三角函数求和,其繁杂的计算量让人望而止步,而欧拉公式的提出,使三角函数与复指数函数有了关联,从而可以将对三角函数的运算转化为复指数函数的运算,大大减少计算量。
一、三角函数简单求和
例1.求 cos(kθ)+i sin(kθ)。
分析:这是个可以化成复指数函数的典型问题,我们知道欧拉公式为
eiθ=cosθ+isinθ
分别令θ为θ和-θ,从而得到三角函数由复指数函数的表达式:
cosθ=
sinθ=
于是将上式化为 ei(kθ)为关键。
解:原式= ei(kθ)=eiθ+ei(2θ)+…+ei(nθ)
由求和公式,原式= =eiθ[ ]
再将复指数函数由三角函数表示得
原式=eiθe
=e
二、构造欧拉公式求和
例2.求证 sin(x+ky)=
cos(x+ky)= ≠0。
分析:此题的关键是构造与欧拉公式相同的形式,将三角函数与复指数函数联系起来,再由欧拉公式进行转换。
解:记A= cos(x+ky) B= sin(x+ky)
A+iB= cos(x+ky)+i sin(x+ky)
= ei(x+ky)=eix eiky=eix(1+eiy+ei(2y)+…+ei(ny))
=eix =eix
=[cos(x+ y)+isin(x+ y)]・
则我们取A+iB的实部,便是 cos(x+ky)的和,取A+iB的虚部,便是 sin(x+ky)的和,从而我们可以得证
cos(x+ky)=
sin(x+ky)=
三、复杂三角函数求和
例3.求和 Cnkcos(kx+a)及 Cnksin(kx+a)。
分析:这题在例2的基础上,与组合数学结合,我们可以在构造欧拉公式的基础上与二项式定理相联系。
记C= Cnkcos(kx+a) S= Cnksin(kx+a)。
则C+iS= Cnkcos(kx+a)+i Cnksin(kx+a)。
= Cnkei(kx+a)=eia Cnk(eix)k
=eia(eix+1)n=eia[e (e +e )]n
=eia・e ・(2cos )n
=2n・cosn ・e
所以C=Re(2n・cosn ・e )=2n・cosn ・cos(a+ )
S=Im(2n・cosn ・e )=2n・cosn ・sin(a+ )
从而 Cnkcos(kx+a)=2n・cosn ・cos(a+ )
Cnksin(kx+a)=2n・cosn ・sin(a+ )
从上面的三道例题,我们可以看出,三角函数求和问题的关键是将所求的三角函数转化为复指数函数,而转化的关键就是欧拉公式的运用与转换,构造出三角函数的实部与虚部也是解题的关键。欧拉公式在求三角函数和的应用上大大提高了计算效率、减少了计算量。
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