跳转到内容

FP2 第三章:复数与棣莫弗定理

阿甘图:模与辐角

将下列复数写成指数形式 reiθre^{i\theta}:

  1. 1+i1 + i
  2. −2i-2i
  3. −1−3i-1 - \sqrt{3}i

证明 zn+1zn=2cos⁡nθz^n + \frac{1}{z^n} = 2\cos n \theta,其中 nn 为正整数,z=eiθz = e^{i\theta}。

解方程 z5−32i=0z^5 - 32i = 0,将每个答案写成 reiθre^{i\theta} 的形式,其中 0<θ<2π0 < \theta < 2\pi。

对于任意实数 θ\theta 和任意整数 nn:

(cos⁡θ+isin⁡θ)n=cos⁡(nθ)+isin⁡(nθ)(\cos \theta + i\sin \theta)^n = \cos(n\theta) + i\sin(n\theta)

欧拉公式证明:

  1. 由欧拉公式,cos⁡θ+isin⁡θ=eiθ\cos \theta + i\sin \theta = e^{i\theta}
  2. 因此,(cos⁡θ+isin⁡θ)n=(eiθ)n=einθ(\cos \theta + i\sin \theta)^n = (e^{i\theta})^n = e^{in\theta}
  3. 再由欧拉公式,einθ=cos⁡(nθ)+isin⁡(nθ)e^{in\theta} = \cos(n\theta) + i\sin(n\theta)

数学归纳法证明:

设 P(n)P(n) 为命题:(cos⁡θ+isin⁡θ)n=cos⁡(nθ)+isin⁡(nθ)(\cos \theta + i\sin \theta)^n = \cos(n\theta) + i\sin(n\theta)。

  1. 基础情况: 当 n=1n=1 时,命题显然成立。
  2. 归纳步骤: 假设 P(k)P(k) 对某个正整数 kk 成立。则:
(cos⁡θ+isin⁡θ)k+1=(cos⁡θ+isin⁡θ)k(cos⁡θ+isin⁡θ)=[cos⁡(kθ)+isin⁡(kθ)][cos⁡θ+isin⁡θ]=[cos⁡(kθ)cos⁡θ−sin⁡(kθ)sin⁡θ]+i[sin⁡(kθ)cos⁡θ+cos⁡(kθ)sin⁡θ]=cos⁡((k+1)θ)+isin⁡((k+1)θ)\begin{aligned} (\cos \theta + i\sin \theta)^{k+1} &= (\cos \theta + i\sin \theta)^k(\cos \theta + i\sin \theta) \\ &= [\cos(k\theta) + i\sin(k\theta)][\cos \theta + i\sin \theta] \\ &= [\cos(k\theta)\cos \theta - \sin(k\theta)\sin \theta] \\ &\quad + i[\sin(k\theta)\cos \theta + \cos(k\theta)\sin \theta] \\ &= \cos((k+1)\theta) + i\sin((k+1)\theta) \end{aligned}
  1. 因此,由数学归纳法,P(n)P(n) 对所有正整数 nn 成立。

证明 cos⁡5x≡cos⁡x(16sin⁡4x−12sin⁡2x+1)\cos 5x \equiv \cos x(16\sin^4 x - 12\sin^2 x + 1)。

利用上一题的结果,解方程

cos⁡5θ=sin⁡2θsin⁡θ−cos⁡θ\cos 5\theta = \sin 2\theta \sin \theta - \cos \theta

其中 0<θ<π20 < \theta < \dfrac{\pi}{2}。

第一部分: 证明

(z+1z)3(z−1z)3=z6−1z6−k(z2−1z2)\left(z + \frac{1}{z}\right)^3 \left(z - \frac{1}{z}\right)^3 = z^6 - \frac{1}{z^6} - k\left(z^2 - \frac{1}{z^2}\right)

其中 kk 为某常数。

第二部分: 已知 z=cos⁡θ+isin⁡θz = \cos \theta + i\sin \theta,证明:

