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定理証明済み

ド・モアブルの公式

内容

任意の実数 θ\theta と整数 nn に対して (cos⁡θ+isin⁡θ)n=cos⁡(nθ)+isin⁡(nθ)(\cos\theta + i\sin\theta)^n = \cos(n\theta) + i\sin(n\theta) が成り立つ。

なぜ正しいのか?

cos⁡θ+isin⁡θ\cos\theta+i\sin\theta は単位円上の角度 θ\theta の点にほかならない。そのような点同士を掛け合わせると角度が足し合わされる——これが複素数の掛け算の幾何学的な意味である——ので、ある点を nn 乗すると nn 倍の速さで回転し、ちょうど角度 nθn\theta の位置に到達する。

証明の概略

n≥0n\ge 0 について帰納法を用い、加法定理 cos⁡(a+b)=cos⁡acos⁡b−sin⁡asin⁡b\cos(a+b)=\cos a\cos b - \sin a\sin b と sin⁡(a+b)=sin⁡acos⁡b+cos⁡asin⁡b\sin(a+b)=\sin a\cos b+\cos a\sin b により (cos⁡θ+isin⁡θ)k+1=(cos⁡θ+isin⁡θ)k(cos⁡θ+isin⁡θ)(\cos\theta+i\sin\theta)^{k+1}=(\cos\theta+i\sin\theta)^k(\cos\theta+i\sin\theta) が cos⁡((k+1)θ)+isin⁡((k+1)θ)\cos((k+1)\theta)+i\sin((k+1)\theta) に簡約されることを示す。nn が負の場合は (cos⁡θ+isin⁡θ)−1=cos⁡θ−isin⁡θ=cos⁡(−θ)+isin⁡(−θ)(\cos\theta+i\sin\theta)^{-1}=\cos\theta - i\sin\theta = \cos(-\theta)+i\sin(-\theta) から従う。

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ステップごとの証明

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参考文献

  1. John Stillwell (2010). Mathematics and Its History