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第 2 章:复指数与全部单位根 ​

本章对象:i^2=-1;n 是正整数,\zeta_n=e^{2\pi i/n};\mu_n 表示全部 n 次单位根。

2.1 欧拉公式的幂级数推导与旋转意义 ​

原问题:欧拉公式是怎么来的

整理提示:原对话曾把“欧拉函数”的追问理解成“欧拉公式”。这段推导仍有数学内容,移到单位根所用的复指数之前;欧拉函数在第 5 章另讲。

欧拉公式

e^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta

不是凭空猜出来的。最自然的推导之一,是从 指数函数、正弦、余弦的幂级数出发。我们一步一步来。

先从实指数函数开始。微积分里可以证明:

e^x
=
1+x+\frac{x^2}{2!}
+\frac{x^3}{3!}
+\frac{x^4}{4!}
+\cdots

这个展开式不仅对实数 x 有效,也可以把 x 换成复数。

于是令

x=i\theta.

得到

e^{i\theta}
=
1+i\theta
+\frac{(i\theta)^2}{2!}
+\frac{(i\theta)^3}{3!}
+\frac{(i\theta)^4}{4!}
+\cdots

现在利用:

i^2=-1,
\qquad
i^3=-i,
\qquad
i^4=1,

然后每四次循环一次。

所以:

e^{i\theta}
=
1+i\theta
-\frac{\theta^2}{2!}
-i\frac{\theta^3}{3!}
+\frac{\theta^4}{4!}
+i\frac{\theta^5}{5!}
-\cdots

现在把“没有 i”的项和“带 i”的项分别收集起来:

e^{i\theta}
=
\left(
1-\frac{\theta^2}{2!}
+\frac{\theta^4}{4!}
-\frac{\theta^6}{6!}
+\cdots
\right)
\qquad
+i
\left(
\theta-\frac{\theta^3}{3!}
+\frac{\theta^5}{5!}
-\frac{\theta^7}{7!}
+\cdots
\right).

关键来了。

微积分里:

\cos\theta
=
1-\frac{\theta^2}{2!}
+\frac{\theta^4}{4!}
-\frac{\theta^6}{6!}
+\cdots

而:

\sin\theta
=
\theta-\frac{\theta^3}{3!}
+\frac{\theta^5}{5!}
-\frac{\theta^7}{7!}
+\cdots

所以前面两大坨正好就是:

\cos\theta

和

\sin\theta.

因此:

\boxed{
e^{i\theta}
=
\cos\theta+i\sin\theta
}

这就是欧拉公式。


但这里有一个更深、也更值得理解的地方:

为什么指数函数碰到 i 以后,突然和“旋转”发生关系?

因为指数函数满足:

\frac{d}{d\theta}e^{i\theta}
=
ie^{i\theta}.

而在复平面里,乘以 i 恰好代表逆时针旋转 90^\circ。

例如:

1\mapsto i,
i\mapsto -1,
-1\mapsto -i.

所以

\frac{dz}{d\theta}=iz

的意思可以直观理解成:

z 的瞬时运动方向永远是把 z 本身旋转 90^\circ 后的方向。

如果 z 是从

z(0)=1

开始,那么它就会沿单位圆不停旋转。

于是自然有:

z(\theta)
=
\cos\theta+i\sin\theta.

所以欧拉公式背后的几何本质其实是:

\boxed{
e^{i\theta}
=
\text{复平面上“旋转 }\theta\text{”}
}

这也是为什么单位根会自然写成:

\zeta_n=e^{2\pi i/n}.

因为这就是从 1 出发,在单位圆上旋转:

\frac{2\pi}{n}

的角度。

然后:

\zeta_n^k
=
e^{2\pi ik/n}

就是旋转 k 次。

所以你前面学单位根时出现的指数表达式,其实全都来自欧拉公式的这个“复指数 = 旋转”的几何意义。

下一步如果你愿意,我们可以继续追问一个更基础的问题:为什么 e^x,\sin x,\cos x 会有刚才那些幂级数展开? 这样欧拉公式就可以从最底层完全推出来。

2.2 为什么复指数等于 1 恰好对应整圈旋转 ​

原问题:这是为什么

这一步来自 Euler 公式:

\boxed{e^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta}

所以如果要求

e^{i\theta}=1,

注意右边的实数 1 在复数里其实是

1+0i.

因此必须同时满足

\cos\theta=1,\qquad \sin\theta=0.

