复算术-欧氏几何与初等代数

第 1 章 几何和复算术

1.1 复数的性质

1.1.1 复数的运算

见复分析笔记.

1 几何解释
2 指数加减
eiθ+eiϕ=2cos⁡θ−ϕ2⋅ei(θ+ϕ)2,eiθ−eiϕ=2isin⁡θ−ϕ2⋅ei(θ+ϕ)2.
证明

1.1.2 前置的知识

这部分是为了求出本初单位根的个数, 以及推导分圆多项式相关的几个公式而学的, 跳过对复分析的理解影响不大. 空降下一节

定义 1 (莫比乌斯函数) 将 n 质因数分解为 p1α1p2α2⋯pkαk,αi≥1, 定义 莫比乌斯函数 为:

μ(n):={0,∃i:αi≥2,(−1)k,∀i:αi=1.

备注 当 n=1 时, k=0, 则 αi 的集合为空集, 由于假命题可以推出任何命题, (∀x∈∅:x=1) 是真命题, 从而 μ(1)=1, 可以不用额外定义.


定义 2 (单位数论函数) 并称 I(n)=S(n)=∑d∣nμ(d) 为 单位数论函数.

备注 定义域为正整数、陪域为复数的函数称为 数论函数 (算术函数). 单位数论函数命名的缘由可以参考定理 8.


定理 1 单位数论函数可表示为

S(n)=∑d∣nμ(d)=∑d∣nμ(nd)=⌊1n⌋={1,n=1,0,n>1.

证明 d∣n⇔nd∣n, 故等式第一行成立, 下证第二行.

  1. 当 n=1 时, S(1)=μ(1)=1.

  2. 当 n>1 时, S(n)=∑i=1kCki(−1)i=(1−1)k=0.

推论 [gcd(i,j)=1]=∑d∣gcd(i,j)μ(d), 这个看似无用的结论将在后文求解欧拉函数时用到.

备注 ∑d∣nf(d)=∑d∣nf(nd) 这个显然的事实很有用.


定理 2 (莫比乌斯反演定理)

F(n)=∑d∣nf(d)⇔f(n)=∑d∣nF(nd)μ(d).

证明

  1. 充分性

∑d∣nμ(d)F(nd)=∑d∣nμ(d)∑i∣ndf(i)=∑id∣nμ(d)f(i)=∑i∣nf(i)∑d∣niμ(d)=∑i∣nf(i)S(ni)=f(n).
  1. 必要性

∑d∣nf(d)=∑d∣n∑i∣dF(i)μ(di)=∑i∣d,d∣nF(i)μ(di)=∑i∣n∑i∣d,di∣niF(i)μ(di)=∑i∣nF(i)S(ni)=F(n).

备注 上述交换求和的方式称为富比尼原理.


定理 3 (莫比乌斯反演定理的乘积形式)

F(n)=∏d∣nf(d)⇔f(n)=∏d∣nF(d)μ(nd).

证明

  1. 充分性

∏d∣nF(d)μ(nd)=∏d∣nF(nd)μ(d)=∏d∣n∏i∣ndf(i)μ(d)=∏id∣nf(i)μ(d)=∏i∣n∏d∣nif(i)μ(d)=∏i∣nf(i)S(ni)=f(n).
  1. 必要性

∏d∣nf(d)=∏d∣n∏i∣dF(i)μ(di)=∏i∣n∏i∣d,di∣niF(i)μ(di)=∏i∣nF(i)∑μ(di)=∏i∣nF(i)S(ni)=f(n)

推论 若 F(n)=∑n∣mf(m), 则 f(n)=∑n∣dμ(dn)F(d).

证明

∑n∣dμ(dn)F(d)=∑n∣dμ(dn)∑d∣if(i)=∑n∣if(i)∑d′∣inμ(d′)=∑n∣if(i)S(in)=f(n)

定理 4 (富比尼原理的应用)

∑d=1nμ(d)⌊nd⌋=1.

