Извлечение корня из комплексного числа: формула Муавра
Извлечение корня из комплексного числа — это операция, результатом которой является не одно, а несколько различных значений. В отличие от действительных чисел, где корень квадратный из положительного числа дает два значения (плюс и минус), в комплексной плоскости количество корней всегда в точности равно степени корня.
Корень $n$-й степени $\sqrt[n]{z}$ из любого комплексного числа $z$, не равного нулю, вычисляется при помощи формулы Муавра:
$$\sqrt[n]{z} = \sqrt[n]{|z|}\left( \cos{\dfrac{\varphi + 2\pi k}{n}} + i \sin{\dfrac{\varphi + 2\pi k}{n}} \right)$$
где $n \in \mathbb{N}, n \ge 2$, а параметр $k$ последовательно принимает значения от $0$ до $n-1$.
Как видно из формулы, прежде чем извлекать корень из числа в алгебраической форме $z = a + bi$, необходимо найти его модуль $|z|$ и аргумент $\varphi$.
Алгоритм вычисления и пример
Рассмотрим процесс на примере вычисления $\sqrt{\sqrt{2} + \sqrt{2}i}$. В данном случае степень корня $n = 2$ (корень квадратный), следовательно, мы получим два различных значения.
1. Представим число в тригонометрической форме:
$z = \sqrt{2} + \sqrt{2}i \implies a = \sqrt{2}, b = \sqrt{2}$
2. Найдем модуль $|z|$:
$|z| = \sqrt{a^2 + b^2} = \sqrt{{\left(\sqrt{2}\right)}^2 + {\left(\sqrt{2}\right)}^2} = \sqrt{4} = 2$
3. Найдем аргумент $\varphi$:
Так как $a > 0$, то $\varphi = \text{arctg}{\dfrac{b}{a}} = \text{arctg}{\dfrac{\sqrt{2}}{\sqrt{2}}} = \dfrac{\pi}{4}$
4. Запишем тригонометрическую форму:
$z = 2 \cdot \left(\cos{\dfrac{\pi}{4}} + i \sin{\dfrac{\pi}{4}}\right)$
5. Применим формулу Муавра для $n = 2$:
При $k = 0$:
$z_{1} = \sqrt{2}\left( \cos{\dfrac{\frac{\pi}{4} + 2\pi \cdot 0}{2}} + i \sin{\dfrac{\frac{\pi}{4} + 2\pi \cdot 0}{2}}\right) = \sqrt{2} \cdot \left( \cos{\dfrac{\pi}{8}} + i \sin{\dfrac{\pi}{8}}\right)$
При $k = 1$:
$z_{2} = \sqrt{2}\left( \cos{\dfrac{\frac{\pi}{4} + 2\pi \cdot 1}{2}} + i \sin{\dfrac{\frac{\pi}{4} + 2\pi \cdot 1}{2}}\right) = \sqrt{2} \cdot \left( \cos{\dfrac{9\pi}{8}} + i \sin{\dfrac{9\pi}{8}}\right)$
Геометрическая интерпретация
Понимание того, как корни располагаются на комплексной плоскости, помогает проверить правильность расчетов без калькулятора.
Геометрические свойства корней:
- Все значения корней $\sqrt[n]{z}$ лежат на одной окружности с центром в начале координат.
- Радиус этой окружности равен $\sqrt[n]{|z|}$.
- Точки, соответствующие корням, делят окружность на равные части, являясь вершинами правильного $n$-угольника.
- Угловое расстояние между соседними корнями всегда равно $\dfrac{2\pi}{n}$.
Главное значение корня
Если значение аргумента исходного числа является главным, то при $k = 0$ будет получено главное значение корня. Наш калькулятор при работе с алгебраической формой всегда вычисляет именно главное значение аргумента, поэтому первый корень ($z_1$) всегда будет главным.
Наш сервис позволяет вычислить до 20 корней за один раз. Если вам требуется найти корень под специфическим номером (более 20), воспользуйтесь функцией выбора конкретного номера в выпадающем списке калькулятора.