Что значит извлечь корень из комплексного числа
Для вещественных чисел извлечение корня обычно не вызывает вопросов: например, \( \sqrt{9}=3 \). В комплексной плоскости одна и та же операция чаще даёт несколько результатов.
Комплексное число \(w\) называется корнем \(n\)-й степени из числа \(z\), если выполняется равенство
Например, уравнение \(w^2=1\) имеет два решения: \(w=1\) и \(w=-1\). В общем случае ненулевое комплексное число имеет ровно \(n\) различных корней \(n\)-й степени.
Общая формула
Пусть ненулевое комплексное число записано в показательной форме:
Ищем корень в таком же виде:
Тогда
Из условия \(w^n=z\) следуют два равенства:
Поэтому модуль каждого корня равен \( \sqrt[n]{\rho} \), а его аргумент имеет вид
Все корни \(n\)-й степени из \(z\) задаются формулой
В тригонометрической форме:
Почему достаточно значений от \(0\) до \(n-1\)
В формуле присутствует любое целое число \(k\), однако новых корней после \(k=n-1\) не появляется. Действительно,
Аргументы, отличающиеся на \(2\pi\), задают одну и ту же точку комплексной плоскости, поскольку \(e^{i(\theta+2\pi)}=e^{i\theta}\). Поэтому значения начинают повторяться.
Геометрический смысл
Все найденные корни имеют одинаковый модуль:
Следовательно, они лежат на одной окружности с центром в начале координат. Аргументы соседних корней отличаются на
Значит, корни расположены равномерно по окружности и образуют вершины правильного \(n\)-угольника:
- два корня лежат на противоположных концах диаметра;
- три корня образуют равносторонний треугольник;
- четыре корня образуют квадрат;
- пять корней образуют правильный пятиугольник.
Пример: квадратные корни из \(i\)
Пример
Представим число \(i\) в показательной форме:
Здесь \(\rho=1\), \(\varphi=\frac{\pi}{2}\), \(n=2\). Подставляем эти значения в общую формулу:
При \(k=0\):
При \(k=1\):
Итак, решения уравнения \(w^2=i\) равны
Корни из единицы
Особый и очень важный случай — решения уравнения
Так как \(1=e^{i2\pi m}\), где \(m\in\mathbb Z\), все корни из единицы имеют вид
Они расположены на единичной окружности. Например, корни четвёртой степени из единицы:
Пример: \(\sqrt{1-i\sqrt3}\)
Пример
Пусть
Найдём модуль:
Аргумент числа равен \(-\frac{\pi}{3}\), поэтому
Для квадратного корня получаем
Первый корень:
Второй корень противоположен первому:
Алгоритм нахождения корней
- Представить число в виде \(z=a+bi\).
- Найти модуль \( \rho=\sqrt{a^2+b^2} \).
- Найти аргумент \( \varphi=\arg z \).
- Записать число в форме \(z=\rho e^{i\varphi}\).
- Вычислить \( \sqrt[n]{\rho} \).
- Подставить \(k=0,1,\ldots,n-1\) в формулу корней.