8 votos

¿Es correcta esta demostración de la fórmula de Euler?

Dejemos que $$y=\cos \phi+i\sin \phi \tag{1}$$

Diferenciando ambos lados de la ecuación (1) con respecto a $\phi$ obtenemos,

$$\begin{align} \frac{dy}{d\phi} &=-\sin \phi+i\cos \phi \\ &=i(\cos \phi-\frac{1}{i}\sin \phi) \\ &=i(\cos\phi+i\sin \phi) \\ &=iy \\ \implies\frac{1}{y}dy &=i\;d\phi \tag{2} \end{align}$$

Integrando ambos lados de la ecuación (2), obtenemos,

$$\begin{align} \int\frac{1}{y}dy&=\int i\;d\phi \\ \implies \ln(y)&=i\phi+c \tag{3} \end{align}$$

Sustituyendo $\phi=0$ en la ecuación (1), obtenemos,

$$y=\cos 0+i\sin 0 \implies y=1 \tag{4}$$

Sustituyendo $\phi=0$ y $y=1$ en la ecuación (3) obtenemos,

$$\ln(1)=c \implies c=0 \tag{5}$$

Sustituyendo $c=0$ en la ecuación (3) obtenemos,

$$\begin{align} \ln(y)&=i\phi \tag{6}\\ \implies e^{i\phi}&=y \tag{7}\\ \therefore e^{i\phi}&=\cos \phi+i\sin \phi \tag{8} \end{align}$$

Encontré esta prueba en un libro. Creo que hay un problema. En $(3)$ y $(6)$ no debería $\ln(y)$ sea $\ln|y|$ en su lugar? O es que, para los números complejos, no tomamos el valor absoluto del número dentro del $\ln$ ?

4voto

Paramanand Singh Puntos 13338

Su prueba es correcta, pero hay algunas suposiciones ocultas que su libro convenientemente no ha mencionado.

En particular, el supuesto clave es la definición del símbolo $e^{iy} $ para $y\in\mathbb{R} $ o, de forma equivalente, la definición de $\log z$ para $z\in\mathbb{C} $ .

Un enfoque es definir $e^z, z\in\mathbb{C} $ a través del límite $$e^z=\lim_{n\to\infty} \left(1+\frac{z}{n}\right)^n\tag{1}$$ o a través de la serie $$e^z=1+z+\frac{z^2}{2!}+\frac{z^3}{3!}+\dots\tag{2}$$ Utilizando cualquiera de las definiciones anteriores se puede demostrar fácilmente que $e^{iy} =\cos y+i\sin y$ . En particular, la definición de serie se puede utilizar con la prueba que has proporcionado. Utilizando la definición de serie se puede demostrar que si $f(y) =e^{iy} $ entonces $f'(y) =if(y) $ y luego podemos utilizar la función $$g(y) =f(y) (\cos y-i\sin y) $$ para establecer $g'(y) =0$ para que $g$ es constante. Así, $g(y) =g(0)=1$ y $f(y) =\cos y+i\sin y$ .

La prueba utilizando la definición de límite $(1)$ es más interesante y puede tener un Míralo . Ambos enfoques evitan por completo las integrales.

1voto

ukemi Puntos 103

Nótese que las integrales indefinidas definidas algebraicamente tratan con cantidades complejas. Sin embargo, muchos libros de texto de cálculo elemental escriben fórmulas como

$$\int \frac{dx}{x} = \ln{|x|} \:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\: (4)$$

(donde la notación $x$ se utiliza para indicar que $x$ se supone que es un número real) en lugar de la versión de la variable compleja

$$\int \frac{dz}{z} = \ln{z} \:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\: (5)$$

donde z es genéricamente un número complejo (pero también vale para los reales $z$ ).

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