方程两个根怎么算(如何表示这个方程的n个根)(1)

稍微懂点数学的同学可能知道n次多项式应该有n个根。即如下形式的多项式,

方程两个根怎么算(如何表示这个方程的n个根)(2)

有n个解。让我们看一个简单的例子,

方程两个根怎么算(如何表示这个方程的n个根)(3)

我们可以将其分解为,

方程两个根怎么算(如何表示这个方程的n个根)(4)

这三个因子中至少有一个是零,因此x = -2, x = -1, x = 5就是这个三次多项式的根。另一种求这类多项式根的方法是画出它们的图形,并寻找图形与x轴相交的点,在上面的例子中,我们可以看到预期的三个这样的点,

方程两个根怎么算(如何表示这个方程的n个根)(5)

然而,当我们看一个非常简单的n次多项式时,很难看出它怎么会有n个根,

方程两个根怎么算(如何表示这个方程的n个根)(6)

以下是1≤n≤6时的多项式的图形,

方程两个根怎么算(如何表示这个方程的n个根)(7)

可以看到,图中只显示了奇数次的一个根,以及偶数次的只有两个根(x =±1)。对于n = 1和n = 2,这很好,但对于n≥3,其他根在哪里?

复根和欧拉公式

这个难题的答案可以通过对多项式因式分解来找到,例如n=3的情况,

方程两个根怎么算(如何表示这个方程的n个根)(8)

第一个因子告诉我们可以在图上看到的根(x=1),第二个因子(二次多项式)没有实根。这个二次方程的根是复数。因为这些根不是实数,所以它们不会出现在标准的实数x-y图中。

但是如果我们更仔细地观察复根的实部和虚部,会发现一些有趣的东西。实部的绝对值是1/2虚部的绝对值是

方程两个根怎么算(如何表示这个方程的n个根)(9)

注意,1、根号3和2是角为π/3的直角三角形的边,因此cos(π/3) = 1/2,sin(π/3) =√3/2。因此这里的复根是

方程两个根怎么算(如何表示这个方程的n个根)(10)

方程两个根怎么算(如何表示这个方程的n个根)(11)

我们看到,所有三个根都可以由公式得到,

方程两个根怎么算(如何表示这个方程的n个根)(12)

对应于k = 0,1,2。这对熟悉欧拉公式的人来说可能很熟悉,

方程两个根怎么算(如何表示这个方程的n个根)(13)

由此我们可以得出这样的结论:

方程两个根怎么算(如何表示这个方程的n个根)(14)

对于k = 0,1,2或者任何整数k因为这些值在复平面上绕半径为1的圆循环重复。根据这个观察,很容易将这个结果推广到任何形式的多项式:

方程两个根怎么算(如何表示这个方程的n个根)(15)

它的根是

方程两个根怎么算(如何表示这个方程的n个根)(16)

De Moivre定理另一种方法是使用De Moivre定理,

方程两个根怎么算(如何表示这个方程的n个根)(17)

De Moivre定理很容易从上面的欧拉公式推导出来。现在如果我们用De Moivre定理,对于θ = 2kπ,有,

方程两个根怎么算(如何表示这个方程的n个根)(18)

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