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三角形式、乘方与单位根

拓展更新于 2026-09-29

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非零复数可由长度和转角确定;乘法对应长度相乘、角度相加。

辐角、三角形式与乘除运算

设非零复数 z=a+biz=a+bi,记 r=∣z∣=a2+b2>0r=|z|=\sqrt{a^2+b^2}>0。将它对应的点写成极坐标:

a=rcos⁡θ,b=rsin⁡θ.a=r\cos\theta,\qquad b=r\sin\theta.

于是 z=r(cos⁡θ+isin⁡θ)z=r(\cos\theta+i\sin\theta),称为复数的三角形式。θ\theta 是从正实轴转向向量 OZ→\overrightarrow{OZ} 的有向角,称为 zz 的辐角。全部辐角相差 2kπ2k\pi,k∈Zk\in\mathbb Z。

本页沿用系统讲义,取 [0,2π)[0,2\pi) 内的唯一辐角作为主值,记作 arg⁡z\arg z。其他主值约定也可使用,但不能在一次计算中混用。零复数没有辐角;表达式 0(cos⁡θ+isin⁡θ)0(\cos\theta+i\sin\theta) 恒为零,并不能给零指定唯一方向。

因此,对两个非零复数 z1,z2z_1,z_2,

z1=z2  ⟺  ∣z1∣=∣z2∣ 且 arg⁡z1=arg⁡z2.z_1=z_2\iff |z_1|=|z_2|\text{ 且 }\arg z_1=\arg z_2.

若不取主值,则角度条件应写成两辐角相差 2kπ2k\pi。零复数的相等直接判断为两者均为零,不使用辐角条件。

求辐角须同时满足 cos⁡θ=a/r,sin⁡θ=b/r\cos\theta=a/r,\sin\theta=b/r。仅由 tan⁡θ=b/a\tan\theta=b/a 不能区分相差 π\pi 的方向,且该商还要求 a≠0a\ne0。

乘法与除法

设 zj=rj(cos⁡θj+isin⁡θj)≠0z_j=r_j(\cos\theta_j+i\sin\theta_j)\ne0。则

z1z2=r1r2[cos⁡(θ1+θ2)+isin⁡(θ1+θ2)],z_1z_2=r_1r_2[\cos(\theta_1+\theta_2)+i\sin(\theta_1+\theta_2)], z1z2=r1r2[cos⁡(θ1−θ2)+isin⁡(θ1−θ2)].\frac{z_1}{z_2}=\frac{r_1}{r_2}[\cos(\theta_1-\theta_2)+i\sin(\theta_1-\theta_2)].

证明。 乘法展开后的实部为 r1r2(cos⁡θ1cos⁡θ2−sin⁡θ1sin⁡θ2)r_1r_2(\cos\theta_1\cos\theta_2-\sin\theta_1\sin\theta_2),虚部为 r1r2(sin⁡θ1cos⁡θ2+cos⁡θ1sin⁡θ2)r_1r_2(\sin\theta_1\cos\theta_2+\cos\theta_1\sin\theta_2),由和角公式得到乘积。又因

1z2=zˉ2r22=1r2(cos⁡(−θ2)+isin⁡(−θ2)),\frac1{z_2}=\frac{\bar z_2}{r_2^2} =\frac1{r_2}(\cos(-\theta_2)+i\sin(-\theta_2)),

除法归结为乘法,得到商的公式。

几何上,乘以 z2z_2 表示绕原点旋转 θ2\theta_2,再把长度乘以 r2r_2;除以 z2z_2 表示反向旋转并把长度除以 r2r_2。主值辐角的和差可能超出 [0,2π)[0,2\pi),须加减整周还原。

棣莫弗公式

对整数 nn 和非零复数 z=r(cos⁡θ+isin⁡θ)z=r(\cos\theta+i\sin\theta),

zn=rn(cos⁡nθ+isin⁡nθ).z^n=r^n(\cos n\theta+i\sin n\theta).

正整数情形反复应用乘法公式,每乘一次,模多乘一个 rr,辐角多加一个 θ\theta,可用归纳法证明。n=0n=0 时两边等于 11;负整数情形先取倒数再用正整数公式。零复数只使用正整数次幂。

欧拉记号作为三角形式的简写

在本手册的初等运算范围内,可将 cos⁡θ+isin⁡θ\cos\theta+i\sin\theta 简写成 eiθe^{i\theta},于是

reiθ=r(cos⁡θ+isin⁡θ),eiπ+1=0.re^{i\theta}=r(\cos\theta+i\sin\theta),\qquad e^{i\pi}+1=0.

设 z1=r1eiθ1,z2=r2eiθ2z_1=r_1e^{i\theta_1},z_2=r_2e^{i\theta_2},其中 r1,r2>0r_1,r_2>0,则三角形式的乘除公式可写成

z1z2=r1r2ei(θ1+θ2),z1z2=r1r2ei(θ1−θ2).z_1z_2=r_1r_2e^{i(\theta_1+\theta_2)},\qquad \frac{z_1}{z_2}=\frac{r_1}{r_2}e^{i(\theta_1-\theta_2)}.

