指数域(指数函数的定义域和值域)
指数函数的定义一般将函数(a为常数且a>0,a≠1)称为指数函数,函数的定义域为r 。
常见指数函数的底数(e为自然常数,即等于),即 。
公式中的自变量是一个实数 。后来数学家把自变量的范围扩展到复数域,指数函数变成了,这里的自变量是复数 。在当时,这就是著名的欧拉恒等式 。
那么,当自变量是一个矩阵时会发生什么呢?
它是指数矩阵的指数函数 。它是如何产生的?让我们假设有这样一组参数微分方程:
不难找到一组特解是圆的方程组:
上述微分方程以矩阵形式表示如下:
也就是
在哪个矩阵中
该等式进一步表示为
将其视为一个变量,用分离变量法求解微分方程得到
也就是
就这样 。
也就是
引入值后,它就变成了
我们得到一个非常简洁的指数函数,它的指数是一个矩阵!
如何理解指数是矩阵的指数函数?
通常理解为,可以理解为,。如果指数不是整数而是有理数,指数可以表示为分数 。如果指数是非理性的,如何理解?
这时,我们需要使用泰勒级数作为超级数学工具:
这个级数也适用于复数,也就是说
如果这个公式的指数扩展到矩阵,你应该得到
在公式中,它被表示为矩阵的乘积 。当它为零时,它是单位矩阵 。
让我们根据扩展到矩阵指数的泰勒技术来计算时间值 。带入公式中得到
计算以下值,并将其带入上述公式:
在…之中
...
得到
将各项矩阵相加,进一步获得
我们发现上式右边的2×2矩阵正好对应正弦和余弦的泰勒公式:
这样,我们可以推断
制造,然后得到 。
也就是
这个公式等同于欧拉恒等式
完全对称:
单位矩阵,对应实数或复数域;
矩阵对应于虚数单位 。因为,我们发现,那就是;
如果是,那么(矩阵的平方是负单位矩阵!!!),矩阵是一个虚拟的单位矩阵 。然后我们得到矩阵场的一个非常优美的欧拉恒等式:
此外,和具有相似的属性:
同样,作为参考,我们可以从上一条中得出结论:
修改矩阵场的欧拉公式:
因为:
,
在这里,我们不得不惊叹数学的完美!!!
用GeoGebra验证矩阵指数的泰勒公式,结果是正确的:
我们试图找出以下各项的价值:
氪001
再次检查时,由泰勒公式计算的值:
由上面刚刚导出的欧拉公式计算的值:
【指数函数的定义域和值域 指数函数定义域】
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