摘要 本课在复数范围内解方程 z n = w z^n = w z n = w 。借助极坐标形式与棣莫弗公式,本课证明每个非零复数恰有 n n n 个 n n n 次方根,它们的模相同,辐角依次相差 2 π n \frac{2\pi}{n} n 2 π ,因而构成一个以原点为中心的正多边形。随后研究单位根:它们都是其中某一个的幂,它们相乘的方式与除以 n n n 所得余数相加的方式相同,它们的 m m m 次幂之和为 n n n 或 0 0 0 ,取决于 n n n 是否整除 m m m ,并且它们给出多项式 z n − 1 z^n - 1 z n − 1 的因式分解。本课用最大公因数刻画本原单位根(其幂取遍所有的根),并通过把共轭的根配对,得到 x n − 1 x^n - 1 x n − 1 与 x n + 1 x^n + 1 x n + 1 在实数范围内分解为一次因式与二次因式的结果,由此 cos 2 π 5 \cos \frac{2\pi}{5} cos 5 2 π 的值再次出现。
学习目标 用极坐标形式求出非零复数的 n n n 个 n n n 次方根,证明它们恰为 n n n 个,并把它们描述为一个正多边形的顶点。 把单位根作为其中一个的幂来运算,计算它们的幂之和,并对多项式 z n − 1 z^n - 1 z n − 1 作因式分解。 用最大公因数判定哪些单位根是本原的,并用裴蜀等式证明这一判别法。 通过把共轭的根配对,在实数范围内对多项式 x n − 1 x^n - 1 x n − 1 与 x n + 1 x^n + 1 x n + 1 作因式分解,并把单位根应用于距离、三角函数值与方程的问题。 复数的 n n n 次方根 在课程 代数与几何 I 中关于复数 的课里,方程 z 3 = 1 z^3 = 1 z 3 = 1 是通过分解立方差解出的,当时还预告:任意复数的根指数为 n n n 的方根需要用到极坐标形式。因式分解的方法不能推广:对于方程 z 5 = 1 + i z^5 = 1 + i z 5 = 1 + i ,看不出任何因式。而在关于复数的极坐标形式 的课里研究过的极坐标形式,则把方程化为两个实条件,一个关于模,另一个关于辐角,因为根据在关于棣莫弗公式 的课里证明的公式,把一个复数乘方到 n n n 次幂,就把它的模乘方到 n n n 次幂,并把它的辐角乘以 n n n 。
设 w w w 是复数,n n n 是自然数。称复数 z z z 为一个 n n n 次方根 (属于 w w w ),如果 z n = w z^n = w z n = w 。二次方根称为平方根,三次方根称为立方根。 唯一一个 n n n 次幂等于 0 0 0 的复数就是 0 0 0 本身,因为复数的乘积只有在某个因数为零时才为零;因此值得研究的情形是 w ≠ 0 w \neq 0 w = 0 。于是把 w w w 写成极坐标形式 w = R ( cos φ + i sin φ ) w = R(\cos \varphi + i \sin \varphi) w = R ( cos φ + i sin φ ) ,其中 R = ∣ w ∣ > 0 R = \abs{w} > 0 R = ∣ w ∣ > 0 ,φ \varphi φ 是它的任意一个辐角。符号 R n \sqrt[n]{R} n R 保持它在课程 I 中关于有理数指数幂与根式 的课里的含义:它表示正实数 R R R 的算术根,即唯一一个 n n n 次幂等于 R R R 的正实数。根号只用于非负实数的算术根,以及(与那一课中一样)负实数的奇数次实根,例如 − 8 3 = − 2 \sqrt[3]{-8} = -2 3 − 8 = − 2 ;用于其他复数时,只有在明确声明它表示其任意一个根的情况下才会使用,因为正如马上就会看到的,它的 n n n 个根中没有哪一个比其余的更特殊,而按约定选出其中一个会破坏根式的运算法则:如果把 − 1 -1 − 1 的平方根定为数 i i i ,那么这个根与自身的乘积就是 − 1 -1 − 1 ,而不是 ( − 1 ) ( − 1 ) = 1 (-1)(-1) = 1 ( − 1 ) ( − 1 ) = 1 的平方根。
最后,还要用到在同一课里证明的极坐标形式下的相等定理:两个非零复数相等,当且仅当它们的模相同,并且它们的辐角相差 2 π 2\pi 2 π 的整数倍。
设 w = R ( cos φ + i sin φ ) w = R(\cos \varphi + i \sin \varphi) w = R ( cos φ + i sin φ ) 是非零复数,其中 R = ∣ w ∣ R = \abs{w} R = ∣ w ∣ ,又设 n n n 是自然数。方程 z n = w z^n = w z n = w 恰有 n n n 个不同的解,它们就是下面的复数 z k z_k z k ,其中 k = 0 , 1 , … , n − 1 k = 0, 1, \ldots, n - 1 k = 0 , 1 , … , n − 1 。它们的模都是 R n \sqrt[n]{R} n R ,并且每一个的辐角都比前一个的辐角大 2 π n \frac{2\pi}{n} n 2 π 。
