¿Cuáles son las relaciones entre [matemáticas] \ cos {x} [/ matemáticas], [matemáticas] \ sin {x} [/ matemáticas] y [matemáticas] e ^ x [/ matemáticas]?

Dado que la fórmula de Euler implica números imaginarios , también podemos extenderlo de x real a complejo z = x + iy, y describir funciones complejas w (z) = u + iv:

[matemáticas] cos z = {(e ^ {iz} + e ^ {- iz})} / 2 [/ matemáticas]

[matemáticas] sin z = {(e ^ {iz} – e ^ {- iz})} / {2i} [/ matemáticas]

Ahora describamos las funciones w = w (z), múltiples objetos en el espacio complejo (z, w), como múltiples (“superficies reales”) en el espacio (x, y, u, v).

La exponencial [matemática] w = e ^ {iz} [/ matemática] se ve así ( editar : aparte de una rotación de coordenadas iz => z, la función que se muestra es la exponencial [ normal ] [matemática] e ^ z [/ matemática ])

Es periódica a lo largo del eje imaginario, y tiene una asíntota w = 0 para valores negativos de x (como la curva real), y una media cuchilla helicoidal con aspecto exponencial para x positivo.

Las funciones goniométricas son combinaciones (suma o diferencia) de un exponencial y su inverso. Se ven así (por ejemplo, coseno):

Como podría esperarse, las asíntotas han desaparecido ya que son absorbidas por la “cuchilla” de la función inversa, lo que resulta en múltiples de doble cuchilla , en cuya separación aparece la curva periódica del coseno.

Inversamente, el exponencial se obtiene como una combinación de coseno y seno, algunas partes de sus cuchillas se refuerzan entre sí hacia una sola cuchilla , otras partes se cancelan entre sí hacia la asíntota .

Pero como puede ver, ¡hay más relaciones involucradas de las que la pregunta pide! De hecho, también las curvas hiperbólicas aparecen en estos múltiples. Las funciones hiperbólicas, vistas como múltiples, son solo orientaciones diferentes de sus contrapartes goniométricas.

La relación entre cos y pecado es:

[matemáticas] \ cos ^ 2 x + \ sin ^ 2 x = 1 [/ matemáticas],

que puede reescribirse como

[matemáticas] \ cos x = \ pm \ sqrt {1- \ sen ^ 2 x} [/ matemáticas] y [matemáticas] \ sen x = \ pm \ sqrt {1- \ cos ^ 2 x} [/ matemáticas].

Una relación obvia entre las funciones trigonométricas sin, cos y la función exponencial solo existe con números complejos:

[matemáticas] e ^ {ix} = \ cos x + i \ sin x [/ matemáticas]

o [matemáticas] \ sen x = {1 \ más de 2} (e ^ {ix} -e ^ {- ix}) [/ matemáticas] y [matemáticas] \ cos x = {1 \ más de 2} (e ^ { ix} + e ^ {- ix}) [/ math].

Las otras respuestas son buenas, por lo que daré una opinión ligeramente diferente. Si está familiarizado con una representación de funciones de la serie de potencia, puede obtener una idea de esto.

Cualquier función continua puede ser representada por un polinomio. Por ejemplo, [matemáticas] e ^ x = 1/0! x ^ 0 + 1/1! x ^ 1 + 1/2! x ^ 2 +… e ^ {ix} = 1/0! (ix) ^ 0 + 1/1! (ix) ^ 1 + 1/2! (ix) ^ 2 + 1/3! (ix) ^ 3 + 1/4! (ix) ^ 4 +… = 1 + ix-1/2! x ^ 2-1 / 3! ix ^ 3 + 1/4! x ^ 4 +… [/ matemáticas]

Ahora separe la ecuación en las piezas multiplicadas por $ i $ y las que no se multiplican por [math] i [/ math]:

[matemáticas] e ^ {ix} = (1 – 1/2! x ^ 2 + 1/4! x ^ 4 – 1/6! x ^ 6 +…) + i (x-1/3! x ^ 3 +1/5! X ^ 5 -1/7! X ^ 7 +…) [/ matemáticas]

La primera y la segunda agrupación entre paréntesis son, de hecho, las series de potencia para [math] \ cos x [/ math] y [math] \ sin x [/ math], por lo tanto, como han dicho otros

[math] e ^ {ix} = \ cos x + i \ sin x [/ math]!, donde esta vez el signo de exclamación no significa factorial.