在单位圆上,(\cos\theta,\sin\theta) 表示从正实轴出发转过 \theta 后到达的点。要得到

(1,0),

也就是回到单位圆最右端,只能转完整圈:

0,\quad 2\pi,\quad -2\pi,\quad 4\pi,\quad -4\pi,\dots

因此

\boxed{\theta=2\pi m,\qquad m\in\mathbb{Z}.}

换句话说,

\boxed{
e^{i\theta}=1
\iff
\theta\equiv0\pmod{2\pi}
}

这同时体现了复指数函数一个特别重要的性质:

\boxed{
e^{i(\theta+2\pi)}=e^{i\theta}
}

因为

\cos(\theta+2\pi)=\cos\theta,
\qquad
\sin(\theta+2\pi)=\sin\theta.

所以复指数在虚方向上是周期性的。

例如:

e^{i0}=1,
e^{i2\pi}=1,
e^{i4\pi}=1,

以及

e^{-i2\pi}=1.

但

e^{i\pi}=-1,
e^{i\pi/2}=i,

都不是 1。


而且你刚才那一步现在就可以完全展开:

假设

\zeta_n^a=\zeta_n^b,

由于

\zeta_n=e^{2\pi i/n},

所以

e^{2\pi ia/n}=e^{2\pi ib/n}.

两边相除:

e^{2\pi i(a-b)/n}=1.

根据我们刚刚证明的结论:

\frac{2\pi(a-b)}{n}=2\pi m

其中 m\in\mathbb{Z}。

约去 2\pi:

\frac{a-b}{n}=m.

所以

a-b=mn,

也就是

\boxed{n\mid(a-b)}.

这其实就是以后单位根里经常出现的一个核心原则:

\boxed{
\zeta_n^a=\zeta_n^b
\iff
a\equiv b\pmod n
}

也就是说,\zeta_n 的指数只需要看模 n 的余数。

下一步如果继续往深一点,其实很值得解释:**Euler 公式 e^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta 本身为什么成立。**这会把这里最后一个“默认接受的公式”也补上。

2.3 全部 n 次单位根:互异性与穷尽性 ​

原问题:这一步也得说明一下吧

对,这一步不能直接跳过去。我们从

x^n=1

为什么恰好有

1,\zeta_n,\zeta_n^2,\dots,\zeta_n^{n-1}

这 n 个根开始。

先设

\zeta_n=e^{2\pi i/n}.

那么显然:

\zeta_n^n=e^{2\pi i}=1.

所以 \zeta_n 是 x^n-1 的一个根。

更一般地,对任意整数 k:

(\zeta_n^k)^n
=
\zeta_n^{kn}
=
(\zeta_n^n)^k
=
1.

因此:

1,\zeta_n,\zeta_n^2,\dots,\zeta_n^{n-1}

全都是 x^n-1 的根。

但这里还要证明两件事:它们彼此不同,而且没有别的根。

第一件事,为什么它们彼此不同?假设

\zeta_n^a=\zeta_n^b.

那么

\zeta_n^{a-b}=1.

写成指数形式:

e^{2\pi i(a-b)/n}=1.

而

e^{i\theta}=1

当且仅当

\theta=2\pi m,\qquad m\in\mathbb{Z}.

所以

\frac{a-b}{n}\in\mathbb{Z},

即

n\mid(a-b).

如果

0\le a,b\le n-1,

那么唯一可能就是

a=b.

所以这 n 个根互不相同。

第二件事,为什么没有别的根?这里有两种理解。

最简单的是代数基本定理:x^n-1 是 n 次多项式,所以在复数中按重数计算一共有 n 个根。我们已经找到了 n 个互不相同的根,因此不可能再有别的。

也可以直接从复数极坐标看。假设

z^n=1.

把 z 写成

z=re^{i\theta}.

那么

z^n=r^ne^{in\theta}=1.

右边的模长是 1,所以

r^n=1.

由于 r\ge 0,所以

r=1.

而辐角必须满足

n\theta=2\pi k,\qquad k\in\mathbb{Z}.

所以

\theta=\frac{2\pi k}{n}.

于是

z=e^{2\pi ik/n}.

也就是

z=\zeta_n^k.

而因为

\zeta_n^{k+n}=\zeta_n^k,

所以只需要取

k=0,1,\dots,n-1.

因此所有根恰好是

\boxed{
1,\zeta_n,\zeta_n^2,\dots,\zeta_n^{n-1}
}.

几何上,这 n 个根就是单位圆上等间隔分布的 n 个点,每两个相邻点的夹角都是

\frac{2\pi}{n}.

如果你愿意,下一步我可以继续解释一个很关键的问题:为什么这些根里只有一部分是“本原 n 次单位根”。

保留每一次追问,认真走完每一步证明。