在极坐标形式中寻找解,并令 z n z^n z n 与 w w w 的极坐标形式相等。图形以 w = − 8 = 8 ( cos π + i sin π ) w = -8 = 8(\cos \pi + i \sin \pi) w = − 8 = 8 ( cos π + i sin π ) 与 n = 3 n = 3 n = 3 跟随证明,这个数的立方根的模为 2 2 2 。
证明
1 解不可能为零,因为 0 n = 0 ≠ w 0^n = 0 \neq w 0 n = 0 = w 。把它写成极坐标形式,其中 r > 0 r > 0 r > 0 ,并用棣莫弗公式把它乘方到 n n n 次幂。
2 由极坐标形式下的相等定理,方程 z n = w z^n = w z n = w 等价于两个实条件:模相等,并且辐角相差 2 π 2\pi 2 π 的整数倍。
3 n n n 次幂等于 R R R 的正实数是唯一的,即算术根,而辐角由整数 k k k 确定。反过来,具有这个模与这个辐角的复数都是解,因为它满足这两个条件。取 w = − 8 w = -8 w = − 8 与 n = 3 n = 3 n = 3 ,得到 r = 2 r = 2 r = 2 与 θ = π + 2 k π 3 \theta = \frac{\pi + 2k\pi}{3} θ = 3 π + 2 k π 。
4 整数 k k k 有无穷多个,但解并非如此。由带余除法,每个整数都可以写成 k = q n + j k = qn + j k = q n + j ,其中 q q q 为整数且 0 ≤ j ≤ n − 1 0 \leq j \leq n - 1 0 ≤ j ≤ n − 1 ;于是辐角 θ k \theta_k θ k 比 θ j \theta_j θ j 多出 2 π 2\pi 2 π 的整数倍,这两个解重合。在图形中,z 3 = z 0 z_3 = z_0 z 3 = z 0 。
5 解 z 0 , z 1 , … , z n − 1 z_0, z_1, \ldots, z_{n - 1} z 0 , z 1 , … , z n − 1 两两不同:若 0 ≤ j < l ≤ n − 1 0 \leq j < l \leq n - 1 0 ≤ j < l ≤ n − 1 ,则它们的辐角相差一个严格介于 0 0 0 与 2 π 2\pi 2 π 之间的数,它不是 2 π 2\pi 2 π 的整数倍。因此,解恰有 n n n 个。取 w = − 8 w = -8 w = − 8 时,它们是 1 + i 3 1 + i\sqrt{3} 1 + i 3 、− 2 -2 − 2 与 1 − i 3 1 - i\sqrt{3} 1 − i 3 。
z r θ z ⁿ = r ⁿ(cos n θ + i sin n θ)w φ = π 2 r ⁿ = R , n θ = φ + 2k πz ₀z ₁z ₂r = 2, θₖ = (π + 2k π)/3z ₀z ₁z ₂z ₃ = z ₀θ₃ = θ₀ + 2π z ₀z ₁z ₂2π/3 2π/3 0 < θₗ − θⱼ < 2π 实际计算时,第一个根的辐角为 φ n \frac{\varphi}{n} n φ ,其余每个根都由前一个根的辐角加上 2 π n \frac{2\pi}{n} n 2 π 得到。把辐角 φ \varphi φ (w w w 的)换成另一个辐角 φ + 2 π \varphi + 2\pi φ + 2 π ,并不改变根的集合,只改变它们的编号:原来的 z 1 z_1 z 1 现在称为 z 0 z_0 z 0 。当 n = 2 n = 2 n = 2 时,两个根的辐角相差 π \pi π ,因此它们互为相反数,z 1 = − z 0 z_1 = -z_0 z 1 = − z 0 ;这就是在课程 I 中关于复数的课里通过令实部与虚部分别相等来计算复数的平方根时出现的双重符号。此外,根的个数与关于多项式的已知结果一致:根据课程 I 中关于多项式的代数 的课里的不同根引理(其证明在复数中同样成立),多项式 z n − w z^n - w z n − w (次数为 n n n )的不同根不可能多于 n n n 个;本定理表明它恰好拥有这么多。
根构成的正多边形 这 n n n 个根的模相同,因此它们位于以 0 0 0 为圆心、以 R n \sqrt[n]{R} n R 为半径的圆上,并且它们的辐角等距分布。下面的定理用复数的乘积来表达这种排列:如在关于极坐标形式的课里所证明的,在极坐标形式中乘积把模相乘、把辐角相加。
