歐拉和拉格朗日筆下的三角級數以及重要的等式關係

2021-01-08 電子通信和數學

偉大的數學家歐拉從最一般的三角函數sinx^2+cosx^2=1公式出發,得到著名的棣莫弗定理以及正弦和餘弦的無窮級數,方法簡單明了直觀,接著法國數學家拉格朗日運用三角學中的複數性質,又得到一些重要級數等式,優美的思路值得大家學習借鑑。

歐拉從最簡單的三角函數出發:

分解因式得到:這個因式中含有虛數,但它們卻非常有用

考慮乘積,我們展開得到

由於

從而所給乘積就可以表示成

類似的可得到:即著名的棣莫弗定理

進一步推導,我們又得到

利用上述結論我們可以得到:

從而得到一般的通用公式:

由於兩個正負符號,我們得到:

歐拉用二項式的冪展開上式得到

歐拉設z為無窮小,則sinz=z,cosz=1,又設n為無窮大,則nz為有限數,記nz=v,由sinz=z=v/n,有上述兩個無窮級數式子就得到正弦和餘弦的三角級數

以上就是歐拉推導正弦和餘弦級數的來源

接著拉格朗日運用三角學中的複數性質得到一些重要的三角級數等式

首先拉格朗提運用我們熟知的級數

將x換成z與三角函數複數的乘積,且x無窮小時得到:(x^n≈0)

