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n 次方根

大三 · 複變

觀念

ReIm120°2−1+√3i−1−√3iz³ = 8 的三個根O

w≠0w\ne0 時,zn=wz^n = w 在複數裡恰有 nn 個相異解(w=0w = 0 只有 z=0z = 0)。寫 w=reiθw = re^{i\theta},則 zk=rn ei(θ+2kπ)/n,k=0,1,…,n−1z_k = \sqrt[n]{r}\,e^{i(\theta + 2k\pi)/n},\quad k = 0,1,\dots,n-1 幾何上是半徑 rn\sqrt[n]{r} 的圓上、等間隔 360∘n\frac{360^\circ}{n} 的 nn 個點——正 nn 邊形的頂點。

算例:z3=8z^3 = 8:22、2e2πi/3=−1+3i2e^{2\pi i/3} = -1 + \sqrt3i、2e4πi/3=−1−3i2e^{4\pi i/3} = -1 - \sqrt3i。z4=16z^4 = 16:±2,±2i\pm2, \pm2i。z2=2iz^2 = 2i:設 z=x+iyz = x+iy 比較實虛部得 ±(1+i)\pm(1+i)。

w=1w = 1 時叫 nn 次單位根 ωk=e2kπi/n\omega_k = e^{2k\pi i/n},它們構成循環群,n≥2n\ge2 時和為 0,積為 (−1)n−1(-1)^{n-1};同時是 nn 次與 mm 次單位根的有 gcd⁡(n,m)\gcd(n,m) 個。

單位根是離散 Fourier 轉換與 FFT 的核心,也是分圓多項式、正多邊形尺規作圖(Gauss 的正十七邊形)的主角;代數基本定理保證 nn 次多項式恰有 nn 個複根(重根按重數計),這是最簡單的例子。

例題

求 z2=15+8iz^2 = 15 + 8 i 的所有複數解,用逗號分開(如 1+i, -1-i)。

看解法與答案

設 z=x+yiz = x + yi,(x+yi)2=x2−y2+2xyi(x+yi)^2 = x^2 - y^2 + 2xyi,比較實虛部:x2−y2=15x^2 - y^2 = 15、2xy=82xy = 8。

再用模:∣z∣2=x2+y2=∣z2∣=(15)2+(8)2=17|z|^2 = x^2 + y^2 = |z^2| = \sqrt{(15)^2 + (8)^2} = 17。兩式相加減:x2=17+(15)2=16x^2 = \dfrac{17 + (15)}{2} = 16、y2=17−(15)2=1y^2 = \dfrac{17 - (15)}{2} = 1。

2xy=82xy = 8 決定 xx、yy 同號或異號,得 z=±(4+i)z = \pm(4 + i)。平方根永遠成對出現(相差一個負號)。

答案: 4+i,−4−i4 + i, -4 - i

用在哪裡

插畫

n 次方根:情境插畫n 次方根:例題插畫

講解影片

學習路徑

先學會

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