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是否任何正數被不斷開平方後都會變成 1?

2020-04-19知識

這個嘛,完全可以寫的更大膽一些,不光所有正數,其實定義好什麽是開方運算後,這個結論對於對於所有非零復數也是成立的。

如果有高三的數學基礎的話,就可以知道復數可以寫成模乘以一個相位,也就是 z=r \mathrm e^{i\theta}, r>0,\theta\in[0,2\pi) ,例如,復數 z = 3+4i=5\mathrm e^{i \arctan(4/3)}

那麽定義 z 的開方為 \sqrt z = \sqrt r \mathrm{e}^{i \theta/2} (註意其實 -\sqrt z 也是滿足開方運算的,但是和實數裏的運算一樣,我們將這個解舍棄)。

基於此定義,如果不斷地進行開方操作,便有

\lim_{n\rightarrow +\infty} z^{1/2^n} =\lim_{n\rightarrow +\infty} r^{1/2^n}\mathrm e^{i\theta/2^n} = 1

如果把復數的模 r 也寫成指數部份,很容易就可以看出,不斷地開方就是指數不斷地趨於0,最後得到的極限當然就是1了。

我覺得該結論應該還可以推廣到咸美頓的四元數。

不僅如此,在矩陣裏面也有類似的結論,對於一個滿秩對稱矩陣 A 而言,不斷地對 A 進行開方運算,最後得到極限是一個單位矩陣。如果稍微知道一點矩陣正交分解的知識,也能發現這個結論也是顯而易見的,由於A是對稱的,所以可以寫成

A=P'\Lambda P

的形式,其中 P 是正交矩陣, P' 表示 P 的轉置(也是P的逆矩陣), \Lambda 是對角矩陣且每個元素都是正數,對角線上的元素為 \{\lambda_1,\lambda_2,\cdots,\lambda_n\} ,

對 A 的不斷開方其實就是對\Lambda 不斷開方,\Lambda 對角線上的所有元素最後趨於1,於是A變趨於單位矩陣了。這裏滿秩的限定就是保證\Lambda 的對角線上沒有零。該結論其實對於更廣泛的一類結論都成立,只要求滿秩矩陣 A 是正規矩陣就行了,即A滿足 A^H A=AA^H ,上標H指共軛轉置。

最後偏個題,可能會有人問你為什麽寫了這麽多呢,原因是我在回答

問題時,想到之所以會有人會困惑虛數i存在與否的根源還是因為不夠了解定義這個數的用途,雖然有了高中基礎便能夠大概知道復數的定義,但是不明白其實際意義。大一時就學習了矩陣,但是也不知道其意義在哪裏,只不過由於受眾相對較少,沒什麽人在知乎上問矩陣是否存在。不論整數、復數、四元數、矩陣,都可以看做是數學家定義出來描述一類規律的工具,並且為了更好的認識大自然,不斷地修修補補,進行擴充。仔細想想,矩陣和正數之間也並沒有那麽大的差距,所以幹脆多寫一些了。