MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第5章 その67【オイラーの公式②】

MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第5章 その67【オイラーの公式②】 数値計算
MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第5章 その67【オイラーの公式②】

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はじめに

前回からオイラーの公式に突入。
各種マクローリン展開の復習と
指数関数へ複素数を入れた場合のマクローリン展開。

登場人物

博識フクロウのフクさん

指差しフクロウ

イラストACにて公開の「kino_k」さんのイラストを使用しています。
https://www.ac-illust.com/main/profile.php?id=iKciwKA9&area=1

エンジニア歴8年の太郎くん

技術者太郎

イラストACにて公開の「しのみ」さんのイラストを使用しています。
https://www.ac-illust.com/main/profile.php?id=uCKphAW2&area=1

【再掲】複素フーリエ級数に至る道

太郎くん
太郎くん

まずは複素フーリエ級数に至る道を再掲。

  • テイラー級数
  • マクローリン級数
  • 指数関数のマクローリン展開
  • cos(x)のマクローリン展開
  • sin(x)のマクローリン展開
  • オイラーの公式
  • 複素フーリエ級数
フクさん
フクさん

今回は、オイラーの公式に向けての話の続き。

【再掲】指数関数のcos関数、sin関数のマクローリン展開

フクさん
フクさん

まずは、指数関数、cos関数、sin関数のマクローリン展開を再掲しよう。

指数関数のマクローリン展開

\(
\begin{eqnarray}
\displaystyle f(x)&=&f(0)+\frac{f^\prime(0)}{1!}x+\frac{f^\prime\prime(0)}{2!}x^2+\dots\\
\displaystyle &=&f(0)+\sum_{n=1}^\infty\frac{f^n(0)}{n!}x^n\\
\displaystyle e^x&=&1+x+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!}+\dots\\
\displaystyle &=& \sum_{n=0}^\infty\frac{x^n}{n!}
\end{eqnarray}
\)

\(\cos(x)\)のマクローリン展開

\(
\begin{eqnarray}
\displaystyle f(x)&=&f(0)+\frac{f^\prime(0)}{1!}x+\frac{f^\prime\prime(0)}{2!}x^2+\dots\\
\displaystyle &=&f(0)+\sum_{n=1}^\infty\frac{f^n(0)}{n!}x^n\\
\displaystyle \cos(x)&=&1-x+\frac{x^2}{2!}-\frac{x^4}{4!}+\frac{x^6}{6!}+\dots\\
\displaystyle &=& \sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n x^{2n}}{(2n)!}
\end{eqnarray}
\)

\(\sin(x)\)のマクローリン展開

\(
\begin{eqnarray}
\displaystyle f(x)&=&f(0)+\frac{f^\prime(0)}{1!}x+\frac{f^\prime\prime(0)}{2!}x^2+\dots\\
\displaystyle &=&f(0)+\sum_{n=1}^\infty\frac{f^n(0)}{n!}x^n\\
\displaystyle \sin(x)&=&x-\frac{x^3}{3!}+\frac{x^5}{5!}-\frac{x^7}{7!}+\dots\\
\displaystyle &=& \sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!}
\end{eqnarray}
\)

太郎くん
太郎くん

ここまではやった感じだね。

指数関数のマクローリン展開に複素数を入れる

フクさん
フクさん

ここで複素指数関数\(e^{ix}\)のマクローリン展開を示す。

太郎くん
太郎くん

え゛。
複素指数関数のマクローリン展開なんてやってない!

フクさん
フクさん

通常のマクローリン展開の\(x\)を\(ix\)に変えるだけだよ。
こんな感じ。

\(
\displaystyle e^{ix}={1+ix+\frac{(ix)^2}{2!}+\frac{(ix)^3}{3!}+\frac{(ix)^4}{4!}+\frac{(ix)^5}{5!}+\dots}
\)

太郎くん
太郎くん

なんだ。それだけか。

太郎くん
太郎くん

(でも魔境は魔境なんだよなぁ・・・。)

フクさん
フクさん

あとは、これを変形していくと・・・。

まとめ

フクさん
フクさん

まとめだよ。

  • 各種マクローリン展開を再掲。
    • 指数関数、cos関数、sin関数。
  • 指数関数のマクローリン展開に複素数を入れてみる。
    • xをixにするだけ。

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