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是否任何正数被不断开平方后都会变成 1?

2020-04-19知识

这个嘛,完全可以写的更大胆一些,不光所有正数,其实定义好什么是开方运算后,这个结论对于对于所有非零复数也是成立的。

如果有高三的数学基础的话,就可以知道复数可以写成模乘以一个相位,也就是 z=r \mathrm e^{i\theta}, r>0,\theta\in[0,2\pi) ,例如,复数 z = 3+4i=5\mathrm e^{i \arctan(4/3)}

那么定义 z 的开方为 \sqrt z = \sqrt r \mathrm{e}^{i \theta/2} (注意其实 -\sqrt z 也是满足开方运算的,但是和实数里的运算一样,我们将这个解舍弃)。

基于此定义,如果不断地进行开方操作,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

如果把复数的模 r 也写成指数部分,很容易就可以看出,不断地开方就是指数不断地趋于0,最后得到的极限当然就是1了。

我觉得该结论应该还可以推广到汉密尔顿的四元数。

不仅如此,在矩阵里面也有类似的结论,对于一个满秩对称矩阵 A 而言,不断地对 A 进行开方运算,最后得到极限是一个单位矩阵。如果稍微知道一点矩阵正交分解的知识,也能发现这个结论也是显而易见的,由于A是对称的,所以可以写成

A=P'\Lambda P

的形式,其中 P 是正交矩阵, P' 表示 P 的转置(也是P的逆矩阵), \Lambda 是对角矩阵且每个元素都是正数,对角线上的元素为 \{\lambda_1,\lambda_2,\cdots,\lambda_n\} ,

对 A 的不断开方其实就是对\Lambda 不断开方,\Lambda 对角线上的所有元素最后趋于1,于是A变趋于单位矩阵了。这里满秩的限定就是保证\Lambda 的对角线上没有零。该结论其实对于更广泛的一类结论都成立,只要求满秩矩阵 A 是正规矩阵就行了,即A满足 A^H A=AA^H ,上标H指共轭转置。

最后偏个题,可能会有人问你为什么写了这么多呢,原因是我在回答

问题时,想到之所以会有人会困惑虚数i存在与否的根源还是因为不够了解定义这个数的用途,虽然有了高中基础便能够大概知道复数的定义,但是不明白其实际意义。大一时就学习了矩阵,但是也不知道其意义在哪里,只不过由于受众相对较少,没什么人在知乎上问矩阵是否存在。不论整数、复数、四元数、矩阵,都可以看做是数学家定义出来描述一类规律的工具,并且为了更好的认识大自然,不断地修修补补,进行扩充。仔细想想,矩阵和正数之间也并没有那么大的差距,所以干脆多写一些了。