这使辐角加减看起来像指数运算。由三角和角公式即可验证

eiαeiβ=ei(α+β),eiθ‾=e−iθ,∣eiθ∣=1.e^{i\alpha}e^{i\beta}=e^{i(\alpha+\beta)},\qquad \overline{e^{i\theta}}=e^{-i\theta},\qquad |e^{i\theta}|=1.

进一步有

cos⁡θ=eiθ+e−iθ2,sin⁡θ=eiθ−e−iθ2i.\cos\theta=\frac{e^{i\theta}+e^{-i\theta}}2,\qquad \sin\theta=\frac{e^{i\theta}-e^{-i\theta}}{2i}.

例如将余弦表达式的四次方按二项式展开、再合并共轭项,就得

cos⁡4θ=3+4cos⁡2θ+cos⁡4θ8.\cos^4\theta=\frac{3+4\cos2\theta+\cos4\theta}{8}.

这里只处理有限代数运算,不以无穷级数定义复指数。ei(θ+2kπ)=eiθe^{i(\theta+2k\pi)}=e^{i\theta},所以不能把实对数的单值规则直接推广为“ln⁡(eiθ)=iθ\ln(e^{i\theta})=i\theta 对所有实数都成立”。

开方与单位根

对 w=R(cos⁡φ+isin⁡φ)≠0w=R(\cos\varphi+i\sin\varphi)\ne0,方程 zn=wz^n=w(整数 n≥1n\ge1)的全部根为

zk=R1/n(cos⁡φ+2kπn+isin⁡φ+2kπn),k=0,…,n−1.z_k=R^{1/n}\left(\cos\frac{\varphi+2k\pi}{n}+i\sin\frac{\varphi+2k\pi}{n}\right),\quad k=0,\ldots,n-1.

模由取绝对值确定,角由 nθ=φ+2kπn\theta=\varphi+2k\pi 确定,所以没有其他根。w=0w=0 时只有根零。

复数开平方与负判别式二次方程

开平方是复数开方公式中 n=2n=2 的情形。非零复数的两个平方根互为相反数;例如 i=cos⁡(π/2)+isin⁡(π/2)i=\cos(\pi/2)+i\sin(\pi/2) 的平方根为

±(cos⁡π4+isin⁡π4)=±1+i2.\pm\left(\cos\frac\pi4+i\sin\frac\pi4\right)=\pm\frac{1+i}{\sqrt2}.

实系数二次方程 ax2+bx+c=0ax^2+bx+c=0(a≠0a\ne0)在复数中仍可配方为

(2ax+b)2=Δ,Δ=b2−4ac.(2ax+b)^2=\Delta,\qquad \Delta=b^2-4ac.

若 Δ<0\Delta<0,则 Δ=(i−Δ)2\Delta=(i\sqrt{-\Delta})^2,因此两个根为

x=−b±i−Δ2a.x=\frac{-b\pm i\sqrt{-\Delta}}{2a}.

它们是互为共轭的非实复数。例如 x2+2x+5=0x^2+2x+5=0 的根为 −1±2i-1\pm2i。负判别式说明无实根,但不说明在复数范围内无根。

例:三次单位根

z3=1z^3=1 的根为 1,ω,ω21,\omega,\omega^2,其中 ω=−1/2+(3/2)i\omega=-1/2+(\sqrt3/2)i。因为 ω≠1\omega\ne1,由 ω3−1=(ω−1)(ω2+ω+1)=0\omega^3-1=(\omega-1)(\omega^2+\omega+1)=0 得 1+ω+ω2=01+\omega+\omega^2=0。三点组成单位圆内的正三角形。

单位根五组性质及其推导

设整数 n≥2n\ge2,ω=cos⁡(2π/n)+isin⁡(2π/n)\omega=\cos(2\pi/n)+i\sin(2\pi/n)。则 xn=1x^n=1 的全部根为 εk=ωk\varepsilon_k=\omega^k,k=0,…,n−1k=0,\ldots,n-1。下标超出这个范围时,统一按模 nn 理解。

1. 模、共轭与整数幂

εkn=1,∣εk∣=1,ε0=1,εk‾=ε−k=1εk.\varepsilon_k^n=1,\qquad |\varepsilon_k|=1,\qquad\varepsilon_0=1,\qquad \overline{\varepsilon_k}=\varepsilon_{-k}=\frac1{\varepsilon_k}.

棣莫弗公式给出第一式,单位圆定义给出模为1,共轭与倒数关系由 zzˉ=∣z∣2z\bar z=|z|^2 得到。

2. 乘法和除法封闭

εiεj=εi+j,εiεj=εi−j.\varepsilon_i\varepsilon_j=\varepsilon_{i+j},\qquad \frac{\varepsilon_i}{\varepsilon_j}=\varepsilon_{i-j}.

