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为什么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+iy(x,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x,y写为

x=rcosθ,y=rsinθ,(-π<θ≤π).

这样,复数z又可表示为

z=r(cosθ+isinθ)=reiθ,

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定义复数的幂zα了。如果α=n是自然数,zn就是n个z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α,zα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。

【发散思维】你还能举出欧拉公式的其他应用吗?

【本文关键词】欧拉公式 复指数