要約
この課ではド・モアブルの公式を証明する。この公式によれば、複素数の整数乗(指数は 、複素数の絶対値は 、偏角は )の偏角は である。さらにこの公式を五つの方向に応用する。積を展開せずに大きな指数の累乗を計算し、累乗が実数になるのはいつか、また に等しくなるのはいつかを判定する。この公式を二項定理と比べて多倍角の公式を導き直す。余弦と正弦の累乗を多倍角の余弦の和として表す。この操作を線形化という。角が等差数列をなす正弦の和と余弦の和を、複素数の等比数列の和として計算する。そして二項係数のいくつかの和を、 の累乗の実部と虚部として求める。
学習目標
- 任意の整数の指数についてド・モアブルの公式を証明し、複素数の累乗を幾何学的に解釈する。
- 極形式を用いて複素数の累乗を計算し、それが実数になるのはいつか、また に等しくなるのはいつかを決定する。
- 多倍角の公式を導き、正弦と余弦の累乗を線形化する。
- 三角関数の和と二項係数の和を、複素数の和と累乗の実部と虚部として計算する。
ド・モアブルの公式
複素数の極形式の課では、零でないすべての複素数を と書いた。ここで はその絶対値、 はその偏角の一つである。そして、和の正弦と余弦の公式を用いて、積では絶対値が掛け合わされ偏角が加えられることを証明した。絶対値が の二つの複素数に対しては、この積の定理は次のように書ける。
二つの因数が等しければ、積は平方であり、その偏角は である。もう一度同じ因数を掛けると立方が得られ、その偏角は である。積を繰り返すと、偏角は因数の個数と同じ回数だけ自分自身に加えられる。したがって累乗は角に整数を掛けることに帰着する。この事実がこの課の主題である。アブラーム・ド・モアブルは十八世紀の初めにこれを同値な形で用い、オイラーは 1748 年にこれを現在の形で書いた。
すべての実数 とすべての整数 について、次の等式が成り立つ。
証明は三つに分かれる。指数 の場合、自然数の指数の場合(帰納法による)、負の指数の場合(逆数による)である。数学的帰納法の原理は、コース 代数と幾何 I の総和・数列・帰納法の課における形で用い、整数の指数の累乗は複素数の課のものを用いる。そこでは 、 である。図は半径 の円の上で証明をたどる。角 は小さくとり、 とする。
証明
のとき、左辺は定義により に等しく、右辺も同様である。 かつ だからである。
のとき、等式は明らかである。帰納法の仮定:ある自然数 について成り立つと仮定する。
指数が一つ大きい累乗は、もとの累乗と底との積であり、もとの累乗は帰納法の仮定によって置き換えられる。
積を展開すると、実部と虚部は加法定理の課の和の余弦と正弦の公式の右辺になる。これは極形式における積と商の定理である。こうして の場合の公式が得られ、数学的帰納法の原理によりすべての自然数について成り立つ。
積の定理により、 に を掛けると になる。したがって後者は前者の逆数である。余弦は偶関数、正弦は奇関数であるから、この逆数は共役複素数に等しい。
(ただし は自然数)ならば、指数法則により、指数 の累乗は逆数の 乗である。自然数の指数の場合を角 に適用する。
この公式は零でないすべての複素数に拡張される。積の累乗は累乗の積に等しく、これは負の指数でも成り立つからである。実際、積の逆数は逆数の積に等しい。
が零でない複素数ならば、すべての整数 について が成り立つ。すなわち、 の絶対値は であり、 は の偏角の一つである。 実数の因数を絶対値 の因数から切り離し、後者にド・モアブルの公式を適用する。図は絶対値が より少し大きい複素数と で証明をたどり、最後に とその最初の三つの累乗を示す。
証明
積の累乗は累乗の積に等しい。自然数の指数については乗法の交換法則と結合法則により、負の指数については積の逆数が逆数の積に等しいからである。
第二の因数にド・モアブルの公式を適用する。この公式はすべての整数 について成り立つ。
であるから、累乗 は正の実数であり、 が負のときも同様である。極形式における相等の定理により、得られた式は の極形式である。その絶対値は であり、 はその偏角の一つである。
のとき、累乗の絶対値は 、、、偏角は 、、 である。立方は純虚数である。
したがって、累乗 の絶対値は公比 の等比数列をなし、偏角は公差 の等差数列をなす。これはコース I の総和と数列の課の意味においてである。 ならば、すべての累乗は半径 の円の上にあり、それぞれは指数が一つ小さい累乗に対して角 だけ回転している。 ならば、回転しながら原点から遠ざかり、 ならば、回転しながら原点に近づく。さらに、 であり、 を掛けることは角 の回転と比 の拡大との合成であるから、頂点が 、、 であるすべての三角形は、頂点が 、、 である三角形と相似である。これは極形式の課で証明したとおりである。
を、絶対値が ( より少し大きい)、偏角が の複素数とする。その累乗のいくつかを八乗まで計算し、それらが並ぶ曲線を記述する。
証明
極形式と代数形式で書くと、この数は次のとおりである。
極形式における累乗の定理により、平方の偏角は である。すなわち純虚数である。
四乗の偏角は である。すなわち負の実数である。
八乗の偏角は である。一回転したのち正の実軸に戻り、原点からの距離は より少し大きい。
積の絶対値の定理により、隣り合う二つの累乗の距離も公比 の等比数列で増加する。これらの点が乗る曲線は、極座標と極方程式の曲線の課で学んだ極座標では、方程式 をもつ。これは対数螺旋と呼ばれる螺旋であり、微分法で証明されるように、原点を通るどの直線とも常に同じ角で交わる。
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