证明

∑d=1nμ(d)⌊nd⌋=∑d=1nμ(d)∑d∣l,l≤n1=∑l=1n∑d∣lμ(d)=1.

定理 5 (欧拉函数的性质)

φ(n)=n∑d∣nμ(d)d.

证明

φ(n)=∑m≤n,(m,n)=11=∑m=1n∑d∣(m,n)μ(d)=∑d∣nμ(d)∑d∣m,m≤n1=∑d∣nndμ(d).

推论 将 n 质因数分解为 p1α1p2α2⋯pkαk,αi≥1, 则

φ(n)=n∑d∣p1α1⋯pkαkμ(d)d=n∑d∣p1⋯pkμ(d)d.

定理 6 (欧拉函数的计算) 将 n 质因数分解为 p1α1p2α2⋯pkαk,αi≥1, 则

φ(n)=n∏i=1k(1−1pi)=∏i=1kpiαi−1(pi−1).

证明 显然. 但我不知道如何由定理 5 推得.


定义 3 (狄利克雷卷积) (f∗g)(n):=f(n)∗g(n):=∑d∣nf(d)g(nd).

备注 另一常用形式是 f(n)∗g(n)=∑ab=nf(a)g(b).


定理 7 狄利克雷卷积满足 交换律 和 结合律.

证明 交换律由定理 1 的备注即得, 下证结合律.

f(n)∗[g(n)∗h(n)]=∑ad=nf(a)∑bc=dg(b)h(c)=∑abc=nf(a)g(b)h(c)=∑dc=n(∑ab=df(a)g(b))h(c)=[f(n)∗g(n)]∗h(n).

定理 8 单位数论函数是卷积单位元, 即

f(n)∗I(n)=I(n)∗f(n)=f(n).

证明

f(n)∗I(n)=∑d∣nf(d)I(nd)=∑d∣nf(d)⌊dn⌋=f(n).

备注 可利用狄利克雷卷积证明莫比乌斯反演公式.


定义 4 (狄利克雷逆) 若数论函数满足 f∗g=g∗f=I, 则称 f 和 g 互为对方的 狄利克雷逆.

备注 后文的 f−1 一律指狄利克雷逆; 在代数中 f−1 一般指逆函数; 在分析中 f−1 一般指倒数.

例子


定理 9 狄利克雷卷积在 G={f(n)∣f 是数论函数,且 f(1)≠0} 上构成阿贝尔群.

证明 由上可知, 该代数系统是封闭的、结合的、交换的, 且具有幺元, 下证逆元存在.

由定义代入 n=1 得 f−1(1)=1f(1), 将此式代入定义, 得

f−1(n)=−1f(1)∑d∣n,d<nf(nd)f−1(d),(n>1)

因此狄利克雷逆元存在且唯一, 因此 ⟨G,∗⟩ 是阿贝尔群.

备注 进一步, ⟨G,+,∗⟩ 还是阿贝尔环.


定理 10 若数论函数 f(n),g(n) 满足 f(1)≠0,g(1)≠0, 则

(f∗g)−1=f−1∗g−1.

证明 f−1∗(f∗g)=I∗g=g, 这是阿贝尔群的直接推论.


定义 5 (积性函数) 若任意 gcd(m,n)=1, 有 f(mn)=f(m)f(n), 则数论函数 f(n) 称为 积性函数.

定义 6 (完全积性函数) 若 ∀m,n∈Z, 有 f(mn)=f(m)f(n), 则称数论函数 f(n) 为 完全积性函数.

例子


定理 11 (积性函数的性质)

  1. 若积性函数 f(n) 非恒等于 0, 则 f(1)=1.

  2. 若 f(n) 和 g(n) 都是积性函数, 则 f(n)∗g(n) 也是积性函数.

  3. 若 f(n) 是积性函数, 则 f−1(n) 也是积性函数.

  4. 若 f(n)∗g(n) 和 g(n) 都是积性函数, 则 f(n) 也是积性函数.

