蕴含了宇宙的至理法则。


下面我给大家举几个例子!

欧拉公式也可以写成这个形式e^ix=cosx+isinx,它的推导过程如下:



你可以使用欧拉公式将三角函数转换为指数(由泰勒级数易得):

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)]

泰勒展开有无穷级数,e^z=exp(z)=1+z/1!+z^2/2!+z^3/3!+z^4/4!+…+z^n/n!+… 此时三角函数定义域已推广至整个复数集。可以说欧拉公式将指数函数的定义域扩大到了复数域,建立了三角函数和指数函数的关系,被誉为“数学中的天桥”。

还可以把它扩展为时间的函数。(引用至CSDN xieyan0811 )


加入了t,把e^(ix)想成e^(iwt),t是时间,w是系数。把平面上的转圈扩展成了空间中的转圈,纵轴表示时间t,两个横轴分别为实部(cos(t))和虚部(sin(t)),蓝线经过的点是e^ix,即,把时域上的e^ix分别投射到了实轴cos(t)和虚轴sin(t),它们都是时间t的函数.图中可看到正余和余弦的投射(红/绿)。如果用python做3D图,拖动旋转角度效果更直观.这就是傅立叶变换原理:将时域值拆分映射到频域,通过三角函数的叠加表示。

除此之外,欧拉公式将指数函数的定义域扩大到了复数域,建立和三角函数和指数函数的关系。

可以说,这个公式影响了整个数学的发展,三角函数、傅里叶级数、泰勒级数、概率论、群论、几何都受到这个公式的影响,就连物理也收到了这个公式的影响,机械波论、电磁学、波动光学以及引发了电子学革命的量子力学的理论基础也蕴含其中。

所以看完之后,你就能知道为什么欧拉公式被誉为“上帝创造的公式”了吧,很多数学家甚至物理学家都从欧拉公式里得到了启发。


高斯曾经说:“一个人第一次看到这个公式而不感到它的魅力,他不可能成为数学家。”


物理学家查德·费曼惊呼:欧拉恒等式不但是“数学最奇妙的公式”,也是现代物理学的定量之跟。


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