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如何解x^n=1

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首先,在实数范围内,显然当 n n n为偶数时, x = ± 1 x=\pm1 x=±1;当 n n n为奇数时, x = 1 x=1 x=1
接下来,讨论 x x x在复数范围内的情况。

x = r e i θ x=re^{i\theta} x=reiθ
这个结论是显然的,可以通过公式 e i θ = i sin ⁡ θ + cos ⁡ θ e^{i\theta}=i\sin\theta+\cos\theta eiθ=isinθ+cosθ得到
当然, x x x的的极坐标为 ( r , θ ) (r,\theta) (r,θ)
把这个式子直接带入方程,可以得到
r n e i n θ = 1    ⟹    e i n θ = r − n r^ne^{in\theta}=1\implies e^{in\theta}=r^{-n} rneinθ=1einθ=rn
代入 e i θ = i sin ⁡ θ + cos ⁡ θ e^{i\theta}=i\sin\theta+\cos\theta eiθ=isinθ+cosθ,得到
i sin ⁡ n θ + cos ⁡ n θ = r − n i\sin n\theta+\cos n\theta=r^{-n} isinnθ+cosnθ=rn
由于 r r r是非负实数,所以 sin ⁡ n θ = 0.. . ( 1 ) \sin n\theta=0...^{(1)} sinnθ=0...(1) cos ⁡ n θ = r − n . . . ( 2 ) \cos n\theta=r^{-n}...^{(2)} cosnθ=rn...(2)
( 2 ) (2) (2)式得, θ = k π \theta=k\pi θ=kπ,代入 ( 2 ) (2) (2)得到, r − n = ± 1 r^{-n}=\pm1 rn=±1
因为 r r r是非负数,所以 r − n ≥ 0 r^{-n}\ge0 rn0,所以 r − n = 1 r^{-n}=1 rn=1,所以 cos ⁡ n θ = 1 \cos n\theta=1 cosnθ=1,所以
n θ = 2 k π    ⟹    θ = 2 k π n n\theta=2k\pi\implies\theta=\frac{2k\pi}{n} nθ=2kπθ=n2kπ
因为 ( r , θ ) (r,\theta) (r,θ) ( r , θ + 2 π ) (r,\theta+2\pi) (r,θ+2π)是一个点,所以 k = 0 , 1 , . . . , n − 1 k=0,1,...,n-1 k=0,1,...,n1,而这个方程一定有 n n n个解,所以这是方程的全部解,即
x = e 2 i k n π ( k = 0 , 1 , . . . , n − 1 ) x=e^{2i\frac{k}{n}\pi}(k=0,1,...,n-1) x=e2inkπ(k=0,1,...,n1)
在坐标系中表现为单位圆的包含 1 1 1 n n n等分点

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