证明

  1. 记 f(a)≠0, 则由 f(1)f(a)=f(a) 可推出 f(1)=1.

  2. (f∗g)(mn)=∑d∣mnf(d)g(mnd)=∑a∣m,b∣nf(ab)g(mnab)=(∑a∣mf(a)g(ma))(∑b∣nf(b)g(nb))=[(f∗g)(m)]⋅[(f∗g)(n)].
  3. 利用递推表达式, 使用数学归纳法.

    1. 当 mn=1 时, f−1(1)=1f(1)=1.

    2. 当 mn>1 时,

      f−1(mn)=−1f(1)∑d∣mn,d<mnf(mnd)f−1(d)=−∑a∣m,b∣n,ab<mnf(ma)f−1(a)f(nb)f−1(b)=−(∑a∣m,a<m∑b∣n,b<n+∑a=m,b∣n,b<n+∑b=n,a∣m,a<m)f(ma)f−1(a)f(nb)f−1(b)=−[f−1(m)f−1(n)−f−1(m)f−1(n)−f−1(m)f−1(n)]=f−1(m)f−1(n).
  4. 由 f=(f∗g)∗g−1 知其为积性函数.

1.1.3 本初单位根

记 n 次单位根为 ωn=e2πin, 若其集合 Sn={ωnk∣k∈Zn} 可由 ωk 生成, 即 Sn=⟨ωk⟩, 则称 ωnk 为本初 n 次单位根 (或 n 次本原单位根).

1.1.4 分圆多项式

根为所有本初 n 次单位根的最小多项式为 Φn(z), 称为 n 阶分圆多项式.

证明

1.2 复数的变换

1.2.1 保向变换

1.2.2 反向变换

1.2.3 相似变换

1.3 复数的应用

1.3.1 几何

1 三角函数

∑i=1ncos⁡(an+b)=sin⁡(an+a2)−sin⁡(a2+b)2sin⁡a2∑i=1nsin⁡(an+b)=cos⁡(an+a2)−cos⁡(a2+b)−2sin⁡a2

法一: 积化和差, 裂项相消.

法二: 化为复数, 等比求和.

2 欧氏几何

Thebault 第一问题: 在任意一个四边形的四个边上各做一个正方形, 则连接相对的正方形中心的线段互相垂直等长.

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证法一 (复数法)

 

证法二 (变换法)

 


对于任意三角形, 各边向外做一个等边三角形,则这些等边三角形重心成一等边三角形.


若 A,B,C,D 为单位圆上的四点, 且 A+B+C+D=0, 则该四点必成一矩形.

证明

 

3 平面向量

1.3.2 代数

1 因式分解
实系数多项式可以分解为实线性因式和实二次因式.

 

2 恒等式

若两个整数可写成两个平方之和, 则其积亦然, 因为

|(a+ib)(c+id)|2=|(ac−bd)+i(ad+bc)|2.
3 高斯系鞋带定理

记任意的 n 边形各个顶点为 ai,i=1,2,⋯,n, 并且令 an+1=a1, 则其面积为

A=∑i=1nai×ai+12=Im∑i=1na―iai+12=∑i=1nxiyi+1−xi+1yi2.

1.3.3 分析

1 求导

由 dndtne(a+ib)t=(a+ib)ne(a+ib)t 得,

2 积分

由 ∫e(a+ib)xdx=a−iba2+b2e(a+ib)x+C 得,

1.3.4 组合

由 (a+b)n=∑r=0n(nr)an−rbr 代入 a=1,b=i,n=2m 得

1.4 变换与几何

1.5 多项式方程

1.5.2 二次方程

思路一: 配方法

对于 ax2+bx+c=0, 有 (x+b2a)2=b2−4ac4a, 于是 x1,x2=−b±b2−4ac2a.


思路二: 韦达定理

对于 x2−σ1x+σ2=0, 令 δ=x1−x2, 则有

{x1+x2=σ1,(x1−x2)2=σ12−4σ2.

