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歐拉公式cos_小時鐘大故事之歐拉公式

歐拉公式cos_小時鐘大故事之歐拉公式
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世上有很多有意思的設計,或精緻細膩,或别出心裁,或令人耳目一新,或讓人拍案叫絕,今天我們故事的主角是一個小小的挂鐘~

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從1點開始,探尋每個式子背後的故事~

1點的故事:

歐拉公式:

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,是以

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。這個答案很像是句廢話,其實問題應該問e是什麼?

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又是什麼?以及歐拉是誰?

01 自然常熟e

e是個常數,如同π一樣,而且也是個超越數,e到底等于多少呢?e來源于何方?我們從一個慈善銀行的故事開始。

我們都知道銀行存款是有利息的,分單利和複利兩種,有一家慈善銀行,開業大酬賓,活期存款年利率100%,也就是說,一塊錢存一年,到期取出兩塊錢。然而資金短缺的Roy僅僅能拿出100塊存入這家銀行,但他依然想着怎樣能多收點利息,他發現

如果100塊存一年,到期可取:

100×(1+100%)=200元

然而這家銀行是活期的存款利率100%,假如先存半年,半年後可取出150元,再将150元存半年,則一年後的利息肯定會更多些。即為:

100×(1+100%×1/2)^2=225元。

仿佛打開了新世界的大門,接着Roy盤算說,如果每個季度取出來再存一次,那一年後可取:

100×(1+100%×1/4)^4≈244

如果每個月取存一次,那一年後可取:

100×(1+100%×1/12)^12≈261

取存的次數增多,雖然說每次的利息變少了,但因為次數增加是以利息也會增加,那會不會,多到沒有上限呢?

再瘋狂點,每天取出來一次,一年後可取:

100×(1+100%×1/365)^365≈271.47

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雖說數字一直再增加,但很明顯,增加的幅度一直在變小。

如果Roy這一年(31536000秒)裡,每秒都在取錢存錢,一年後會收到:

100×(1+100%×1/31535000)^31536000≈271.74

折騰到每一秒,居然隻比上面的多幾毛錢,照這麼個趨勢,即便次數再多,也到不了300塊了。然而現實更加真實,連272都到不了。當次數達到無數次的時候,這個結果大概是271.82818284……也就是我們所說的e!

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n趨近無窮大的時候,

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的結果是一個常數,這個常數是個超越數,約等于2.7182818284……記為e,還有個非常低調的大名:自然常數。

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02 科學巨匠—萊昂哈德·歐拉

對曆史人物進行排名一直是廣大吃瓜群衆的一大愛好,數學家也未能幸免,不過好在史上公認的四大數學家:阿基米德、牛頓、高斯、歐拉,對于這一點大家基本是持統一意見。

數學之神阿基米德一手撬地球吓得地球瑟瑟發抖,上帝之子牛頓一個蘋果砸出萬有引力,數學王子高斯一招1-100求和的故事傳唱至今。然後咧,歐拉是誰?他幹過啥事?

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相信每個數學系的學子應該都有過被歐拉支配過的恐懼,因為,基本上在每一本數學專業課教材上,都會出現他的名字,以緻于我一度懷疑歐拉真的不是一個姓氏?歐拉涉獵範圍極廣,比如數論、代數、無窮級數、函數、複變函數、微積分、變分法、幾何等等,這些我們今天都不講。

他還被稱為“分析的化身”,從他之後,數學變成了代數、幾何、分析三足鼎立的局面。此外他還是個實體學家,研究過建築,探索過航海,計算過彗星的軌道,出版過音樂著作。

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總結下來一句話:這貨是開挂的!

開挂的歐拉1707年出生于瑞士,13歲中學畢業,進入巴塞爾大學,16歲碩士畢業,19歲博士畢業。是的你沒有看錯,19歲就博士畢業了,是以天才從小就藏不住。順便說一下,大學讀的是哲學專業,是以歐拉還是一個跨專業選手,數學純粹是出于興趣去隔壁教室蹭蹭課。後來在其數學老師約翰·伯努利的勸說下,歐拉的父親才改變讓歐拉做牧師的想法,讓歐拉真正轉到數學門下。

歐拉一生完成論文和著作共計886篇,是史上最高産的數學家之一,在他的一生中,他的數學成果平均每年800頁,以緻于在他去世之後的近半個世紀裡,他的作品依然源源不斷地出現在聖彼得堡皇家科學院的出版物當中,真實演繹了“有的人死了,但他還活着”。

