理解歐拉公式,其實也沒那么難。

最近看了3brown1blue的視頻,通過集合論的方式來理解歐拉公式。

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歐拉公式的一種形式:



歐拉公式的難點是理解乘方是復數的意義,它并不是和1+1=2一樣讓人覺得理所應當,而是一種約定,如果這樣約定,那么復數在集合論里面就有了很好的“homomorphism”(同態(tài)),實數的性質可以很好的被應用到復數域,而且使用復數可以很好的去解決很多實際工作中的問題。

1.換一種方式來理解加法和乘法

1.1 加法

在實數域里面,加法可以理解成一種位移,-1+10,相當于一個點從-1向右移動了10個單位。在復平面中,加法仍然可以理解為位移,(3+2i)+(1-3i),可以是一個點在原點,先橫向右移3+1個單位,在縱向下移2-3=1個單位。

2.png

復平面的加法=縱向位移+橫向位移

1.2 乘法

乘法在實數軸上相當于對坐標軸的 “拉伸/縮小”,3*10相當于一個點在3不動,坐標軸縮小為10倍,那么在復平面上的乘法呢?


3.png

1*(2+i),相當于1的長度擴展了“根號5”倍,然后再逆時針旋轉了30度,由此可以知道:

復平面的乘法= 拉伸/壓縮+旋轉

2.換一種方式理解乘方

在實數域里面,2的n次方就是指n個2相乘,那么2的0次方、2的-1次方、2的1/2次方呢?我們知道:2n*2m=2^(m+n),有了這個規(guī)則,2的0次方乘以2的1次方=2,2的0次方就等于1,同理,2的1/2*2的1/2次方=2……所以,0次方、-1次方、1/2次方就有了意義。

把乘方理解為一個函數,他一定有這個性質:F(x+y)=F(x)*F(y)

這個函數可以把加法,映射為乘法,推廣到復平面,這個函數如果仍然成立,那么對于橫向位移的加法,自然是映射為“拉伸/壓縮”。2的2次方*2的2次方,當然等于2的4次方。

那么縱向位移的加法,會被映射成什么? 2的0次方*2的i次方 == 2的(0+i)次方,這個縱向的加法對應的如果是--旋轉,那多和諧啊。對的歐拉公式的也就是這樣理解的。2的i次方就是一種旋轉!

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