由辐角相加、相减立即得到;分母不可能为零。因此若干个 nn 次单位根的乘积,或两个根的商,仍是 nn 次单位根。

3. 根的幂和

对任意整数 mm(含零及负数),

∑k=0n−1εkm={n,n∣m,0,n∤m.\sum_{k=0}^{n-1}\varepsilon_k^m=\begin{cases}n,&n\mid m,\\0,&n\nmid m.\end{cases}

若 n∣mn\mid m,每项为1;否则公比 ωm≠1\omega^m\ne1,而 (ωm)n=1(\omega^m)^n=1,故由等比求和

∑k=0n−1(ωm)k=1−(ωm)n1−ωm=0.\sum_{k=0}^{n-1}(\omega^m)^k=\frac{1-(\omega^m)^n}{1-\omega^m}=0.

特别地,1+ω+⋯+ωn−1=01+\omega+\cdots+\omega^{n-1}=0。

4. 因式分解与根的乘积式

xn−1=∏k=0n−1(x−εk),1+x+⋯+xn−1=∏k=1n−1(x−εk).x^n-1=\prod_{k=0}^{n-1}(x-\varepsilon_k),\qquad 1+x+\cdots+x^{n-1}=\prod_{k=1}^{n-1}(x-\varepsilon_k).

第一式两边是首一 nn 次多项式,且有相同的 nn 个互异根。将两边的多项式因子 x−1x-1 约去,得到第二式,所以第二式在 x=1x=1 时也成立,并有

∏k=1n−1(1−εk)=n.\prod_{k=1}^{n-1}(1-\varepsilon_k)=n.

这里是多项式恒等式约去公因子,并非在 x=1x=1 处计算 0/00/0。

5. 几何位置

相邻根的辐角相差 2π/n2\pi/n,所以它们是单位圆周的 nn 等分点,ε0=1\varepsilon_0=1 在正实轴上。n≥3n\ge3 时形成单位圆内接正 nn 边形;n=2n=2 时是两个对径点。

上述求和、乘积公式按 n≥2n\ge2 陈述。n=1n=1 时只有根1,应直接处理,不套用“全部根之和为零”。

本原单位根与乘除封闭性

称 ζ\zeta 为 nn 次本原单位根,是指 ζn=1\zeta^n=1,且对每个 1≤m<n1\le m<n 都有 ζm≠1\zeta^m\ne1。它表示“第一次得到 11 的正整数幂是 nn”,不能把任意非 11 的 nn 次单位根都当作本原单位根。

例如 n=4n=4 时,i,−ii,-i 为本原单位根;−1-1 虽满足 (−1)4=1(-1)^4=1,但平方已经等于 11,所以不是本原四次单位根。

设 εk=e2πik/n\varepsilon_k=e^{2\pi ik/n},下标按除以 nn 的余数理解。则

εjεk=εj+k,εjεk=εj−k,εk‾=ε−k.\varepsilon_j\varepsilon_k=\varepsilon_{j+k},\qquad \frac{\varepsilon_j}{\varepsilon_k}=\varepsilon_{j-k},\qquad \overline{\varepsilon_k}=\varepsilon_{-k}.

因此 nn 次单位根对乘法和除法封闭;分母不可能为零,因为所有单位根的模都是 11。

εkm=1\varepsilon_k^m=1 当且仅当 nn 整除 kmkm。若 dd 是 k,nk,n 的最大公约数,写 k=dk′,n=dn′k=dk',n=dn',则最小正整数 mm 为 n′n',所以 εk\varepsilon_k 本原当且仅当 k,nk,n 互素。这一判据只用于辨别单位根,不展开分圆多项式的不可约性理论。

从复数开方到一般多项式的根

本篇的开方处理 zn=wz^n=w;一般 nn 次复系数多项式也恰有 nn 个复根,按重数计。这由代数基本定理和因式定理得到;不是说每个多项式都有 nn 个互异根或实根。例如 (x−i)2(x-i)^2 只有一个不同根 ii,但重数为二。

多项式的根、重数与因式分解统一讲解根数、完全分解、共轭根及实因式分解;一般韦达关系给出完整的根与系数公式及证明。使用这些关系时,重根须重复计入,不能只列互异根。

共轭运算怎样作用于多项式的根

设 P(x)=∑j=0najxjP(x)=\sum_{j=0}^n a_jx^j 的系数均为实数。共轭保持加法和乘法,且 aj‾=aj\overline{a_j}=a_j,因此

P(z)‾=∑j=0najz‾ j=P(z‾).\overline{P(z)}=\sum_{j=0}^na_j\overline z^{\,j}=P(\overline z).

若 P(z)=0P(z)=0,便有 P(z‾)=0P(\overline z)=0。这说明共轭运算法则可以直接转为关于根的结论。实根的共轭仍是自身;非实根成对出现。系数为实数不可省略,例如 x−ix-i 只有根 ii。

相同重数的证明及实二次因子的构造,见实系数多项式的共轭根。

关联阅读

进一步阅读:单位根筛选与复数三角恒等式。

先修:复平面、模与轨迹 · 和差、倍角、半角与和积公式。

同主题:复平面、模与轨迹。

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