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1735年,據說因為工作時間過長,28歲的歐拉右眼失明,是以歐拉有将近一半的成果是在一隻眼睛失明的情況下完成的。而另外一半,則是在雙目失明的情況下完成的。1766年,一次不成功的白内障手術讓歐拉的左眼也罷工了,至他去世的這17年的時間裡,歐拉通過心算、口述的方式依然進行着數學研究,可見其超強的記憶力和心算能力。歐拉告訴我們,學數學靠腦子,不需要眼睛。

1783年的一個夜晚,歐拉突發腦溢血去世,據說,歐拉的煙鬥掉地上去了,他彎腰去撿,說了句:我死了。然後便再也沒有站起來。就這樣一代偉大的數學家停止了生命,也停止了計算。

他是一個偉大的學者,也是一個善良的人。

03 歐拉公式

0、1、π、i、e被稱為是數學中的五大常數,歐拉用一個公式将他們聯系到一起,即歐拉公式:

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1988年,《數學信使》雜志組織了一次推選史上最優美數學定理的投票,這個公式位列榜首。

那這個公式是怎麼來的呢?

來看個函

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,這個函數突出一個不好計算,因為e是個無理數啊,于是數學家們就想出了一個用多項式函數來逼近這個函數的方法,簡單說,這個函數不好算,我們整個近似的函數,經過一番精密的計算(泰勒公式),發現:

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同樣,三角函數sinx和cosx也不太好求值把,不慌,我們也可以取近似值的:

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是不是覺得長得有點像,因為右邊都是多項式嘛,對的,就是要轉變為多項式因為比較容易計算,至于這些式子是怎麼得到的,這又是另外一個問題了。

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展開式中的x換成ix看看:

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,将x=π代入,得

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也是就是這個式子本式!

04 一點皮毛

親和數:畢達哥拉斯學派曾經發現這樣一組數:220和284。有什麼特别之處呢?220的所有因數(本身除外)之和等于284,同樣,284的所有因數之和也等于220,于是稱它們為一對親和數。1636年,費馬發現了另一對親和數:17296和18416,兩年之後笛卡爾也發現了一組9363584和9437056,确實不太容易啊!後來在1750年,歐拉一次性給出了60對……

歐拉公式2:V-E+F=2。這個公式國小應該就見過,也叫歐拉公式。沒辦法,歐拉提出的公式太多,但人名隻有一個,隻好委屈委屈都叫歐拉公式了。任何多面體的頂點數(V)、棱數(E)、和面數(F)都滿足V-E+F=2。比如正方體有8個頂點,12條棱,6個面,8-12+6=2。歐拉的學生柯西利用這個公式證明出,正多面體隻有5種:正四面體、正六面體、正八面體、正十二面體、正二十面體。

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歐拉公式3:

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。三角形外心O與内心I的距離為d,外接圓半徑為R,内切圓半徑為r,即有

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九點圓:任意三角形中,三邊的中點、三條高的垂足、垂心與三角形三個頂點連線的中點,這九個點共圓。

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歐拉線:三角形的外心、重心、九點圓圓心、垂心在同一直線上,且外心到重心的距離等于垂心到重心距離的一半。

哥尼斯堡七橋問題:在哥尼斯堡的一個公園裡,有七座橋将普雷格爾河中兩個島及島與河岸連接配接起來,是否可能從這四塊陸地的人一塊出發,恰好通過每座橋一次并最終回到起點?歐拉并沒有找到這樣的操作,但他證明了這是不可能實作的,順帶還開創了一個數學新的分支——圖論。

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費馬猜想:形如

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的數始終是素數。歐拉說:

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天曉得他是怎麼算出來的。

費馬小定理:如果p是素數,且a是不能被p整除的整數,則

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能被p整除。歐拉不僅證明了這個定理,還順帶提出了更一般性的結論:若n、a為正整數且互質,則:

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費馬大定理:當n>2時,

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無正整數解。歐拉證明了當n=3時的情況。

還有,自然常數e、圓周率π、虛數機關i、函數f(x)、正弦sin、餘弦cos、正切tan,這些符号都是歐拉首先使用。

拉普拉斯說,讀讀歐拉吧,他是所有人的老師!

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