Формула Эйлера для комплексных чисел

Формула Эйлера для комплексных чисел

Формула Эйлера названа именем известного математика Л. Эйлера, который ввел данную формулу. Формула Эйлера позволяет связать комплексную экспоненту (показательную функцию) с тригонометрическими функциями.

Формула Эйлера утверждает, что для любого вещественного (действительного) и комплексного числа $x$ выполняется следующее равенство:

\[e^ =\cos x+i\cdot \sin x,\]

где $e$ -- экспонента, $i$ -- мнимая единица.

Экспонента определяется следующей формулой:

Для некоторого комплексного числа $z=x+yi$ выполняется:

В случае, когда $z$ является вещественным числом $(Imz=0)$, получаем

Если $z$ является чисто мнимым числом $(Rez=0)$, получаем:

Далее используя формулу Эйлера, получаем следующее:

Рассмотрим некоторое комплексное число $z$, записанное в тригонометрической форме $z=r(\cos \varphi +i\cdot \sin \varphi )$, где $r=|z|=\sqrt $ является модулем этого комплексного числа. С помощью формулы Эйлера, получаем

\[z=r\cdot (\cos \varphi +i\cdot \sin \varphi )=r\cdot e^ .\]

С помощью формулы Эйлера появляется возможность определить функции $\sin $ и $\cos $ следующими формулами:

Введем понятие тригонометрических функций от комплексной переменной. Для $x=iy$ получаем следующие формулы:

Известное тождество Эйлера, которое связывает пять фундаментальных математических констант:

является частным случаем формулы Эйлера при значении переменной $x=\pi $.

Благодаря формуле Эйлера появились тригонометрическая и показательная формы представления комплексного числа.

\[z=a+bi=|z|\cdot (\cos \varphi +i\cdot \sin \varphi )=r\cdot (\cos \varphi +i\cdot \sin \varphi ).\]

Представление некоторого комплексного числа $z$ в виде $z=r\cdot (\cos \varphi +i\sin \varphi )$ называется тригонометрической формой записи, где число $r$ является модулем комплексного числа $z$, который определяется по формуле $r=|z|=|a+bi|=\sqrt $, $\varphi $ является аргументом комплексного числа $z$, который определяется по формуле $\varphi =arctg\frac $.

Рассмотрим комплексное число, представленное в тригонометрической форме

\[z=r\cdot (\cos \varphi +i\sin \varphi ).\]

С помощью формулы Эйлера, получим:

Подставим полученное значение в тригонометрическую запись некоторого комплексного числа и получим:

Представление некоторого комплексного числа $z$ в виде $z=r\cdot e^ $ называется показательной формой записи, где число $r$ является модулем комплексного числа $z$, который определяется по формуле $r=|z|=|a+bi|=\sqrt $, $\varphi $ является аргументом комплексного числа $z$, который определяется по формуле $\varphi =arctg\frac $.

Готовые работы на аналогичную тему

Значительным следствием из формулы Эйлера считаются формулы возведения некоторого комплексного числа в степень с произвольным показателем:

Геометрический смысл последней формулы таков: при возведении некоторого числа $z$ в заданную степень $n$ его модуль (расстояние до центра) возводится в заданную степень $n$, а аргумент (угол поворота относительно оси $OX$) увеличивается соответственно в $n$ раз (рис. 1).

Формула возведения в степень заданного комплексного числа верна не только для целых $n$, но и для действительных чисел. В частности, комплексная форма представления числа позволяет найти корни любой степени из произвольного комплексного числа.

Представить заданные комплексные числа в показательной форме:

1) $z=2+0\cdot i$; 2) $z=\frac +\frac \cdot i$.

Показательная форма представления некоторого комплексного числа имеет следующий вид $z=r\cdot e^ $.

1) По условию $a=2,b=0$.

Вычислим модуль исходного комплексного числа:

Вычислим аргумент исходного комплексного числа, используя формулу (*):

\[\varphi =\arg z=arctg\frac =arctg0=0.\]

Подставим полученные значения и получим:

Следовательно, $z=2\cdot e^ $ - искомое представление комплексного числа.

2) По условию $a=\frac ,b=\frac $.

Вычислим модуль исходного комплексного числа:

Вычислим аргумент исходного комплексного числа, используя формулу (*):

Подставим полученные значения и получим:

Следовательно, $z=\frac \cdot e^ $ - искомое представление комплексного числа.

Представить заданные комплексные числа в показательной форме:

1) $z=\sqrt \cdot (\cos \frac +i\sin \frac )$; 2) $z=5\cdot (\cos 2\pi +i\sin 2\pi )$.

Показательная форма представления некоторого комплексного числа имеет следующий вид $z=r\cdot e^ $.

1) Определим значения модуля и аргумента: $r=\sqrt ,\, \, \varphi =\frac $.

Представление числа в показательной форме имеет следующий вид: $z=\sqrt \cdot e^ $.

2) Определим значения модуля и аргумента: $r=5,\, \, \varphi =2\pi $.

Представление числа в показательной форме имеет следующий вид: $z=5\cdot e^ $.

Представить заданные комплексные числа в алгебраической форме:

Алгебраическая форма представления некоторого комплексного числа имеет следующий вид $z=a+bi$.

1) Запись числа в тригонометрической форме имеет следующий вид: $z=3\cdot (\cos \frac +i\sin \frac )$.

По таблице косинусов и синусов $\cos \frac =\frac ;\sin \frac =\frac $.

Подставим значения и выполним преобразования и вычисления:

Следовательно, $z=\frac +\frac \cdot i$ - искомая запись комплексного числа.

2) Запись числа в тригонометрической форме представления имеет следующий вид: $z=6\cdot (\cos \pi +i\sin \pi )$.

По таблице косинусов и синусов $\cos \pi =-1;\sin \pi =0$.

Подставим значения и выполним преобразования и вычисления:

\[z=3\cdot \left(-1+0\cdot i\right)=-1+0\cdot i.\]

Следовательно, $z=-1+0\cdot i$ - искомое представление комплексного числа.