首页 / 工具 / 欧拉公式

欧拉公式

e = cos θ + i sin θ。 左边是指数,右边是三角 —— 桥梁是复平面。 拖动 θ,看圆上的点怎么同时决定一条余弦和一条正弦; 再把它沿时间轴展开,螺旋就变成了波。

角度 θ

θ = π/4
45.0°
e^(iθ)
cos θ(实部)
sin θ(虚部)
θ 的 π 倍数

恒等式是怎么来的

泰勒 ex = 1 + x + x²/2! + x³/3! + ⋯
代入 x = iθ,利用 i² = −1, i³ = −i, i⁴ = 1
分组 实部 = 1 − θ²/2! + θ⁴/4! − ⋯ = cos θ
虚部 = θ − θ³/3! + θ⁵/5! − ⋯ = sin θ
θ=π e^(iπ) + 1 = 0

五个最基本的常数 e、i、π、1、0 出现在同一个等式里,且每个只出现一次。 这不是巧合的堆砌:指数函数是"变化率正比于自身"的唯一解, 而 i 把"正比"变成了"垂直",于是解只能绕圈。

cos nθ 的多项式外衣

n = 3

de Moivre:(cos θ + i sin θ)ⁿ = cos nθ + i sin nθ。左边按二项式展开、取实部, 就得到 cos nθ = Tₙ(cos θ) —— 一个只含 cos θ 的整系数多项式(切比雪夫多项式)。

Tₙ(c)
代入
验证

递推 Tₙ₊₁ = 2c·Tₙ − Tₙ₋₁ 正是"旋转两次相加":e^(i(n+1)θ) + e^(i(n−1)θ) = 2cos θ · e^(inθ)。 根游乐场(roots 页)里的 cos nθ 方程,本质是单位圆上的等分点。

单位圆 · e^(iθ)
  • e^(iθ)
  • cos θ 投影
  • sin θ 投影
  • 已扫过的弧
展开 · cos 与 sin
0.6 rad/s

三种读法

  1. 代数读法。e^iθ 是一个模为 1 的复数,实部 cos θ,虚部 sin θ。适合计算。
  2. 几何读法。它是单位圆上辐角为 θ 的点。乘 e^iθ 就是旋转 θ。适合看图。
  3. 动态读法。把 θ 换成 ωt,e^iωt 是一个匀速旋转的矢量,它的影子(实部)就是简谐振动。适合物理。

第三种读法解释了为什么交流电、弹簧、单摆、声波全都长得像正弦: 它们都是同一个旋转运动在不同方向上的投影。

从圆到波的"展开"

想象单位圆沿时间轴向右滚动,圆上的点画出的轨迹是一条螺旋线(本页上方画了过渡线)。 从侧面看这条螺旋 —— 也就是忽略旋转、只看高度 —— 就是正弦曲线。

傅里叶分析的全部内容可以压缩成一句话: 任何信号都是若干条不同转速螺旋的叠加,分析就是把这些螺旋拆开。 相量图工具页做的正是叠加这一半。

一个可验证的预测

把 θ 拖到 π/2:cos = 0,sin = 1,点落在正虚轴上。 再拖到 π:点落在 −1,这正是 e^iπ + 1 = 0 的几何版本 —— 半圈,不多不少。