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定理已证明

棣莫弗公式

命题陈述

对任意实数 θ\theta 和整数 nn,都有 (cos⁡θ+isin⁡θ)n=cos⁡(nθ)+isin⁡(nθ)(\cos\theta + i\sin\theta)^n = \cos(n\theta) + i\sin(n\theta)。

为什么成立?

cos⁡θ+isin⁡θ\cos\theta+i\sin\theta 其实就是单位圆上角度为 θ\theta 的点。两个这样的点相乘会把它们的角度相加——这正是复数乘法的几何意义——所以把一个点取 nn 次幂,就相当于把旋转速度加快 nn 倍,恰好落在角度 nθn\theta 处。

证明思路

对 n≥0n\ge 0 用归纳法,借助和角公式 cos⁡(a+b)=cos⁡acos⁡b−sin⁡asin⁡b\cos(a+b)=\cos a\cos b - \sin a\sin b 与 sin⁡(a+b)=sin⁡acos⁡b+cos⁡asin⁡b\sin(a+b)=\sin a\cos b+\cos a\sin b,证明 (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) 化简为 cos⁡((k+1)θ)+isin⁡((k+1)θ)\cos((k+1)\theta)+i\sin((k+1)\theta);nn 为负的情形则由 (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) 得到。

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分步证明

该定理暂无分步证明。

参考文献

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