尤拉公式(Euler's formula)用於解
/ OY-ler /
當特徵方程拋出複根時,你會暫時拿到一個像 e^((1 + 2i)x) 的解,一個完全合格的函數,卻寫著虛指數,難以想像,當然也不是物理問題所要求的實值答案。尤拉公式正是把這些虛指數變回老實的餘弦與正弦的橋樑。
公式是 e^(i theta) = cos(theta) + i sin(theta)。它說:把 e 升到虛數次方,會產生單位圓上的一點,實部是餘弦,虛部是正弦。對常微分方程,我們把它用在共軛根 alpha ± beta i 上。寫 e^((alpha + beta i)x) = e^(alpha x) e^(i beta x) = e^(alpha x)(cos(beta x) + i sin(beta x))。實部 e^(alpha x) cos(beta x) 與虛部 e^(alpha x) sin(beta x) 本身都是(實)方程的實解,這一事實有保證,因為係數是實的,所以一個複解的實部與虛部必各自滿足方程。那兩個實函數,就是我們真正回報的答案。
尤拉公式正是指數與振盪實為同一事物之化身的祕密原因。衰減的彈簧(衰減包絡下的 cos 與 sin)與衰減的指數,都是 e^(r x) 在不同 r 下的特例,實 r 給衰減,虛 r 給振盪,複 r 一次給兩者。正是這種統一,使單一的指數猜測 y = e^(r x) 足以解出每一個常係數線性方程:公式悄悄把複數情形轉回你能畫出的三角函數。
由根 -1 + 2i:e^((-1+2i)x) = e^(-x)(cos 2x + i sin 2x)。實部 e^(-x) cos 2x 與虛部 e^(-x) sin 2x 是兩個實解。在公式中令 theta = pi,也得出著名的 e^(i pi) + 1 = 0。
尤拉公式把一個複指數解拆成它的實餘弦與正弦部分。
這種拆成實部與虛部解的做法,唯有因為常微分方程具實係數才成立。對複係數方程,一個解的實部與虛部未必各自滿足方程,cos/sin 化簡可能失效。