Teorema de Euler - De Moivre

Tal como se hizo en la sección anterior, vamos a extender la serie de Taylor de la función real f(x)=exf(x)=ex, al plano complejo, reemplazando la variable xx, por el imaginario puro z=iθz=iθ y de esta manera obtener eiθ=1+iθ+(iθ)22!+(iθ)33!++(iθ)nn!eiθ=1+iθ+(iθ)22!+(iθ)33!++(iθ)nn! Note que las potencias pares son reales, mientras que las potencias impares son imaginarias eiθ=1+iθθ22!iθ33!+θ44!+iθ55!θ66!iθ77!+θ88!+eiθ=1+iθθ22!iθ33!+θ44!+iθ55!θ66!iθ77!+θ88!+Separando las partes reales de las imaginarias se tiene eiθ=(1θ22!+θ44!θ66!+θ88!+(1)nθ2n2n!+)+i(θθ33!+θ55!θ77!++(1)nθ2n+1(2n+1)!+)=(n=0(1)n(2n)!θ2n)+i(n=0(1)n(2n+1)!θ2n+1)=cosθ+isinθObteniendo de esta manera la fórmula de Euler eiθ=cosθ+isinθUna consecuencia de esto es el teorema de De Moivre  (cosθ+isinθ)n=cosnθ+isinnθEn efecto, aplicando propiedades de la exponencial y la formula de Euler, el resultado es evidente: (cosθ+isinθ)n=(eiθ)n=einθ=cosnθ+isinnθ

Funciones trigonométricas
La fórmula de Euler también permite interpretar las funciones seno y coseno como meras variaciones de la función exponencial:sinθ=eiθeiθ2icosθ=eiθ+eiθ2A partir de estas igualdades, es posible extender las funciones trigonométricas sobre el plano complejo: sinz=eizeiz2icosz=eiz+eiz2 Estas funciones trigonométricas cumplen con propiedades de sus similares aplicadas a los números reales. En efecto, sean los números complejos z y w, entonces son válidas las siguientes igualdades:
  • cos2z+sin2z=1  Identidad pitagórica.
  • cos(z)=cos(z)  Paridad de la función coseno.
  • sin(z)=sin(z)  Paridad de la función seno.
  • sin(z+w)=sin(z)cos(w)+sin(w)cos(z) seno de la suma de dos ángulos. 
  • cos(z+w)=cos(z)cos(w)sin(w)sin(z) coseno de la suma de dos ángulos.

Funciones trigonométricas inversas 
Así como se han extendido las funciones trigonométricas, se pueden extender sus inversas. Veamos un ejemplo con la inversa del seno sin1z=iln(iz±1z2) Por definición de función inversa sin(sin1(z))=z y consideremos la variable w=sin1(z), por tanto z=sinw=eiweiw2i.Reescribiendo la ecuación a su forma cuadrática, se tiene  ei2w2izeiw1=0.Resolviendo en términos de eiw tenemos eiw=2iz±4z2+42=iz±1z2.Finalmente, despejando a w se llega al resultado
sin1z=iln(iz±1z2).
De manera similar se pueden extender 
  • cos1z=iln(z±z21)
  • tan1z=i2ln(i+ziz)

Funciones hiperbólicas 
Las funciones hiperbólicas de seno y coseno se pueden extender de manera directa a partir de su definición (de click aquí para mas información) reemplazando la variable real x por la variable compleja z, teniendo de esta manera:sinhz=ezez2coshz=ez+ez2De manera similar a las funciones trigonométricas complejas, las funciones hiperbólicas cumplen con propiedades de sus similares aplicadas a los números reales. En efecto, sean los números complejos z y w, entonces son válidas las siguientes igualdades:
  • cosh2zsinh2z=1  Identidad pitagórica.
  • cosh(z)=cosh(z)  Paridad de la función coseno.
  • sinh(z)=sinh(z)  Paridad de la función seno.
  • sinh(z+w)=sinh(z)cosh(w)+sinh(w)cosh(z) seno de la suma de dos variables. 
  • cosh(z+w)=cosh(z)cosh(w)+sinh(w)sinh(z) coseno de la suma de dos variables.

Funciones 
hiperbólicas inversas 
De manera análoga, se pueden extender las funciones hiperbólicas inversas. Veamos un ejemplo con la inversa del seno hiperbólico sinh1z=ln(z+z2+1) Por definición de función inversa sinh(sinh1(z))=z y consideremos la variable w=sinh1(z), por tanto z=sinhw=ewew2.Reescribiendo la ecuación a su forma cuadrática, se tiene  e2w2zew1=0.Resolviendo en términos de ew tenemos ew=2z+4z2+42=z+z2+1.Finalmente, despejando a w se llega al resultado
sinh1z=ln(z+z2+1).
De manera similar se pueden extender 
  • cosh1z=ln(z+z21)
  • tanh1z=12ln(1+z1z)

Ejemplo 1 Muestre que la función sinz se puede escribir de la forma sinz=u(x,y)+iv(x,y). En efecto, extendiendo la función sinz al plano complejo, se tiene: sinz=eizeiz2i=ei(x+iy)ei(x+iy)2i=ey(cosx+isinx)ey(cosxisinx)2i=sinx(ey+ey2)+icosx(eyey2)=sinxcoshy+icosxsinhy

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