La fórmula de Euler es omnipresente en matemáticas, física, química e ingeniería. El físico Richard Feynman la llamó "nuestra joya" y "la fórmula más notable de las matemáticas". [2]
Cuando x = π , la fórmula de Euler puede reescribirse como e iπ + 1 = 0 o e iπ = −1 , lo que se conoce como identidad de Euler .
Historia
En 1714, el matemático inglés Roger Cotes presentó un argumento geométrico que puede interpretarse (después de corregir un factor mal ubicado de ) como: [3] [4] [5]
Al exponenciar esta ecuación se obtiene la fórmula de Euler. Nótese que la afirmación logarítmica no es universalmente correcta para números complejos, ya que un logaritmo complejo puede tener infinitos valores, que difieren en múltiplos de 2 πi .
Alrededor de 1740, Leonhard Euler dirigió su atención a la función exponencial y derivó la ecuación que lleva su nombre comparando las expansiones en serie de las expresiones exponenciales y trigonométricas. [6] [4] La fórmula se publicó por primera vez en 1748 en su obra fundacional Introductio in analysin infinitorum . [7]
Y como
la ecuación anterior nos dice algo sobre los logaritmos complejos al relacionar los logaritmos naturales con números imaginarios (complejos), Bernoulli, sin embargo, no evaluó la integral.
La correspondencia de Bernoulli con Euler (que también conocía la ecuación anterior) muestra que Bernoulli no comprendía por completo los logaritmos complejos . Euler también sugirió que los logaritmos complejos pueden tener infinitos valores.
La visión de los números complejos como puntos en el plano complejo fue descrita unos 50 años después por Caspar Wessel .
Definiciones de exponenciación compleja
La función exponencial e x para valores reales de x puede definirse de varias formas equivalentes diferentes (véase Caracterizaciones de la función exponencial ). Varios de estos métodos pueden extenderse directamente para dar definiciones de e z para valores complejos de z simplemente sustituyendo z en lugar de x y utilizando las operaciones algebraicas complejas. En particular, podemos utilizar cualquiera de las tres definiciones siguientes, que son equivalentes. Desde una perspectiva más avanzada, cada una de estas definiciones puede interpretarse como la única continuación analítica de e x en el plano complejo.
Aquí, n está restringido a números enteros positivos , por lo que no hay dudas sobre lo que significa la potencia con exponente n .
Pruebas
Son posibles varias demostraciones de la fórmula.
Usando la diferenciación
Esta prueba muestra que el cociente de las expresiones trigonométricas y exponenciales es la función constante uno, por lo que deben ser iguales (la función exponencial nunca es cero, [9] por lo que esto está permitido). [10]
Considere la función f ( θ )
para θ reales . Derivando por la regla del producto se obtiene
entonces f ( θ ) es una constante. Como f (0) = 1 , entonces f ( θ ) = 1 para todos los θ reales , y por lo tanto
Utilizando series de potencias
A continuación se presenta una prueba de la fórmula de Euler utilizando expansiones de series de potencias , así como hechos básicos sobre las potencias de i : [11]
Otra prueba [12] se basa en el hecho de que todos los números complejos se pueden expresar en coordenadas polares . Por lo tanto, para algunos r y θ que dependen de x ,
no se hacen suposiciones sobre r y θ ; se determinarán en el curso de la prueba. A partir de cualquiera de las definiciones de la función exponencial se puede demostrar que la derivada de e ix es ie ix . Por lo tanto, diferenciando ambos lados se obtiene
Sustituyendo r (cos θ + i sen θ ) por e ix e igualando las partes real e imaginaria en esta fórmula se obtiene dr./Dx = 0y dθ/Dx = 1. Por lo tanto,res una constante yθes x + C para alguna constanteC. Los valores iniciales r (0) = 1y θ (0) = 0provienen de e 0 i = 1, dando r = 1y θ = x . Esto demuestra la fórmula
Aplicaciones
Aplicaciones en la teoría de números complejos
Interpretación de la fórmula
Esta fórmula puede interpretarse como que la función e iφ es un número complejo unitario , es decir, traza el círculo unitario en el plano complejo a medida que φ recorre los números reales. Aquí φ es el ángulo que forma una línea que une el origen con un punto en el círculo unitario con el eje real positivo , medido en sentido antihorario y en radianes .
