欧拉公式,复数域的成人礼

欧拉公式,犹如一首诗,道尽数学的美好。

之前在“复数,通往真理的最短路径”中说过,复数域其实就是二维的数域,提供了更高维度的、更抽象的视角。本文来看看,我们是怎么从实数域扩展到复数域的。

大家可能觉得这个扩展并不复杂,也就是两个任意实数,外加虚数,把它们结合在一起,就完成了:

但数域的扩张从来没有这么简单,就好像夫妻生下小孩只是个开始,困难的是之后的抚养、教育:

复数域的扩张充满崎岖。正如欧拉的老师对他的赞扬:

我介绍数学分析的时候,它还是个孩子,而你正在将它带大成人。
----约翰·伯努利

这句话虽然是说微积分(数学分析)的,但用在复数域上也不违和。欧拉的欧拉公式正是“复数域”的成人礼:

1 数域扩张的历史

来看看之前的数域是怎么扩张的吧。每次想到数域的扩张,我都有种大爆炸的画面感,宇宙从一个奇点爆炸中产生:

1.1 自然数到整数

数学刚开始也是一片空白:

0的出现就是数学的奇点:

根据皮亚诺定理(可以参考为什么1+1=2?)“爆炸”出了自然数域(可以参考自然数是否包含0?):

很显然上面的图像是不对称的,哪怕出于美学考虑,人们都有冲动把左边补齐,增加负数,这样就得到了整数域:

添加负数之后,有一个问题就出现了:

我们知道是对的缩写,并且容易推出如下计算规则:

我们添加负数之后,希望这个规则依然适用,即:

更一般的有:

并且还惊喜地发掘出负数次方的意义,如果说正数次方是对乘法的缩写,那么负数次方(正数的相反数)是对除法(乘法的逆运算)的缩写:

1.2 整数到实数

很显然整数之间还有很多空隙,我们可以用有理数(rational number,翻译为“可比数”更合理):

来填满这些空隙(示意图):

还有空隙,最终用无理数(irrational number,“不可比数”)来填满这些缝隙,得到实数轴:

自然会有这么一个问题:

是无理数,上面这个问题需要用极限来回答,这里不再赘述,只是可以看出实数域的扩张也是很艰难的。

2 复数基础

往下面讲之前,稍微复习下复数的一些基础知识。

2.1 复数的运算规则

复数的运算规则并非凭空捏造的。开头提到的文章“复数,通往真理的最短路径”说过,形如:

的三次方程,卡尔丹诺在《大术》这本书中给出了通解:

如果,可以得到方程:

从图像上看,有三个交点的: