幂级数与三角函数

问题提出

前几节课,我们从几何级数出发,推导了反正切函数的幂级数展开,并由此得到了莱布尼茨级数——一个用纯整数表示 π\pi 的公式。

今天,我要带大家走得更远。

我走进教室,在黑板上写了两个式子:

sin⁡x=x−x36+x5120−x75040+⋯\sin x = x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} - \frac{x^7}{5040} + \cdots

cos⁡x=1−x22+x424−x6720+⋯\cos x = 1 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} - \frac{x^6}{720} + \cdots

同学们,请看这两个式子。左边是我们熟悉的三角函数 sin⁡x\sin x 和 cos⁡x\cos x——它们来自圆,描述的是圆上点的坐标随角度变化的关系。右边是一串多项式——只包含 xx 的幂次和常数。

这意味着什么?它意味着我们可以不用圆、不用角度,仅用多项式来计算 sin⁡\sin 和 cos⁡\cos 的值!

贝塔的眼睛亮了:

等一下……sin⁡\sin 和 cos⁡\cos 的所有信息都藏在这些多项式里?

不只是信息。让我再写一个式子——

我在黑板上写下一个看起来”不可能”的等式:

eix=cos⁡x+isin⁡xe^{ix} = \cos x + i\sin x

这叫欧拉公式。它把指数函数、三角函数和虚数 ii 联系在了一起。而理解它的关键,正是 sin⁡x\sin x 和 cos⁡x\cos x 的幂级数展开。

我在黑板上写下今天的核心问题:

  1. sin⁡x\sin x 和 cos⁡x\cos x 的幂级数展开是怎么推导出来的?
  2. 如何用幂级数理解三角函数与圆的深层联系?
  3. 欧拉公式 eix=cos⁡x+isin⁡xe^{ix} = \cos x + i\sin x 从幂级数的角度如何理解?

观察与猜想

第一步:从泰勒展开的思想说起

回忆一下,我们之前怎么得到 arctan⁡x\arctan x 的级数展开的?

伽玛回答:

先找到它的导数 11+x2\dfrac{1}{1+x^2},展开为几何级数,然后逐项积分。

没错!这个方法的关键是:如果知道一个函数的各阶导数在某点的值,就能用多项式逼近这个函数。这叫做泰勒展开。

第二步:计算 sin⁡x\sin x 的各阶导数

让我们计算 sin⁡x\sin x 在 x=0x = 0 处的各阶导数。

我在黑板上列了一个表:

阶数 nnf(n)(x)f^{(n)}(x)f(n)(0)f^{(n)}(0)
0sin⁡x\sin x00
1cos⁡x\cos x11
2−sin⁡x-\sin x00
3−cos⁡x-\cos x−1-1
4sin⁡x\sin x00
5cos⁡x\cos x11
6−sin⁡x-\sin x00
7−cos⁡x-\cos x−1-1

大家看到了什么规律?

阿普立刻说:

每四阶循环一次!0,1,0,−1,0,1,0,−1,…0, 1, 0, -1, 0, 1, 0, -1, \ldots

没错!而且偶数阶导数全是零,只有奇数阶导数非零。这意味着泰勒展开中,sin⁡x\sin x 只含 xx 的奇数次幂。

第三步:写出级数

把非零的项挑出来:

sin⁡x=11!x−13!x3+15!x5−17!x7+⋯=∑n=0∞(−1)n(2n+1)!x2n+1\sin x = \frac{1}{1!}x - \frac{1}{3!}x^3 + \frac{1}{5!}x^5 - \frac{1}{7!}x^7 + \cdots = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{(2n+1)!} x^{2n+1}

同理,对 cos⁡x\cos x 做同样的计算。cos⁡x\cos x 的各阶导数在 x=0x = 0 处的值是 1,0,−1,0,1,0,−1,…1, 0, -1, 0, 1, 0, -1, \ldots,奇数阶导数全是零,只含 xx 的偶数次幂:

cos⁡x=1−12!x2+14!x4−16!x6+⋯=∑n=0∞(−1)n(2n)!x2n\cos x = 1 - \frac{1}{2!}x^2 + \frac{1}{4!}x^4 - \frac{1}{6!}x^6 + \cdots = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{(2n)!} x^{2n}

严格证明

泰勒级数的余项与收敛性

泰勒展开给出的是近似值。要证明级数确实等于函数值,需要证明余项趋于零。

证明 sin⁡x\sin x 的泰勒级数收敛

对于 f(x)=sin⁡xf(x) = \sin x,无论求多少阶导数,结果都是 sin⁡\sin 或 cos⁡\cos 的某种形式,所以 ∣f(n+1)(ξ)∣≤1|f^{(n+1)}(\xi)| \leq 1。

因此:

∣Rn(x)∣≤∣x∣n+1(n+1)!|R_n(x)| \leq \frac{|x|^{n+1}}{(n+1)!}

对于任何固定的 xx,∣x∣n+1(n+1)!→0\dfrac{|x|^{n+1}}{(n+1)!} \to 0(当 n→∞n \to \infty),因为阶乘增长比指数快。

所以 lim⁡n→∞Rn(x)=0\lim_{n \to \infty} R_n(x) = 0,泰勒级数对所有 x∈Rx \in \mathbb{R} 都收敛到 sin⁡x\sin x。

同理可证 cos⁡x\cos x 的泰勒级数也对所有 xx 收敛。

用级数理解 sin⁡\sin 和 cos⁡\cos 的性质

幂级数展开给了我们一种全新的方式来理解三角函数的性质。

性质 1:sin⁡x\sin x 是奇函数,cos⁡x\cos x 是偶函数

从级数可以看出:

  • sin⁡x\sin x 只含 xx 的奇数次幂 → sin⁡(−x)=−sin⁡x\sin(-x) = -\sin x(奇函数)
  • cos⁡x\cos x 只含 xx 的偶数次幂 → cos⁡(−x)=cos⁡x\cos(-x) = \cos x(偶函数)

不需要任何几何推理,纯从级数就能得出这个结论!

性质 2:导数关系

对 sin⁡x\sin x 的级数逐项求导:

ddxsin⁡x=1−3x23!+5x45!−7x67!+⋯=1−x22!+x44!−x66!+⋯=cos⁡x\frac{d}{dx}\sin x = 1 - \frac{3x^2}{3!} + \frac{5x^4}{5!} - \frac{7x^6}{7!} + \cdots = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \frac{x^6}{6!} + \cdots = \cos x

对 sin⁡x\sin x 求导得到 cos⁡x\cos x——从级数的角度一目了然!

性质 3:sin⁡2x+cos⁡2x=1\sin^2 x + \cos^2 x = 1

用级数的前几项来验证:

sin⁡x≈x−x36,cos⁡x≈1−x22\sin x \approx x - \frac{x^3}{6}, \quad \cos x \approx 1 - \frac{x^2}{2}

sin⁡2x+cos⁡2x≈(x−x36)2+(1−x22)2\sin^2 x + \cos^2 x \approx \left(x - \frac{x^3}{6}\right)^2 + \left(1 - \frac{x^2}{2}\right)^2

=x2−x43+x636+1−x2+x44= x^2 - \frac{x^4}{3} + \frac{x^6}{36} + 1 - x^2 + \frac{x^4}{4}

=1−x412+x636+⋯→1= 1 - \frac{x^4}{12} + \frac{x^6}{36} + \cdots \to 1

前几项消掉后剩余的是高阶小量。如果取更多项,结果会更精确地趋向 11。

欧拉公式的级数推导

现在来到了今天的最高潮。

让我们回忆指数函数 exe^x 的幂级数展开:

ex=∑n=0∞xnn!=1+x+x22!+x33!+x44!+x55!+⋯e^x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n!} = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + \frac{x^4}{4!} + \frac{x^5}{5!} + \cdots

这个展开式对所有 xx 成立。那如果我们把 xx 替换为 ixix(其中 i=−1i = \sqrt{-1})呢?

eix=1+ix+(ix)22!+(ix)33!+(ix)44!+(ix)55!+⋯e^{ix} = 1 + ix + \frac{(ix)^2}{2!} + \frac{(ix)^3}{3!} + \frac{(ix)^4}{4!} + \frac{(ix)^5}{5!} + \cdots

利用 i2=−1,i3=−i,i4=1,i5=i,…i^2 = -1, i^3 = -i, i^4 = 1, i^5 = i, \ldots:

eix=1+ix−x22!−ix33!+x44!+ix55!−⋯e^{ix} = 1 + ix - \frac{x^2}{2!} - i\frac{x^3}{3!} + \frac{x^4}{4!} + i\frac{x^5}{5!} - \cdots

把实部和虚部分开:

eix=(1−x22!+x44!−⋯ )⏟cos⁡x+i(x−x33!+x55!−⋯ )⏟sin⁡xe^{ix} = \underbrace{\left(1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \cdots\right)}_{\cos x} + i\underbrace{\left(x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \cdots\right)}_{\sin x}

eix=cos⁡x+isin⁡x\boxed{e^{ix} = \cos x + i\sin x}

教室里一片惊叹声。

幂级数与圆的联系

让我们回到圆。

我说:

在单位圆上,角度 xx 对应的点坐标是 (cos⁡x,sin⁡x)(\cos x, \sin x)。现在我们知道 cos⁡x\cos x 和 sin⁡x\sin x 都可以用幂级数来计算——这意味着:

  1. 圆的参数方程 (x,y)=(cos⁡t,sin⁡t)(x, y) = (\cos t, \sin t) 可以用多项式来逼近
  2. π\pi 的计算不再依赖几何测量,可以通过级数来完成
  3. 三角函数的性质(奇偶性、导数关系、恒等式)都可以从级数推导

从某种意义上说,幂级数给了我们一种”代数地理解圆”的方式——不用画圆,不用量角度,仅用无穷多项式就能精确描述圆上的一切。

结论与应用

核心结论

应用一:用级数近似计算三角函数

例题:用幂级数的前三项计算 sin⁡(0.1)\sin(0.1) 的近似值,并估计误差。

解:

sin⁡(0.1)≈0.1−(0.1)36+(0.1)5120=0.1−0.000167+0.0000000833≈0.099833\sin(0.1) \approx 0.1 - \frac{(0.1)^3}{6} + \frac{(0.1)^5}{120} = 0.1 - 0.000167 + 0.0000000833 \approx 0.099833

实际值 sin⁡(0.1)=0.0998334…\sin(0.1) = 0.0998334\ldots,精度已经达到了小数点后 6 位!

误差不超过下一项的绝对值:(0.1)75040≈2×10−11\dfrac{(0.1)^7}{5040} \approx 2 \times 10^{-11}。

应用二:计算 π\pi 的近似值

从欧拉恒等式出发,我们可以设计各种计算 π\pi 的方法。

例题:已知 sin⁡(π/6)=1/2\sin(\pi/6) = 1/2,用幂级数近似求解 π\pi。

解:

设 θ=π/6\theta = \pi/6,则 sin⁡θ=1/2\sin\theta = 1/2。

用级数的前两项:θ−θ36≈12\theta - \dfrac{\theta^3}{6} \approx \dfrac{1}{2}

令 θ−θ36=0.5\theta - \dfrac{\theta^3}{6} = 0.5,通过迭代或牛顿法求解得 θ≈0.5236\theta \approx 0.5236。

因此 π≈6θ≈3.1416\pi \approx 6\theta \approx 3.1416,精度已经很不错!

呼噜星人的收获

下课铃响了。学生们围过来,兴奋地讨论着今天的发现。

贝塔激动地说:

欧拉公式太美了!eix=cos⁡x+isin⁡xe^{ix} = \cos x + i\sin x——指数函数、三角函数、虚数,三个看似不相关的概念,通过幂级数完美地统一了。这不是巧合,这是数学深层的结构!

阿普说:

我最震撼的是:sin⁡x\sin x 和 cos⁡x\cos x 的所有信息——函数值、导数关系、奇偶性——全都”编码”在了那些系数 0,1,0,−10, 1, 0, -1 里。一个简单的循环模式,展开后就是一个完整的三角函数。

伽玛若有所思:

我突然理解了为什么幂级数这么重要。它不只是”一种计算方法”,而是一种语言——用多项式来”说话”的语言。用这种语言,我们可以把圆的几何”翻译”成代数。

咕噜最后总结:

欧拉恒等式 eiπ+1=0e^{i\pi} + 1 = 0 把五个最重要的常数放在了一起。ee 来自微积分,ii 来自代数,π\pi 来自圆,11 和 00 来自算术。这个公式告诉我们:数学的各个分支,在最深层是统一的。而幂级数,就是揭示这种统一的工具。

我笑着在黑板上写下最后一句话:

幂级数是数学的”通用翻译器”——它把几何的语言翻译成代数,把连续的语言翻译成离散,把圆的语言翻译成多项式。而欧拉公式,是这个翻译器最辉煌的译作。