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单词 ii竟然是实数
释义 ii竟然是实数
ii竟然是实数!这件事很让人感到意外,也很有趣。现在,我们来解释其中的原因。这涉及复数的复数次幂的定义。一切可以从著名的欧拉公式eiθ=cosθ+isinθ出发。利用三角公式,复指数eiθ有我们通常实指数一样的性质,比如这样,对一般的复数z=x+iyx,y为实数),就有复指数
ez=ex+iy=exeiy=ex(cosy+isiny).
对于z=x+iy≠0,记,可以将xy写为
x=rcosθy=rsinθ,(-π<θ≤π).
这样,复数z又可表示为
z=r(cosθ+isinθ)=re
称为复数z的指数表示。由于三角函数是周期为2π的周期函数,可以看出复数z的指数表示不唯一。事实上,对任意整数k,z=rei(θ+2kπ)
我们知道,对数是指数的逆运算,这对复指数也应成立。这样我们可以有复数的对数:如果z=rei(θ+2kπ),那么
lnz=lnr+lnei(θ+2kπ)=lnr+i(θ+2kπ),k=0,±1,±2,…
这里出现了一个奇怪的现象:复数的对数居然有无穷多个值。而k=0时,即lnz=lnr+iθ称为对数lnz的主值。
现在我们可以利用复指数和复对数来定义复数的幂zα了。如果α=n是自然数,zn就是nz相乘。当α是一般的复数时怎么办呢?我们依靠指数函数与对数函数来定义:
zα=eαlnz.
这样定义的合理性在于:对于正实数x,a>0,我们已经有xa=elnxa=ealnx。很显然,对一般的复数αzα也有无穷多个值。
现在我们来看看ii究竟该等于多少?由于i=cos(π/2)+isin(π/2)=eiπ/2,按定义,有

于是,

可见,ii的确是实数,其主值等于e-π/2。(李忠)

【微问题】你还能举出欧拉公式的其他应用吗?
【关键词】欧拉公式 复指数
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