經過簡單的變換得到

經過簡單分拆,得到

實部對應實部,虛部對應虛部,就得到兩個三角級數的重要等式

以上分別被記載在歐拉和拉格朗日的著作中,它們簡單明了。僅用初等的數學知識得到偉大的級數性質

相關焦點

  • 《歐拉選集》中三角函數與複數的關係
    前一篇《歐拉和拉格朗日筆下的三角級數以及重要的等式關係》中我們已經得到如下兩個等式歐拉設z為無窮小,n為無窮大i,則v=nz=iz為有限數,z=v/i,從而sinz=v/i,所以cosz=1,我們帶入上式得到
  • 歐拉、伯努利、達朗貝爾關於弦振動問題的論戰,催生了傅立葉級數
    歐拉和達朗貝爾就沿用之間的思維,用微分方程來表示弦振動的波動方程。但是丹尼爾卻以完全不同的形式即用函數的級數展開式給出弦振動問題的解,級數是指將數列的項依次用加號連接起來的函數,級數是研究函數的一個重要工具,在理論上和實際應用中都處於重要地位。
  • 尋找「最好」(2)歐拉-拉格朗日方程
    歐拉-拉格朗日方程(Euler -Lagrange equation) 為變分法中的一條重要方程。
  • 談談歐拉級數帶給我們的數學魅力
    歐拉起初的驚人之舉是給出了平方數的倒數和等於π^2/6,與歐拉同時代的數學家都沒能解決這個問題,所以歐拉在1734年給出這一結論時,曾引起轟動。因整個數列中沒有圓的蹤跡,結果卻出現了π,也很讓這個結果吸引眼球。
  • 拉格朗日力學:歐拉-拉格朗日方程的形象原理與描述
    在經典的牛頓物理學中,系統的拉格朗日是總動能減去總勢能,但在量子場論中,這種簡單的關係不再真實,並且每個時間點的拉格朗日方程是所有空間中所有領域的功能。我們可以處理愛因斯坦的相對論,或者使用量子場論,或者採用牛頓運動定律,當物理學家提出新的物理基本定律時,它們經常通過提出拉格朗日的新方程來做到這一點。因此我們要關注的不是任何一個特定理論中的拉格朗日方程,但拉格朗日如何用於預測系統的行為,這具有普遍的實踐和哲學意義。
  • 冪級數和泰勒級數、泰勒公式之間的關係
    不少同學對冪級數和泰勒級數、泰勒公式,以及麥克勞林展開式之間的區別和聯繫不清楚,本文小編力圖說明它們之間的區別和聯繫。1.泰勒中值定理和泰勒公式對於複雜函數,往往不容易研究其性質。2.皮亞諾和拉格朗日餘項把泰勒中值定理中的多項式再次放到下方,以便於說明:第一個要明確的概念是泰勒多項式,如上方綠色部分即為函數f(x)在(x-x0)的冪展開的n次泰勒多項式,通常用如下式子表示:第二個概念就是拉格朗日餘項。
  • 變分法——歐拉-拉格朗日方程
    然後根據"變分法基本引理"(參見變分法基本引理)就可以導出歐拉-拉格朗日方程啦:需要注意的是,歐拉方程是泛函極值的必要條件,但不是充分條件,>在處理實際泛函極值問題時,一般不去考慮充分條件,而是從實際問題的性質出發,間接地判斷泛函極值的存在性,直接使用歐拉方程求出極值曲線【往期精選】●1+1/2+...+1/n  ,可能是整數嗎?
  • 傅立葉級數的見證——當空中飛人與攀巖者握手的時候
    (10)        這就是著名的帕塞瓦爾等式。前面提到過離散和連續的關係,離散的傅立葉級數對應的是連續的傅立葉積分。這樣看來,(15)中冪級數在圓周上給出u=u(φ),無疑是按照對函數的這種理解。要知道圓(r)整個地在冪級數的收斂域內,而且傅立葉級數無非是觀察冪級數的一種方式。        但是,這種理解方式似乎十分違背常識和直觀,不僅是我們,拉格朗日的恩師歐拉就把函數定義為坐標系上隨手畫出的曲線。函數曲線可以按照人們的意願隨意延伸、彎曲,似乎是顯而易見、理所當然的。
  • 歐拉乘積公式中的有趣結論與黎曼Zeta函數
    繼續前一篇有關歐拉級數的文章繼續探討歐拉級數給我們帶來的不可思議的結論:首先進行如下變換:整理得:然後用第一行減去第二行就得到兩個神奇的有關π的美妙級數:讓我們繼續回顧上面的兩個等式,第一行減去第二行:我們又得到一個優美的有關
  • 你知道歐拉是如何發現自然常數e和有關它的無窮級數的?
    既然i是無窮大,所以存在如下的結果所以二項式展開的式子可以瞬間化簡成,如下無窮級數的樣式既然Z是常數,所以可以假設Z=1.上式就變成這裡當K=1時,就得到著名的自然常數e,這就時e的來龍去脈>歐拉用了一個等式假設b=a^n,那麼b^z=a^zn,這裡的z是常數哦,和上面一樣其中Logab=n,式子中的a和K是由上面的有關a和k的無窮級數得到,下圖中的L表示的是Logs所以得到任何一個指數都可以表示成按Z的冪排列的無窮級數。
  • 級數的魅力:從對數函數的無窮級數到萊布尼茲級數,π的級數
    前一篇《歐拉選集》中三角函數與複數的關係中我們已經得到虛數的對數如何化為圓的弧其中z為弧,Iog=In我們已經得到In(1+x)/(1-x)的級數其中sinz/cosz=tanz=tgz,令x=tanz(-1)^1/2,第一個式子就變成了
  • 初中歷史-倫哈特·歐拉
    十八世紀瑞士數學家和物理學家倫哈特·歐拉始終是世界最傑出的科學家之一。他的全部創造在整個物理學和許多工程領域裡都有著廣泛的應用。  歐拉的數學和科學成果簡直多得令人難以相信。他寫了三十二部足本著作,其中有幾部不止一卷,還寫下了許許多多富有創造性的數學和科學論文。總計起來,他的科學論著有七十多卷。
  • 小明聊黎曼(3)——歐拉乘積公式
    尋找以下無窮級數的一個閉型(所謂閉型即精確值):上面這個級數我們稱之為巴塞爾級數,和調和級數非常相似,只不過分母都是自然數的平方。這個問題在其提出後46年,1735年,被年輕的歐拉所破解,該級數收斂至(π^2)/6。
  • 看得懂的數學之美:從青年歐拉對巴塞爾問題的解法說起
    歐拉,歷史上最重要的數學家之一,也是最高產的數學家,平均每年能寫八百多頁論文。我們經常能見到以他名字命名的公式與定理,可能最廣為人知的便是「世界上最美的公式」歐拉公式。先不說它的具體意義,能將自然數、虛數、π、0 和 1 這幾個最基本的元素組合在一起,就是令人驚嘆的美。歐拉公式將指數函數的定義域擴大到了複數域,同時建立三角函數和指數函數的關係,被譽為「數學中的天橋」。
  • 數學之美——偉大的數學家歐拉及他對巴塞爾問題的精妙解法
    如微積分的兩位共同發明者約翰·沃利斯和偉大的戈特弗裡德·萊布尼茲就是嘗試了這個問題但以失敗告終的眾多人中的兩位。但年僅 28 歲歐拉在就解決了這個難題,並且他給出的答案的數學性質令數學界感到驚訝。儘管他給出第一個證明(他後來又提供了其他幾個證明)並不是嚴謹的,但它的美、簡單和原創性是都是令人難以置信的。
  • 數學界最著名、最偉大、最美麗的公式之一——歐拉公式
    正如我們所看到的,左邊是e,右邊是cos和sin三角函數,兩邊都有虛數i。在我們從微積分和幾何的角度研究這個公式之前,讓我們先看看這個瘋狂的關係是從哪裡來的。歐拉公式的歷史1714年,英國物理學家和數學家羅傑·柯茨在一個公式中建立了對數、三角函數和虛數之間的關係。
  • 持續學習:數學分析之冪級數於傅立葉級數
    上一篇講到一般的無窮級數理論。就具體運用到的表達函數而言,由兩類特殊的函數項級數是十分重要的:冪級數與三角函數。冪級數是多項式的推廣,是無窮次的多項式,它的收斂域很特別,是以某點為中心的區間,而且在收斂區間內,和函數是無窮次可微的。
  • 淺析最美數學公式——歐拉公式之推導歸納
    本文是基於作者在高等數學和複變函數這兩門課程教學過程中的一些思考, 整理並總結了有關於大家熟知的歐拉公式在不同數學分支裡的詳細推導方法和推導過程, 以便為相關學者提供參考和借鑑。學習過高等數學的的人都學過歐拉公式, 還知道歐拉公式是指以歐拉命名的諸多公式之一。
  • 一個讓考生欲仙欲死的名字,數學中高聳的金字塔,大神拉格朗日
    對於十八世紀的數學界而言,歐拉無疑是最偉大的人物,而除去歐拉之外,最響亮的名字無疑是拉格朗日。他不僅是有名的數學家,還是物理學家,他的學術領域不僅涉及數學、物理學,還有分析力學、天體力學。作為法國數學著名的「三L」之首(其餘二人為拉普拉斯和勒讓德),拉格朗日為法國數學走向輝煌奠定了堅實基礎。
  • 傅立葉級數應知必會
    三種傅立葉級數表示形式對於連續時間周期信號的傅立葉級數,在「高數」課程中已經做過討論,基本的結論就是:只要一個周期函數在一個周期上可積,那麼我們總可以由這個周期函數作出一個三角級數,在滿足一定條件的情況下,該級數收斂,並且收斂於這個周期函數。這個三角級數就被稱為該周期函數的傅立葉級數。