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1701052623 对于余弦部分,我们则用加粗的黑体来表示:
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1701052628 采用这些函数,欧拉表明其他三角函数也可以类似地用无穷级数来表示。
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1701052632 欧拉精于计算,他可以把三角函数加和起来,得到以e为底的指数函数。在计算的过程中,欧拉采用了虚数在《导论》写成的几年之后,欧拉用i来表示i虽然不是“实”数,在数轴上也没有位置,但却常被用于实数运算。这样数学家就可以求解原本不可解的方程。如果将i插入到ex的指数项中,则在无穷级数的所有项中都会出现i:
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1701052637 由于i2等于-1,因此有i3=-i、i4=1,i5=-i,等等。于是上述级数可以变为:
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1701052642 欧拉发现如果将i的多项式并为一组,就可以得到:
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1701052648 或者,就像他在《导论》的第8章中所写的那样(用i表示英文译本同此)[12],为:
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1701052650 eix=cos x+isin x
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1701052652 上述方程在指数函数和三角函数之间建立了深层次的联系。印度著名数学家拉马努金(Srinivasa Ramanujan,1887—1920年)在上中学时曾发现了这个关系,并激动地把它写了下来。不过,拉马努金在得知自己并不是第一个发现这个关系的人之后,非常沮丧,把计算结果藏到了自己家房子的屋顶上。[13]
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1701052654 这个方程令人不可思议,不过它的意义还远不止于此。假定x等于π,由于sin π=0,cos π=-1,因此eiπ=-1或者eiπ+1=0。
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1701052656 还有一种方法是用图形的方式证明上述方程正确性。假定用π代替x代入前几段的公式中,则该公式变成:
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1701052661 数学家可以把上述各项像向量一样加起来。各向量首尾相接,带有虚数i的项表示该向量逆时针转过90度。[14]如果从0出发,第一项(即1)是沿着x轴出发到达点(1, 0)的向量。第二项(iπ)是一个从(1, 0)出发,相对于第一个向量逆时针转过90度,向上延伸π个单位,到达坐标(1, π)的向量。第三项(iπ2/2!)是从(1, π)出发,相对于第二个向量再逆时针旋转90度,方向与第一个向量完全相反,并越过直线x=0到达点(-(π2/2-1), π)的向量。第四项是一个方向向下的向量,延伸至x轴的下方,如此往复。由于后一向量总是沿着前一向量逆时针旋转90度的方向,并且分母增长的速度比分子要快,导致向量的模[15]逐渐变小,所以最后就能得到收敛于点(-1, 0)的多角形螺旋(见图)。
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1701052666 表明无穷级数收敛于-1的多角形螺旋
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1701052668 这种简单的欧拉公式(根据某些定义,此种形式的欧拉公式并不是方程,因为它不含有变量)包含了5个数学上最基本的概念——0、1、自然对数的底e、虚数i和π,还包含了4个运算符——加、乘、取幂和相等。这些概念和运算符分别只出现了一次。欧拉公式说的是无理数的虚数乘无理数次方加上1恰好等于0。数字πe、2π和eπ都被认为是无理数。但eiπ却占据了数字大厦中的一个特殊位置。在这个位置上,无理数和虚数结合在一起,幽灵般地“相互抵消”,产生出了0。曾有人说,所有的分析都集中在这一个公式当中[16]欧拉的结果与其他一些事实表明:受到笛卡儿嘲笑的虚数在数学中并没有被边缘化,而是位于数学的中心。它们在数学上将发挥越来越重要的作用。伴随着20世纪量子力学的发展,在物理学和工程学等研究周期性现象的领域中,复数也被用于表示波。有了复数就能同时表示相位和波长两个过程,而复指数则可以将直线映射为复平面上的圆。
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