오일러의 공식

Euler's formula.

1 개요

인간이 발견한 가장 아름다운 공식

1768년에 출판된 오일러의 책 《Introduction》에 수록된 것으로, 다음과 같은 내용이다.

실수 [math] x [/math]에 대해 다음이 성립한다.

[math] e^{ix}= \cos x + i \sin x [/math]

[math]e[/math]자연상수, [math]i[/math]허수단위.

[math] x [/math][math] \pi [/math]를 대입하면 오일러의 등식을 얻을 수 있다.

2 증명

증명은 테일러 급수[1], 미분 계산[2], 미적분, 미분방정식[3], 복소평면과 함수의 극한[4] 등을 이용해서 할 수 있다.

간단한 예를 들면 양쪽을 함수로 보고 미분하되, 미분한 결과를 테일러 급수으로 나타내서 비교하는 걸로 끝. 대부분은 3차항까지 전개하기 전에 규칙을 깨달을 것이다. 모르겠으면 이항정리를 다시 볼 것. [math] \cos{} [/math][math] x [/math]축의 실수, [math] \sin [/math][math] y [/math]축의 허수로 보면 복소평면과 관련된 공식들을 이해하기 쉬위진다.[5]

사실 증명이라고 하지만 미적분을 이용해서 복소수 지수를 정의하는 것에 가깝다.[6]

3 의의

이 식이 출현하기 전엔 애초에 실수와 순허수는 서로 계산 불가능했으며[7], 자연상수는 지수함수 계산에, 원주율은 삼각함수 계산에 쓰던, 각기 독자적으로 발견, 개발되고 서로 고유의 영역을 이루고 있어서 여간해선 만날 일 없던 수들이었다. 이 식이 출현하고 나서, 실수와 순허수는 복소평면이라는 공간에서 서로 만나게 되었으며, 초월함수인 지수함수와 삼각함수가 복소평면 상에서 결국 동일한 현상이었다는 것을 밝혔다.

비유한다면, FPSRTSMMORPG가 진화를 거듭한 끝에 결국 하나의 장르로 통합되어 완성된 걸 보고 있는 느낌이라고 할 수 있을 듯.

4 유용성

4.1 전기, 전자공학

전기공학이나 전자공학에서 이 식이 없었다면, 모든 전기, 전자분야가 이 정도로 발전하긴 힘들었을지도 모른다.[8]전자기학 자체가 이 등식처럼 전기와 자기를 결합하는 이론이기 때문인데, 간단히 말하자면 주파수에 관련하여 [math] e^{-j\omega t} [/math] 형태의 서술이 꼭 필요하다.[9]

이해하기 힘든 위키러를 위해 교과서의 간단한(...) 설명을 첨부하자면 다음과 같다:

[math] v \left( t \right) = \text{Re}\left(Ve^{j\omega t}\right) , V=V_{m} e^{j\phi} = V_{m} \angle{\phi} [/math]

즉 진폭과 진동수를 가지고 진동하는 모든 것들은 저런 허수 지수표현을 통해 미분이고 적분이고 지지고 볶고 계산한 후, 이후 실수파트가 필요할 경우 [math]\text{Re}\left[\right][/math]를 씌워 실수부를 취하는 것이다.

4.2 수학

이 식을 이용하면 [math] x^n = m [/math] ([math] n [/math]은 자연수, [math] m [/math]은 정수)의 [math] n [/math]개의 복소수 해가 복소평면에서 정[math] n [/math]각형을 이룬다는 걸 보이거나 [math] x^3 = \pm 1 [/math]의 복소수근에 관한 문제를 인수분해 없이 풀 수 있다.[10] 이 방법은 [math] x^n = \pm 1 [/math]의 복소수근을 구하는 데에도 그대로 사용될 수 있다.

또한 이식을 이용하면 [math] e^x [/math] (x는 순허수)의 절댓값은 항상 1이라는 것도 알 수 있다 (복소평면에서의 단위벡터)

5 참조

오일러의 공식 위키백과

6 기타

위상수학에서는 구외 위상적으로 같은 입체도형에 대해 면의 수 [math]f[/math], 변의 수 [math]e[/math], 꼭지점의 수 [math]v[/math]에 대하여 [math]v-e+f=2[/math]라는 오일러의 공식이 있다. 참고로 오일러의 정리, 오일러 방정식와는 다른 것이다.
  1. [math] e^x [/math]의 전개식에 [math] x := ix [/math]를 넣으면 기적처럼 [math]i \sin{ x }[/math]의 전개식과 [math] \cos{ x } [/math]의 전개식이 등장한다.
  2. [math] e^{ ix } [/math]를 네 번 미분하면 자기 자신으로 돌아오는데 이때 이런 함수는 [math]\sin{ x }, \cos{ x } [/math]가 대표적. 그러므로 이를 선형결합시키고 상수를 계산하면 공식이 등장한다.
  3. [math] f \left( x \right)=\cos x+i\sin x [/math] 으로 하면 [math] f \left( x \right) = -if' \left( x \right) [/math]이므로 미분방정식을 풀면 [math]f \left( x \right) = e^{ ix } [/math]이다.
  4. 네이버 캐스트 오일러의 공식참고
  5. 대표적으로 두 복소수의 편각의 합이 두 복소수의 곱의 편각과 같다든가.. (이 경우 삼각함수의 덧셈정리로 증명할 수 있다.)
  6. 고등학생때 지수를 '유리지수'와 '실지수'로 확장시켰듯이.
  7. 고등학교 1학년 수학에서 복소수 단원을 상기해보자. 복소수는 a+bi이며 a와 b는 실수라고 정의하고 있었다. 복소수끼리 덧셈과 뺄셈을 할 경우엔 실수부와 허수부끼리만 놀았으며 곱셉은 [math] i^2 = -1 [/math]을 이용하여, 나눗셈은 분모의 허수부를 곱셈공식으로 없애는 식이었다. 즉 실수와 순허수는 아예 따로 노는 놈들이었다.
  8. 무선통신은 이 식 없이는 설명이 거의 불가능 하다..
  9. [math] \omega [/math]는 각주파수, [math] j [/math]는 복소수 단위. 이런 위상에 따른 표현은 전기나 전자를 공부하거나, 혹은 진동에 대해서 공부한다면 phasor라는 형태로 매 강의마다 당연히 보게된다.그리고 전기 전자와는 거리가 먼 수학을 공부하는 학생들도 자주 보게되겠지. 예제로
  10. 이 방정식 자체는 고등학교 수준이지만, 고등학교 과정에서 이 방정식의 해를 완전히 구하려면 결국 인수분해와 이차방정식의 근의 공식을 이용해야 한다. 또는 문제에 따라서는 해를 완전히 구하지 않고 해의 성질들을 이용하기도 한다. 그런데, 이 문서의 내용을 알고 삼각함수에 조금 익숙하다면, [math] x^3 = \pm 1 [/math]의 복소수근에 관한 문제를 머릿속으로 풀어 버린 뒤 바로 답을 적어 버리는 것이 가능하다. 조금 예를 들면 [math] x^3 = \pm 1 [/math]을 읽자마자 바로 이 방정식의 세 근을 완전하게 적어 내려갈 수 있다든지.하지만 수능에 단련된 우리의 암기뇌라면 이 정도의 간단한 식은 인수분해와 근의 공식을 이용하더라도 암산(?)하여 바로 근을 적을 수 있다. 고딩 때 많이 봤잖아요?