複素数の根計算機 - ド・モアブルの定理で n 乗根
極形式とド・モアブルの定理を使って、任意の複素数 a + bi の n 乗根をすべて求め、各根を直交形式と極形式で表示します。
複素数の実部と虚部、そして根の次数を入力すれば、n 個の異なる根を数秒で確認できます。
複素数の根計算機 - ド・モアブルの定理で n 乗根
極形式とド・モアブルの定理を使って、任意の複素数 a + bi の n 乗根をすべて求め、各根を直交形式と極形式で表示します。
複素数の根計算機について
0 でない複素数には必ず n 個の異なる n 乗根があり、この計算機は複素数の極形式とド・モアブルの定理を使ってそれらを一度に求めます。複素数 z = a + bi に対して、絶対値は r = √(a² + b²)、偏角は θ = atan2(b, a) です。極形式では z = r(cosθ + i·sinθ) と書け、n 個の n 乗根は z_k = r^(1/n) · (cos((θ + 2πk)/n) + i·sin((θ + 2πk)/n)) で、k = 0, 1, …, n − 1 です。
幾何学的には、n 個の根は複素平面上の原点中心、半径 r^(1/n) の円周上に並び、互いに 2π/n ラジアンずつ離れています。k = 0 の根は主根と呼ばれ、正の実軸に最も近く(偏角は θ/n)、原点のまわりに 2π/n 回転させると次の根へ移ります。これが、1 の n 乗根が単位円に内接する正 n 角形を作る理由です。
複素数の根は単なる代数の話ではありません。電気工学では、1 の n 乗根が三相電力系のフェーザを表し、デジタル信号処理の離散フーリエ変換の基礎になります。制御理論では、複素平面上の根の位置が線形システムの安定性を決めます。量子力学では、複素振幅とその根が波動関数や周期ポテンシャルの解析に現れます。純粋数学でも、1 の n 乗根は円分体を生成し、現代代数学の中心的対象です。
よくある誤解は、複素数には根が 1 つしかない、あるいは −1 の平方根は i だけだというものです。実際には −1 には i と −i の 2 つの平方根があり、1 にはすべての正整数 n に対して n 個の異なる n 乗根があります。計算機はそれらを a_k + b_k·i の形でまとめて表示し、見やすいように小数点以下を一定桁に丸めます。実数入力で偶数次数の根では共役複素数の組になり、n が奇数で入力が負の実軸上にある場合は、ちょうど 1 つの根が実数かつ負になります。
z^n = w を解く必要があるとき、複素数範囲で多項式を因数分解したいとき、1 の根を調べたいとき、あるいは複素解析や工学数学の宿題を確認したいときに、この複素数の根計算機を使ってください。
計算例
いくつかの定番入力で、n 個の根が複素平面上にどう分布するかを見てみましょう。
| 入力 (z, n) | 根 | 注記 |
|---|---|---|
| z = 8 + 0i, n = 3 | 2, −1 + 1.7320508i, −1 − 1.7320508i | 8 の立方根の定番例。1 つの実根と 1 組の共役複素根が、半径 2 の円上で 120° ずつ離れています。 |
| z = 0 + 1i, n = 2 | 0.7071068 + 0.7071068i, −0.7071068 − 0.7071068i | i の 2 つの平方根。単位円上の 45° と 225° にあり、ちょうど 180° だけ異なります。 |
| z = −16 + 0i, n = 4 | 1.4142136 + 1.4142136i, −1.4142136 + 1.4142136i, −1.4142136 − 1.4142136i, 1.4142136 − 1.4142136i | −16 の 4 乗根。4 つの根はすべて半径 16^(1/4) = 2 の円上にあり、90° ずつ等間隔で、主根の偏角は 45° です。 |
| z = 1 + 1i, n = 3 | 1.0842150 + 0.2905145i, −0.7937005 + 0.7937005i, −0.2905145 − 1.0842150i | 1 + i の立方根。絶対値は √2、偏角は 45° なので、主根の偏角は 15° です。 |
複素数の根計算機の使い方
- 最初の欄に、複素数 z = a + bi の実部 a を入力します。
- 2 つ目の欄に虚部 b を入力します。純粋な実数なら 0 を入れてください。
- 根の次数 n を 1 から 20 の正の整数で入力します。
- 「根を計算」をクリックすると、すべての n 個の異なる直交形式の根 a_k + b_k·i が表示されます。
- 「リセット」をクリックすると入力が消え、別の複素数を試せます。
複素数の根 FAQ
ド・モアブルの定理とは何ですか?
ド・モアブルの定理は、任意の実数 θ と整数 n について、(cosθ + i·sinθ)^n = cos(nθ) + i·sin(nθ) が成り立つという定理です。両辺の n 乗根を取ることで、極形式で書かれた複素数の n 個の異なる n 乗根の標準公式が得られます。
複素数には n 乗根がいくつありますか?
0 でない複素数には、ちょうど n 個の異なる n 乗根があります。0 の n 乗根は 0 ただ 1 つです。n 個の根は、半径 r^(1/n) の円上で 2π/n ラジアンずつ等間隔に並びます。
主根とは何ですか?
主根は式の k = 0 に対応する根で、最小の非負偏角 θ/n を持ちます。多くのプログラミング言語の組み込み複素数べき乗関数が返す値であり、1 つだけ答えが必要なときの慣例的な選択です。
なぜ複素数の根は重要なのですか?
交流回路解析、信号処理、制御系の安定性、量子力学、流体力学、多項式方程式の解法など、科学と工学の広い範囲に現れます。特に 1 の根は離散フーリエ変換の中心です。
根の次数は負数や 0 にできますか?
いいえ。n 乗根は正の整数 n に対してのみ定義されます。n = 0 の演算は未定義で、負の次数は根の逆数を表します。まず n 乗根を求め、その後それぞれの逆数を取ってください。
なぜ結果に小数が多いのですか?
複素数の n 乗根の多くは無理数なので、見やすさと数値精度のバランスを取るために各成分をおよそ 8 桁の小数に丸めています。厳密な記号解が必要なら、CAS を使ってください。
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