单位根

更新时间:2023-10-01 09:28

数学上,n次单位根是n次幂为1的复数。它们位于复平面的单位圆上,构成正n边形的顶点,其中一个顶点是1。

定义

这方程的复数根 z为n次单位根。

单位的 n次根有n个:

单位的n次根以乘法构成n阶循环群。单位根(unit root)设n 是正整数,当一个数的n 次乘方等于1 时,称此数为n 次“单位根”。在复数范围内,n 次单位根有n 个。例如,1、-1、i、-i 都是4次单位根。确切的说,单位根指模为1的根,一般的x的n个单位根可以表示为: ,其中:k=0,1,2,..,n-1 ,i是虚数的单位。它的生成元是单位的n次本原根。单位的n次本原根是 ,其中k和n互质。单位的n次本原根数目为欧拉函数φ(n)。

例子

单位的一次根有一个:1。

单位的二次根有两个:+1和-1,只有-1是本原根

单位的三次根是

其中i复数单位;除1外都是本原根

单位的四次根是

{1,+i,-1,-i}

其中 + i和 - i是本原根

性质

性质一

n次单位根的模为1,即|εk|=1

性质二

两个n次单位根εj与εk 的乘积还是一个n次单位根,且εjεk =εj+k

推论1:εj-1=ε-j

推论2:

εkm=εmk

推论3:

若k除以n的余数为r,则εk=εr

注:它说明εk等价于r=0

推论4:

任何一个单位根都可以写成ε1的幂,即εk=ε1k

说明:除了ε1,还有没有另一个单位根εk使任何一个单位根都是εk的幂,回答是肯定的,并称这样的根为n次本原根,n次原根。从而所有n次单位根还可以写作

ε1,ε12,…,ε1n(ε0=1)

推论5:

一个n次单位根的共轭也是一个n次单位根,即εk=εn-k(‘表示共轭)

因为εkεk=|εk|2,εk=1/εk=ε-k=εn-k (由推论3)

注:由上证明看到1/εk=εk',说明所有虚的n次单位根都成对共轭

推论6:

对任意整数k,h,有εkh=εhk

性质三

A=1+ε1m+ε2m+…+εn-1m当n|m时,A=n,否则A=0

推论1:

推论2:设εk≠1,则

性质四

全部单位根将复平面单位圆n等分。

和式

当n不小于 2时, n次单位根总和为 0。这一结果可以用不同的方法证明。一个基本方法是等比级数

第二个证法是它们在复平面上构成正多边形的顶点,而从对称性知这多边形的重心在原点。

还有一个证法利用关于方程根与系数的韦达定理,由分圆方程的xn-1项系数为零得出。

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