解之即得 x1,x2.


判别法则

由思路一, 令 Δ=b2−4ac, 则有

1.5.3 三次方程

对于 ax3+bx2+cx+d=0, 令 t=x+b3a 即可化为 t3+Bt+C=0.

方便起见, 下面只研究 x3=3px+2q. 习惯上, 令 ωn=e2πin, ω=ω3.

思路一: 变量代换

  1. 令 x0=s+t, 则当 st=p 且 s3+t3=2q 时, 此 x0 为三次方程之根.

  2. 解得 s3,t3=q±q2−p3, 从而求出三次方程的三根: {x0=s+t,x1=ωs+ω2t,x2=ω2s+ωt.


思路二: 三角换元

  1. 代入 x=2pcos⁡θ, 即得 4cos3⁡θ−3cos⁡θ=cos⁡3θ=qpp.

  2. 于是 x=2pcos⁡ϕ+2kπ3, 其中 ϕ=arccos⁡qpp.

注: 思路一和思路二的公式本质上是一样的, 其中 arg⁡s3=ϕ,|s3|=pp.


思路三: 减少对称 S3→C3→{e}

对于 x3−σ1x3+σ2x−σ3=0, 其中 σk 为初等对称多项式, 令

{X1=(x1+ωx2+ω2x3)3,X2=(x1+ω2x2+ωx3)3.

则 X1 和 X2 都是轮换对称多项式, 且

{X1+X2=2σ13−9σ1σ2+27σ3,X1⋅X2=(σ12−3σ2)3{x1+ωx2+ω2x3=X13,x1+ω2x2+ωx3=X23,x1+x2+x3=σ1.

解之即得 x1,x2,x3.


判别法则

结合思路一与思路二可得, 对于实系数三次方程,

1.5.3 四次方程

思路一: 费拉里法

对于 x4+bx3+cx2+dx+e=0, 先消去三次项再配方, 则等价于

(x2+12bx+y)2=(14b2−c+2y)x2+(12by−d)x+y2−e,

令右式关于 x 的判别式为零, 即解关于 y 的三次方程, 即得关于 x 的两个二次方程, 解之即得原方程的四个根.


思路二: 欧拉解法

消去三次项, 并将 x4+cx2+dx+e=0 因式分解为

(x2+p1x+q1)(x2+p2x+q2)=0,

待定系数法解三次方程即得上述系数, 从而得四次方程的四根.


思路三: 变量代换

对于 x4+cx2+dx+e=0, 作 x=u+v+w, 则当

{u2+v2+w2=−c2,u2v2+v2w2+w2u2=c2−4e16,uvw=−q8.

时, 等式成立, 并且上述方程组的解即三次方程的解. 于是解 u,v,w 即得 x.


思路四: 减少对称 S4→D2→{e}

对于 x4−σ1x3+σ2x2−σ3x+σ4=0, 其中 σk 为初等对称多项式,

{W1:=x1x2+x3x4,W2:=x1x3+x2x4,W3:=x1x4+x2x3.⇒{h1:=W1+W2+W3=σ2,h2:=W1W2+W2W3+W3W1=σ1σ3−4σ4,h3:=W1W2W3=σ12σ4+σ32−4σ2σ4.

W1,W2,W3 即为 W3−h1W2+h2W−h3=0 的解, 于是有

{(x1x2)+(x3x4)=W1,(x1x2)(x3x4)=σ4,{(x1+x2)+(x3+x4)=σ1,(x1+x2)(x3+x4)=W2+W3,⇒{x1x2,x1+x2.{x3x4,x3+x4.⇒{x1,x2,x3,x4.

判别法则

对于 ax4+4bx3+6cx2+4dx+e=0, 令:

H=b2−ac,I=ae−4bd+3c2,G=a2d−3abc+2b3,J=4H3−a2HI−G2a3,Δ=I3−27J2,δ=12H2−a2I.

那么有如下根的判别法则:

 

第 2 章 作为变换的复函数

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