La prueba original se basa en las expansiones en serie de Taylor de la función exponencial e z (donde z es un número complejo) y de sen x y cos x para números reales x (véase más arriba). De hecho, la misma prueba muestra que la fórmula de Euler es válida incluso para todos los números complejos x .
Un punto en el plano complejo puede representarse mediante un número complejo escrito en coordenadas cartesianas . La fórmula de Euler proporciona un medio de conversión entre coordenadas cartesianas y coordenadas polares . La forma polar simplifica las matemáticas cuando se utiliza en la multiplicación o potencias de números complejos. Cualquier número complejo z = x + iy y su conjugado complejo, z = x − iy , se puede escribir como
donde
φ es el argumento de z , es decir, el ángulo entre el eje x y el vector z medido en sentido antihorario en radianes , que se define hasta la suma de 2 π . Muchos textos escriben φ = tan −1 y/incógnita en lugar de φ = atan2( y , x ), pero la primera ecuación necesita ajuste cuando x ≤ 0. Esto se debe a que para cualquierxey, no ambos cero, los ángulos de los vectores( x , y )y(− x , − y )difieren enπradianes, pero tienen el valor idéntico detan φ = y/incógnita .
Uso de la fórmula para definir el logaritmo de números complejos
Ahora, tomando esta fórmula derivada, podemos usar la fórmula de Euler para definir el logaritmo de un número complejo. Para ello, también utilizamos la definición del logaritmo (como operador inverso de la exponenciación):
y que
ambos son válidos para cualquier número complejo a y b . Por lo tanto, se puede escribir:
para cualquier z ≠ 0 . Tomando el logaritmo de ambos lados se muestra que
y de hecho, esto puede usarse como la definición del logaritmo complejo . El logaritmo de un número complejo es, por tanto, una función multivaluada , porque φ es multivaluada.
La fórmula de Euler, las definiciones de las funciones trigonométricas y las identidades estándar para exponenciales son suficientes para derivar fácilmente la mayoría de las identidades trigonométricas. Proporciona una poderosa conexión entre el análisis y la trigonometría , y proporciona una interpretación de las funciones seno y coseno como sumas ponderadas de la función exponencial:
Las dos ecuaciones anteriores se pueden derivar sumando o restando las fórmulas de Euler
y resolviendo el coseno o el seno.
Estas fórmulas pueden incluso servir como definición de las funciones trigonométricas para argumentos complejos x . Por ejemplo, si x = iy , tenemos:
Además
Las exponenciales complejas pueden simplificar la trigonometría, porque son matemáticamente más fáciles de manipular que sus componentes seno y coseno. Una técnica consiste simplemente en convertir senos y cosenos en expresiones equivalentes en términos de exponenciales, a veces llamadas senos complejos . [13] Después de las manipulaciones, el resultado simplificado sigue teniendo valores reales. Por ejemplo:
Otra técnica consiste en representar senos y cosenos en términos de la parte real de una expresión compleja y realizar las manipulaciones en la expresión compleja. Por ejemplo:
Esta fórmula se utiliza para la generación recursiva de cos nx para valores enteros de n y x arbitrario (en radianes).
Considerando cos x como parámetro en la ecuación anterior, se obtiene la fórmula recursiva para los polinomios de Chebyshev del primer tipo.
En ecuaciones diferenciales , la función e ix se utiliza a menudo para simplificar soluciones, incluso si la respuesta final es una función real que involucra seno y coseno. La razón de esto es que la función exponencial es la función propia de la operación de diferenciación .
En ingeniería eléctrica , procesamiento de señales y campos similares, las señales que varían periódicamente a lo largo del tiempo suelen describirse como una combinación de funciones sinusoidales (véase análisis de Fourier ), y estas se expresan de manera más conveniente como la suma de funciones exponenciales con exponentes imaginarios , utilizando la fórmula de Euler. Además, el análisis fasorial de circuitos puede incluir la fórmula de Euler para representar la impedancia de un capacitor o un inductor.
Los casos especiales que se evalúan en unidades ilustran la rotación alrededor del círculo unitario complejo:
El caso especial en x = τ (donde τ = 2 π , una vuelta ) produce e iτ = 1 + 0 . También se argumenta que esto vincula cinco constantes fundamentales con tres operaciones aritméticas básicas, pero, a diferencia de la identidad de Euler, sin reorganizar los sumandos del caso general:
Una interpretación de la forma simplificada e iτ = 1 es que rotar una vuelta completa es una función identidad . [14]
^ Moskowitz, Martin A. (2002). Un curso de análisis complejo en una variable. World Scientific Publishing Co. pág. 7. ISBN 981-02-4780-X.