设 w w w 是非零复数,其中 R = ∣ w ∣ R = \abs{w} R = ∣ w ∣ ,又设 n ≥ 3 n \geq 3 n ≥ 3 是自然数。每个 n n n 次方根(w w w 的)都可以由它前面的那个根乘以下面的数 ω \omega ω 得到,这相当于把它绕原点旋转角 2 π n \frac{2\pi}{n} n 2 π ;这 n n n 个根是一个正多边形(边数为 n n n )的顶点,该多边形内接于以 0 0 0 为圆心、以 R n \sqrt[n]{R} n R 为半径的圆,边长为 2 R n sin π n 2\sqrt[n]{R} \sin \frac{\pi}{n} 2 n R sin n π 。
图形以 w = 64 i w = 64i w = 64 i 跟随证明,它的立方根、四次方根与六次方根分别位于半径为 64 3 = 4 \sqrt[3]{64} = 4 3 64 = 4 、64 4 = 2 2 \sqrt[4]{64} = 2\sqrt{2} 4 64 = 2 2 与 64 6 = 2 \sqrt[6]{64} = 2 6 64 = 2 的圆上。
证明
1 由于 ∣ ω ∣ = 1 \abs{\omega} = 1 ∣ ω ∣ = 1 ,乘积 z k ω z_k \omega z k ω 的模等于 z k z_k z k 的模,辐角则增加了 2 π n \frac{2\pi}{n} n 2 π :它就是紧随其后的根。对 k k k 用归纳法,每个根都等于第一个根乘以 ω \omega ω 的某个幂,z k = z 0 ω k z_k = z_0 \omega^k z k = z 0 ω k 。
2 因此,乘以 ω \omega ω 就是绕原点旋转角 2 π n \frac{2\pi}{n} n 2 π ,而这个旋转保持距离不变,因为乘积的模等于模的乘积。
3 旋转把多边形的每一条边变为紧随其后的那条边,因此所有的边都一样长。
4 多边形是封闭的,因为 ω n = 1 \omega^n = 1 ω n = 1 :旋转把最后一个顶点变为第一个顶点。这 n n n 个顶点都在圆上,并且各边相等。此外,旋转把以 z k z_k z k 、z k + 1 z_{k + 1} z k + 1 与 z k + 2 z_{k + 2} z k + 2 为顶点的三角形变为以 z k + 1 z_{k + 1} z k + 1 、z k + 2 z_{k + 2} z k + 2 与 z k + 3 z_{k + 3} z k + 3 为顶点的三角形,并保持三条边不变,而由余弦定理,三角形的一个角由它的三条边确定:多边形的各个角,也就是这些三角形在中间顶点处的角,彼此相等,因而多边形是正多边形。
5 边长在以 0 0 0 、z 0 z_0 z 0 与 z 1 z_1 z 1 为顶点的三角形中计算。由半角公式,∣ ω − 1 ∣ 2 = 2 − 2 cos 2 π n = 4 sin 2 π n \abs{\omega - 1}^2 = 2 - 2\cos \frac{2\pi}{n} = 4\sin^2 \frac{\pi}{n} ∣ ω − 1 ∣ 2 = 2 − 2 cos n 2 π = 4 sin 2 n π ,而 π n \frac{\pi}{n} n π 的正弦为正。对于 64 i 64i 64 i 的六次方根,边长等于 2 ⋅ 2 ⋅ 1 2 = 2 2 \cdot 2 \cdot \frac{1}{2} = 2 2 ⋅ 2 ⋅ 2 1 = 2 ,与半径相等,正如在任何正六边形中那样。
z ₀z ₁z ₂2π/3 z ³ = 64i : z ₁ = z ₀ωz ₀z ₁z ₂z ₃z ⁴ = 64i : |u ω − v ω| = |u − v |z ₀z ₁z ₂z ⁶ = 64i : |z ₂ − z ₁| = |z ₁ − z ₀|z ₀z ₁2 |z ₁ − z ₀| = 2 · 2 · sin(π/6) = 2 当 n = 2 n = 2 n = 2 时,多边形退化为一条直径,其端点是两个互为相反数的根;当 n = 1 n = 1 n = 1 时只有一个根,即 w w w 本身。根构成正多边形这一事实解释了为什么没有哪一个根比其余的更特殊:旋转 2 π n \frac{2\pi}{n} n 2 π 把它们互相置换,而不改变图形。
本课节其余部分
单位根 单位根的幂之和 z n − 1 z^n - 1 z n − 1 的因式分解本原单位根 x n − 1 x^n - 1 x n − 1 与 x n + 1 x^n + 1 x n + 1 在实数范围内的因式分解例题 三相电网的电压 含两个五次幂的方程 五分之一周的余弦 到各顶点距离的平方和 从一个顶点出发的距离之积 练习题 四个采样值的傅里叶变换 x 6 + 1 x^6 + 1 x 6 + 1 在实数范围内的因式分解六次本原单位根 等于共轭复数的幂 单位根的加权和 使用免费账户继续阅读
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