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3.3 ω

「接下來,再給你出道題。」米爾嘉說。

問題 3-3

將以下數列的通項 cnn 來表示。

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「這個數列是什麼?」我問道。

「嗯?你還不知道啊?」在說這話時,她帶著一種輕視嘲諷的語氣。她直白地表露出,她實在是太吃驚了。她那種口氣就彷彿在說:「你連自己的右手上有 5 個手指頭都不知道嗎?」

看到她這麼吃驚,我感到很丟臉,但我也顧不上這些了,忍著將話題重新拉回到數學上。

「1, , 這 3 項循環出現——這樣回答是不是很沒意思啊?」我注視著米爾嘉的面部表情。

「確實是沒有意思。你沒能解開謎底,沒看透其背後的結構,根本就沒有抓住問題的本質。」她潑了我一盆冷水。

「那麼,這個數列的本質到底是什麼呀?」我問道。

「本質當然就是看 1, , 這 3 項到底有什麼規律嘍。但你並沒有發現。這樣,我們用觀察數列的常用方法來做做看。」米爾嘉說。

「觀察數列的常用方法……先來看看階差數列吧。」我在練習本上算起來。

對於數列 ,我們可以考慮以下數列

按照 的順序依次計算,求出

n012345...dn...

嗯,我現在一點都不知道呢。

「怎麼樣?」米爾嘉窮追不捨。如果馬上就能求出解,勝利的曙光就在眼前的話,我會急於往下算。但我現在還正值摸索階段,不能著急不能慌張。

「我還是不明白。」我老老實實地回答。

「那是因為你觀察數列時只會運用階差數列這個常用方法吧。」她笑著對我說。

「要是不求兩項的差,剩下的只有求兩項的比這個方法了吧?」我問。

「那你快做啊。」

好吧好吧……對於 這個數列,因為 cn 不可能為 0,所以不用擔心分母為 0 時分式無意義的情況。計算後得……

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「啊 !」整個 數列全都是 這一項,我不禁大吃一驚。

「有什麼好吃驚的?」她問。

「你看,取了前後兩個數的比後得到的商是相同的。」

「這倒是。數列 是首項 c0 為 1、公比為 的等比數列。其實就是 這 3 項中任意一項的 3 次方都是 1。也就是說,這 3 項都滿足一元三次方程式 x3 = 1。」

「滿足方程 x3 = 1 啊?」

「是啊。x3 = 1 是個一元三次方程,滿足此方程的複數有 3 個。你知道怎麼解這個方程嗎?」米爾嘉問我。

「嗯,我想我應該會。因為我知道 x = 1 是這個方程的一個解,然後提取(x - 1)這個公因式就可以了。」

「接著呢?」米爾嘉問。

「接下來要解 x2 + x +1 = 0 這個方程式。一元二次方程 ax2 + bx + c = 0 的求解公式為 ,使用這個求解公式就可以了。」我邊說邊計算著。

聽了我的解釋,米爾嘉點了點頭。

「是啊。那現在先將 定義為 ω。」

ω2 和 相等。」

「1 連續和幾個 ω 相乘後,就形成以下數列。」

「因為 ω3 = 1,所以這個數列又可以寫成以下形式。」

「也就是說, 這個數列就恰巧是數列 ,那麼將 這 3 個數在複數平面上表示看看。快快快 !」米爾嘉好像很興奮。

「哇 ! 這圖是不是正三角形啊?」我問。

「從數列的週期性聯想到圓是很自然的,根據循環重複的道理求出圖形是圓也是很自然的。那些把這組數列看成是實數軸上的數字的人會認為這些數字只是在『振動』,但如果能把這組數列看成是複數平面上的點的話,就會發現這些數字是在『旋轉』,進而能夠發現這個圖形的結構。對吧?」她問。

解答 3-3

這裡令

米爾嘉的臉頰有點微微泛紅,舌頭也開始打結:「到現在為止,我們討論了 4 等分點和正方形、3 等分點和正三角形。如果將其一般化,也就是關於 n 等分點和正 n 邊形的問題。這就和棣莫弗定理息息相關了。」

棣莫弗定理

「棣莫弗定理的主要內容就是『複數 cosθ + i sinθn 次方是 cos θ + i sin 』。從圖形的角度來說,棣莫弗定理主要說的就是『單位圓上的角 θ 反覆旋轉 n 次後其實就是轉了 』。透過數學公式,我們應該能夠看到單位圓上點的旋轉。」米爾嘉看著我,用手指畫了個圓。

「在棣莫弗定理中,如果 n = 2,立刻就能推導出倍角公式。」

「接下來只需將兩邊的實部和虛部分別畫上等號即可。」米爾嘉繼續說。

「好了,這就是倍角公式了。」米爾嘉說。

「你不是玩過 θ 在矩陣中的旋轉變化嗎?反正是玩,不如將旋轉的點畫成圖形,當作三角函數看,或者再到複數數列裡變化看看,這樣更好玩吧 !」她說。

我完全敗在了米爾嘉的手下,什麼話都說不出來。

「你從 ω3 = 1 這一點就能看出這是單位圓的三等分點了吧;你也能看出 這個偏角、複數平面上的正三角形,以及由 ω 產生的三拍轉一圈的旋轉了吧;你還能看到 1, ω, ω2 這三個小人在複數平面中舞蹈了吧。」米爾嘉一口氣說完。

「你看到 ω 跳的華爾茲了嗎?」她嫣然一笑。