^ Feynman, Richard P. (1977). Las conferencias Feynman sobre física, vol. I. Addison-Wesley. págs. 22-10. ISBN0-201-02010-6.
^ Cotes escribió: "Nam si quadrantis circuli quilibet arcus, radio CE descriptus, senun habeat CX sinumque complementi ad quadrantem XE ; sumando radium CE pro Modulo, arcus erit rationis inter & CE mensura ducta in ." (Por lo tanto, si cualquier arco de un cuadrante de un círculo, descrito por el radio CE , tiene seno CX y seno del complemento del cuadrante XE ; tomando el radio CE como módulo, el arco será la medida de la relación entre & CE multiplicado por .) Es decir, considere un círculo que tiene centro E (en el origen del plano (x,y)) y radio CE . Considere un ángulo θ con su vértice en E que tiene el eje x positivo como un lado y un radio CE como el otro lado. La perpendicular desde el punto C en el círculo hasta el eje x es el "seno" CX ; la línea entre el centro del círculo E y el punto X al pie de la perpendicular es XE , que es el "seno del complemento del cuadrante" o "coseno". La razón entre y CE es entonces . En la terminología de Cotes, la "medida" de una cantidad es su logaritmo natural, y el "módulo" es un factor de conversión que transforma una medida de ángulo en longitud de arco circular (aquí, el módulo es el radio ( CE ) del círculo). Según Cotes, el producto del módulo y la medida (logaritmo) de la razón, cuando se multiplica por , es igual a la longitud del arco circular subtendido por θ , que para cualquier ángulo medido en radianes es CE • θ . Por lo tanto, . Esta ecuación tiene un factor mal ubicado: el factor de debería estar en el lado derecho de la ecuación, no en el lado izquierdo. Si se realiza el cambio de escala por , entonces, después de dividir ambos lados por CE y exponenciar ambos lados, el resultado es: , que es la fórmula de Euler.
Ver:
Roger Cotes (1714) "Logometria", Philosophical Transactions of the Royal Society of London , 29 (338): 5-45; véase especialmente la página 32. Disponible en línea en: Hathi Trust
Roger Cotes con Robert Smith, ed., Harmonia mensurarum ... (Cambridge, Inglaterra: 1722), capítulo: "Logometria", p. 28.
https://nrich.maths.org/1384
^ de John Stillwell (2002). Matemáticas y su historia. Springer. ISBN9781441960528.
^ Leonhard Euler (1748) Capítulo 8: Sobre las cantidades trascendentes que surgen del círculo de Introducción al análisis del infinito , página 214, sección 138 (traducción de Ian Bruce, enlace pdf de 17 century maths).
^ Conway y Guy, págs. 254-255
^ Bernoulli, Johann (1702). "Solution d'un problème concernant le calcul intégral, avec quelques abrégés par rapport à ce calcul" [Solución de un problema de cálculo integral con algunas notas relativas a este cálculo]. Mémoires de l'Académie Royale des Sciences de París . 1702 : 289–297.
^ user02138 (https://math.stackexchange.com/users/2720/user02138), ¿Cómo demostrar la fórmula de Euler: $e^{i\varphi}=\cos(\varphi) +i\sin(\varphi)$?, URL (versión: 2018-06-25): https://math.stackexchange.com/q/8612
^ Ricardo, Henry J. (23 de marzo de 2016). Una introducción moderna a las ecuaciones diferenciales. Elsevier Science. pág. 428. ISBN9780123859136.
^ Strang, Gilbert (1991). Cálculo. Wellesley-Cambridge. pág. 389. ISBN0-9614088-2-0.Segunda prueba en la página.
^ "Sinusoides complejos". ccrma.stanford.edu . Consultado el 10 de septiembre de 2024 .
↑ Hartl, Michael (14 de marzo de 2019) [14 de marzo de 2010]. «El Manifiesto Tau». Archivado desde el original el 28 de junio de 2019. Consultado el 14 de septiembre de 2013 .
Lectura adicional
Nahin, Paul J. (2006). La fabulosa fórmula del Dr. Euler: cura muchos males matemáticos . Princeton University Press. ISBN 978-0-691-11822-2.
Wilson, Robin (2018). La ecuación pionera de Euler: el teorema más bello de las matemáticas . Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-879492-9.Sr. 3791469 .