複數的 n 次方根(n-th roots of a complex number)
求 w 的一個 n 次方根,意思是求每一個滿足 z^n = w 的 z。在實數中,一個正數至多有兩個平方根,負數則一個也沒有;在複數中情形遠為乾淨而對稱:每一個非零複數恰有 n 個相異的 n 次方根,不多不少。極式讓它們現形,因為棣美弗的角度乘法能俐落地反過來運作。
方法如下,以平實的步驟走一遍。把 w 寫成極式 w = R e^(i phi)。一個 n 次方根的模必須等於 R 的實 n 次方根(尋常的正根),而它的角 theta 須使 n theta 等於 phi 加上任意整數圈。解出 theta = (phi + 2 pi k)/n。令 k = 0、1、2 直到 n - 1,得到 n 個真正不同的角;超出之後值就重複了。所以這 n 個根是 z_k = R^(1/n) e^(i (phi + 2 pi k)/n),k = 0、1、...、n - 1。
從幾何上看,這幅圖極美:n 個根的模都相同,皆為 R^(1/n),所以它們落在同一個圓上,而它們的角以 2 pi / n 等間隔分布,因此構成一個以原點為中心的正 n 邊形的頂點。這正是單位根(特例 w = 1)背後的 n 次方根機器,它一筆便道出為何複數不同於實數,能給出每個多項式的全部根。
8 的立方根:寫 8 = 8 e^(i 0)。則 z_k = 2 e^(i (2 pi k)/3),k = 0、1、2,得 2、2 e^(i 2 pi/3) = -1 + sqrt(3) i、2 e^(i 4 pi/3) = -1 - sqrt(3) i——半徑為 2 的圓上的一個正三角形。
n 個根,模相同,角相差 2 pi / n:一個正 n 邊形的頂點。
別把複數的 n 次方根寫成「那個」彷彿是單一個數——它有 n 個。記號 z^(1/n) 是多值的;要釘住單一個值,得選定一個分支,與對數的情形如出一轍。