Es la relación que nos permite tomar la exponencial de los números complejos.

[matemáticas] e ^ {a + bi} = e ^ ae ^ {bi} = e ^ a (\ cos b + i \ sin b) [/ math]

Significa que cada número complejo es en realidad un radio ([matemática] r \ equiv e ^ a [/ matemática]) y una fase ([matemática] \ theta \ equiv b [/ matemática])

Esta imagen está tomada de la página de Wikipedia sobre fasores.

Además, el logaritmo tiene una relación con el módulo (r) y la fase (θ):

[matemáticas] \ ln (re ^ {i \ theta}) = \ ln r + i \ theta [/ matemáticas]

Si tiene un logaritmo y una función exponencial, puede tomar un logaritmo complejo:

[matemáticas] x ^ y = e ^ {y \ ln x} [/ matemáticas]

[matemáticas] e ^ {\ sqrt {-1} x} = \ cos x + i sen x [/ matemáticas]

Números complejos Fórmula de Euler para JEE Main & Advanced 2018 ANS ACADEMY

¡Aquí hay una explicación en video completa de esto!

La relación es, por supuesto, la fórmula de Euler:

[matemáticas] (e ^ x) ^ i = \ cos x + i \ sin x [/ matemáticas]

La potencia [matemática] i [/ matemática] no es inicialmente intuitiva, pero esto ayuda: La aproximación para la pequeña real [matemática] y [/ matemática], [matemática] | y | \ ll 1, [/ matemática] es

[matemáticas] e ^ y \ aprox 1 + y [/ matemáticas]

Si creemos que la misma aproximación se cumple para pequeños exponentes imaginarios, obtenemos para pequeños [math] y [/ math],

[matemáticas] e ^ {iy} \ aprox 1 + iy [/ matemáticas]

[matemática] 1 + iy [/ matemática] es una astilla de un ángulo justo arriba de [matemática] 1 + 0i. [/ matemática] La aproximación nos dice que [matemática] e ^ {iy} [/ matemática] está aproximadamente en la unidad circulo; de hecho resulta estar exactamente en el círculo unitario:

[matemáticas] | e ^ {iy} | = 1 [/ matemáticas]

El ángulo de [matemática] 1 + iy [/ matemática] es [matemática] \ arctan \ frac y 1 [/ matemática] [matemática] \ aprox y. [/ Matemática] De nuevo, el análisis posterior muestra esta aproximación al ángulo de [matemática ] e ^ {iy} [/ math] para ser igualdad. Entonces tenemos

[matemáticas] \ ángulo e ^ {iy} = y [/ matemáticas]

Hemos llegado a ver (al menos aproximadamente) por qué para los pequeños [matemática] y [/ matemática], [matemática] e ^ {iy} [/ matemática] está en el círculo unitario en ángulo [matemática] y. [/ Matemática ]

Cuando multiplicamos números complejos multiplicamos sus magnitudes y sumamos sus ángulos. Entonces, elevar un número complejo a una potencia significa multiplicar el ángulo por la potencia. Cuando elevamos [math] e ^ {iy} [/ math] a la potencia [math] \ frac xy [/ math] terminamos en el ángulo [math] y \ cdot \ frac xy = x. [/ Math]

[math] (e ^ {iy}) ^ {\ frac xy} = e ^ {ix} [/ math] está en el círculo unitario en ángulo [math] x [/ math], por lo que debemos tener

[matemáticas] e ^ {ix} = \ cos x + i \ sin x [/ matemáticas]

Por lo tanto, la relación entre [matemáticas] e ^ x, \ cos x [/ matemáticas] y [matemáticas] \ sen x [/ matemáticas] es

[matemáticas] (e ^ x) ^ i = \ cos x + i \ sin x [/ matemáticas]