(i) zn+1zn=2cos⁡nθz^n + \dfrac{1}{z^n} = 2\cos n\theta

(ii) zn−1zn=2isin⁡nθz^n - \dfrac{1}{z^n} = 2i\sin n\theta

第三部分: 由此证明:

cos⁡3θsin⁡3θ=132(3sin⁡2θ−sin⁡6θ)\cos^3 \theta \sin^3 \theta = \frac{1}{32}(3\sin 2\theta - \sin 6\theta)

第四部分: 求

∫0π8cos⁡3θsin⁡3θ dθ\int_0^{\frac{\pi}{8}} \cos^3 \theta \sin^3 \theta \, d\theta

的精确值。

利用棣莫弗定理证明

tan⁡4θ=4tan⁡θ−4tan⁡3θ1−6tan⁡2θ+tan⁡4θ\tan 4\theta = \frac{4\tan \theta - 4\tan^3 \theta}{1 - 6\tan^2 \theta + \tan^4 \theta}

应用: 利用此结果解方程 x4+2x3−6x2−2x+1=0x^4 + 2x^3 - 6x^2 - 2x + 1 = 0。

设 z=−8+(83)iz = -8 + (8\sqrt{3})i。

(a) 求 zz 的模和辐角。

(b) 利用棣莫弗定理,求 z3z^3。

(c) 求满足 w4=zw^4 = z 的所有 ww 值,将答案写成 a+iba + ib 的形式,其中 a,b∈Ra, b \in \mathbb{R}。

(a) 利用棣莫弗定理证明

sin⁡5θ=16sin⁡5θ−20sin⁡3θ+5sin⁡θ\sin 5\theta = 16\sin^5 \theta - 20\sin^3 \theta + 5\sin \theta

(b) 由此,已知 sin⁡3θ=3sin⁡θ−4sin⁡3θ\sin 3\theta = 3\sin \theta - 4\sin^3 \theta,求方程

sin⁡5θ=5sin⁡3θ\sin 5\theta = 5\sin 3\theta

在区间 0≤θ<2π0 \leq \theta < 2\pi 内的所有解,答案保留三位小数。

用微分方程证明欧拉公式

让我们用微分方程证明 eix=cos⁡x+isin⁡xe^{ix} = \cos x + i\sin x。

预备知识:

  • 复值函数的求导规则与实函数相同
  • 若 f(x)=u(x)+iv(x)f(x) = u(x) + iv(x),其中 uu 和 vv 是实函数,则:
f′(x)=u′(x)+iv′(x)f'(x) = u'(x) + iv'(x)
  • 常函数的导数为零;若 f′(x)=0f'(x) = 0 对所有 xx 成立且 ff 连续,则 ff 为常数

问题: 按以下步骤证明欧拉公式:

  1. 设 f(x)=eixf(x) = e^{ix},g(x)=cos⁡x+isin⁡xg(x) = \cos x + i\sin x。证明:
f′(x)=ieixg′(x)=−sin⁡x+icos⁡x=i(cos⁡x+isin⁡x)=ig(x)\begin{aligned} f'(x) &= ie^{ix} \\ g'(x) &= -\sin x + i\cos x = i(\cos x + i\sin x) = ig(x) \end{aligned}
  1. 证明 ff 和 gg 都满足微分方程 y′=iyy' = iy。
  2. 证明 f(0)=g(0)=1f(0) = g(0) = 1。
  3. 设 h(x)=f(x)−g(x)h(x) = f(x) - g(x)。证明 h′(x)=ih(x)h'(x) = ih(x) 且 h(0)=0h(0) = 0。
  4. 考虑 k(x)=h(x)e−ixk(x) = h(x)e^{-ix}。证明 k′(x)=0k'(x) = 0。
  5. 利用导数为零的连续函数必为常数,且 k(0)=0k(0) = 0,推出 k(x)=0k(x) = 0 对所有 xx 成立。
  6. 因此 h(x)=0h(x) = 0 对所有 xx 成立,即 f(x)=g(x)f(x) = g(x) 对所有 xx 成立。