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ド・モアブルの定理 (ド・モアブルのていり。ド・モアブルの公式 (ド・モアブルのこうしき)とも)とは、複素数 (特に実数 ) θ および整数 n に対して
(
cos
θ
+
i
sin
θ
)
n
=
cos
n
θ
+
i
sin
n
θ
{\displaystyle (\cos \theta +i\sin \theta )^{n}=\cos n\theta +i\sin n\theta }
が成り立つという、複素数 と三角関数 に関する定理 である。定理の名称はアブラーム・ド・モアブル (Abraham de Moivre) に因むが、彼がこの定理について言及したわけではない[1] 。帰納法による証明では、三角関数 の加法定理 が利用される。
実数 θ と正の整数 n に対してド・モアブルの定理を考えると、左辺を展開し右辺と実部・虚部を比較することにより、n 倍角の公式が導出される。すなわち、ド・モアブルの公式は三角関数の n 倍角の公式を内在的に含んでいる。
オイラーの公式 :
(
e
i
θ
)
=
cos
θ
+
i
sin
θ
{\displaystyle (e^{i\theta })=\cos \theta +i\sin \theta }
によれば、この定理は複素変数の指数関数 に関する指数法則(の一つ)
(
e
i
θ
)
n
=
e
i
n
θ
(
θ
∈
C
,
n
∈
Z
)
{\displaystyle (e^{i\theta })^{n}=e^{in\theta }\quad (\theta \in \mathbb {C} ,n\in \mathbb {Z} )}
の成立を意味するものである。
証明
数学的帰納法による証明
証明 —
1 . まず、n ≥ 0 について成り立つことを、数学的帰納法 により証明する。
[i] n = 0 のとき
(左辺)
=
(
cos
θ
+
i
sin
θ
)
0
=
1
{\displaystyle =(\cos \theta +i\sin \theta )^{0}=1}
(右辺)
=
cos
0
+
i
sin
0
=
1
{\displaystyle =\cos 0+i\sin 0=1}
よって n = 0 のときに本定理は成立する。
[ii] n - 1 のとき、すなわち
(
cos
θ
+
i
sin
θ
)
n
−
1
=
cos
(
n
−
1
)
θ
+
i
sin
(
n
−
1
)
θ
{\displaystyle (\cos \theta +i\sin \theta )^{n-1}=\cos(n-1)\theta +i\sin(n-1)\theta }
が成り立つと仮定すると
(
cos
θ
+
i
sin
θ
)
n
=
(
cos
θ
+
i
sin
θ
)
n
−
1
(
cos
θ
+
i
sin
θ
)
=
{
cos
[
(
n
−
1
)
θ
]
+
i
sin
[
(
n
−
1
)
θ
]
}
(
cos
θ
+
i
sin
θ
)
=
{
cos
[
(
n
−
1
)
θ
]
cos
θ
−
sin
[
(
n
−
1
)
θ
]
sin
θ
}
+
i
{
sin
[
(
n
−
1
)
θ
]
cos
θ
+
cos
[
(
n
−
1
)
θ
]
sin
θ
}
=
cos
n
θ
+
i
sin
n
θ
{\displaystyle {\begin{aligned}(\cos \theta +i\sin \theta )^{n}&=(\cos \theta +i\sin \theta )^{n-1}(\cos \theta +i\sin \theta )\\&=\{\cos[(n-1)\theta ]+i\sin[(n-1)\theta ]\}(\cos \theta +i\sin \theta )\\&=\{\cos[(n-1)\theta ]\cos \theta -\sin[(n-1)\theta ]\sin \theta \}+i\{\sin[(n-1)\theta ]\cos \theta +\cos[(n-1)\theta ]\sin \theta \}\\&=\cos n\theta +i\sin n\theta \end{aligned}}}
[注 1]
ゆえに、n のときも本定理は成立する。
よって、[i], [ii] から、数学的帰納法によって、n ≥ 0 に対して本定理が成り立つ。
2 . 続いて n < 0 の場合を、1 . を利用して証明する。
n < 0 のとき、n = - m とおくと、m は自然数である。
1 . の結果より、m については定理の等式が成り立つから、
(
cos
θ
+
i
sin
θ
)
n
=
(
cos
θ
+
i
sin
θ
)
−
m
=
1
(
cos
θ
+
i
sin
θ
)
m
=
1
cos
m
θ
+
i
sin
m
θ
=
cos
m
θ
−
i
sin
m
θ
(
cos
m
θ
+
i
sin
m
θ
)
(
cos
m
θ
−
i
sin
m
θ
)
=
cos
m
θ
−
