O důležitosti exponenciální funkce

V minulém článku jsme viděli, jak lze vyjádřit Eulerovo číslo pomocí limity a nekonečné řady. Zobecněním tohoto vztahu získáme definiční vztah pro (přirozenou) exponenciální funkci:
(Vykřičník za číslem označuje faktoriál z tohoto čísla, platí : N!= N·(N-1)·(N-2)···3·2·1, 0!=1.) Tento definiční vztah exponenciální funkce je možná poněkud složitý, ale jeho vyšší obecnost nám dovoluje z tohoto vztahu získat vztahy pro další základní matematické funkce, jejichž spojitost s exponenciální funkcí není na první pohled zřejmá: Jedná se především o funkce sinus a cosinus.

Než se do toho pustíme, je nutné vysvětlit, alespoň pár základních pojmů z teorie komplexních čísel. Reálná čísla, se kterými se setkáváme v běžném životě, dokáží přesně vyjádřit jakékoliv množství či délku. Existují ovšem případy, kdy tato čísla přestávají  stačit - existují rovnice s reálnými koeficienty, které nemají v oboru reálných čísel řešení. Příkladem je rovnice
Proto byly zavedeny tzv. komplexní čísla, aby byl problém chybějících kořenů algebraických rovnic vyřešen. Základem je myšlenka vhodně zadefinovat odmocninu z -1 a korektně zadefinovat principy početních operací.

Definujme tzv. imaginární jednotku i takto:
Poznamenejme pak, že obecný tvar komplexního čísla je a+bi, kde i je imaginární jednotka; další info třeba na wikipedii. Nyní se již můžeme pustit do prvního rázného kroku. Zkusme do definičního vzorce pro exponenciální funkci dosadit za x výraz ix:
Tedy získali jsme vyjádření v podobě součtu dvou sum. Otázkou je, co se skrývá za těmito sumacemi?  Lze dokázat, že se jedná o velmi známé funkce cosinus a sinus; můžeme si to ověřit konstrukcí grafů funkcí
na intervalu [-2π;2π]:
Je tedy vidět, že platí následující vztahy
První dva vzorce se často používají pro definici funkcí sinus a cosinus. Pomocí těchto vzorců počítají tyto funkce i kalkulačky. Poslední vztah se nazývá Eulerův vzorec. Podle mnohých vědců se jedná o nejpozoruhodnější matematický vzorec, neboť vyjadřuje těsnou vazbu mezi exponenciálními a goniometrickými funkcemi a ilustruje tak důvod, proč bývá exponenciální funkce považována za nejdůležitější matematickou funkci vůbec. O hlubších důsledcích Eulerova vzorce někdy příště.

Zdroje a další informace:
Exponential_function, Euler_formula.

Linkuj! Přidej do záložek na Jagg! pošli na vybrali.sme.sk Návštěvní kniha