歐拉公式之證明

首先,我們考慮復數函數的泰勒級數展開式。對于任意一個復數函數f(z),我們可以將其在z=a處進行泰勒級數展開:

f(z)??=??f(a)??+??f'(a)(z-a)??+??f''(a)(z-a)^2/2!??+??f'''(a)(z-a)^3/3!??+??...

其中f'(a)表示f(z)在z=a處的導數,f''(a)表示f(z)在z=a處的二階導數,以此類推。

接下來,我們考慮復指數函數e^z的泰勒級數展開式。對于這個函數,我們可以得到:

e^{^{z}}=1+z+\frac{z^{2}}{2!}+\frac{z^{3}}{3!}+\cdots

利用這個泰勒級數展開式,我們可以將復指數函數表示為冪級數的形式。

然后,我們考慮復數函數f(z)??=??e^iz。根據歐拉公式的定義,我們知道e^ix??=??cos(x)??+??isin(x)。因此,我們有:


f(z)=e^{^{z}}=1+z+\frac{z^{2}}{2!}+\frac{z^{3}}{3!}+\cdots

現在,我們使用泰勒級數展開式將f(z)表示為冪級數的形式:

f(z)??=??1??+??(iz)??+??(iz)^2/2!??+??(iz)^3/3!??+??...

根據冪級數的性質,我們可以重新排列和化簡這個級數:

f(z)??=??1??+??iz??-??z^2/2!??-??iz^3/3!??+??z^4/4!??+??...

我們可以將這個冪級數的實部和虛部分開,得到:

Re(f(z))??=??1??-??z^2/2!??+??z^4/4!??-??z^6/6!??+??...
Im(f(z))??=??z??-??z^3/3!??+??z^5/5!??-??z^7/7!??+??...

觀察這兩個級數,我們發現實部部分是一個偶冪次項的級數,而虛部部分是一個奇冪次項的級數。

現在,我們考慮一個復數z,其中z可以表示為z??=??x??+??i*y,其中x和y都是實數。將z代入實部和虛部的級數展開式中:

Re(f(z))??=??1??-??(x^2??-??y^2)/2!??+??(x^4??-??y^4)/4!??-??(x^6??-??y^6)/6!??+??...
Im(f(z))??=??(x??+??i*y)??-??(x^3??+??3*x*y^2)/3!??+??(x^5??+??5*x^3*y^2??+??x*y^4)/5!??-??(x^7??+??7*x^5*y^2??+??7*x^3*y^4??+??x*y^6)/7!??+??...

令x^2??-??y^2等于cosθ,2*x*y等于sinθ,我們可以得到:

Re(f(z))??=??1??-??cosθ/2!??+??cosθ^2/4!??-??cosθ^3/6!??+??...
Im(f(z))??=??sinθ??-??sinθ^3/3!??+??sinθ^5/5!??-??sinθ^7/7!??+??...

現在,我們回顧一下歐拉公式的定義:e^ix??=??cos(x)??+??isin(x)。比較Re(f(z))和Im(f(z))我們可以發現,它們分別與cosθ和sinθ是相同的級數。

綜上所述,我們可以得出結論:對于任意一個復數z,我們有e^iz??=??cos(z)??+??isin(z)。這就是歐拉公式的證明。

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