i
sin
m
θ
=
cos
(
−
m
θ
)
+
i
sin
(
−
m
θ
)
=
cos
(
−
m
)
θ
+
i
sin
(
−
m
)
θ
=
cos
n
θ
+
i
sin
n
θ
{\displaystyle {\begin{aligned}(\cos \theta +i\sin \theta )^{n}&=(\cos \theta +i\sin \theta )^{-m}\\&={\frac {1}{(\cos \theta +i\sin \theta )^{m}}}\\&={\frac {1}{\cos m\theta +i\sin m\theta }}\\&={\frac {\cos m\theta -i\sin m\theta }{(\cos m\theta +i\sin m\theta )(\cos m\theta -i\sin m\theta )}}\\&=\cos m\theta -i\sin m\theta \\&=\cos(-m\theta )+i\sin(-m\theta )\\&=\cos(-m)\theta +i\sin(-m)\theta \\&=\cos n\theta +i\sin n\theta \end{aligned}}}
[注 2]
ゆえに n < 0 のときも本定理が成り立つ。
したがって、1 、2 より、任意の整数 n に対して、本定理が成り立つ[2] 。
複素数の積の性質による証明
証明 —
複素数の積の性質を用いても導出できる。θ, φ ∈ C に対して
(
cos
θ
+
i
sin
θ
)
(
cos
ϕ
+
i
sin
ϕ
)
=
(
cos
θ
cos
ϕ
−
sin
θ
sin
ϕ
)
+
i
(
sin
θ
cos
ϕ
+
cos
θ
sin
ϕ
)
=
cos
(
θ
+
ϕ
)
+
i
sin
(
θ
+
ϕ
)
{\displaystyle {\begin{aligned}(\cos \theta +i\sin \theta )(\cos \phi +i\sin \phi )&=(\cos \theta \cos \phi -\sin \theta \sin \phi )+i(\sin \theta \cos \phi +\cos \theta \sin \phi )\\&=\cos(\theta +\phi )+i\sin(\theta +\phi )\end{aligned}}}
が成り立つ[注 3] 。よって帰納的に
(
cos
θ
+
i
sin
θ
)
n
=
cos
n
θ
+
i
sin
n
θ
{\displaystyle (\cos \theta +i\sin \theta )^{n}=\cos n\theta +i\sin n\theta }
がわかる[3] 。
オイラーの公式による証明
証明 —
オイラーの公式
e
i
θ
=
cos
θ
+
i
sin
θ
{\displaystyle e^{i\theta }=\cos \theta +i\sin \theta }
(θ は複素数)
を用いても導出できる。n を整数として、この式の両辺を n 乗すれば
(
cos
θ
+
i
sin
θ
)
n
=
(
e
i
θ
)
n
=
e
i
n
θ
=
cos
n
θ
+
i
sin
n
θ
{\displaystyle {\begin{aligned}(\cos \theta +i\sin \theta )^{n}&=(e^{i\theta })^{n}\\&=e^{in\theta }\\&=\cos n\theta +i\sin n\theta \\\end{aligned}}}
したがって
(
cos
θ
+
i
sin
θ
)
n
=
cos
n
θ
+
i
sin
n
θ
{\displaystyle {\begin{aligned}(\cos \theta +i\sin \theta )^{n}&=\cos n\theta +i\sin n\theta \\\end{aligned}}}
が得られる[4] 。
指数が非整数の場合
ド・モアブルの定理は指数が非整数のとき一般には成り立たない。それは、複素数の非整数乗は複数の異なる値を取る(多価関数 )からである(指数法則等の不成立 、failure of power and logarithm identities 参照)。n が整数でないとき、ド・モアブルの定理における n 乗の式は、等式が成立する値を含めた複数の値を取ることとなる。
θ を実数、w を複素数とすると
{
exp
(
i
θ
)
}
w
=
exp
{
w
log
exp
(
i
θ
)
}
=
exp
{
w
i
(
θ
+
2
n
π
)
}
=
exp
(
i
w
θ
)
exp
(
2
n
π
i
w
)
{\displaystyle \{\exp(i\theta )\}^{w}=\exp\{w\log \exp(i\theta )\}=\exp\{wi(\theta +2n\pi )\}=\exp(iw\theta )\exp(2n\pi iw)}
(n は整数)
である。したがって、w が整数であれば
{
exp
(
i
θ
)
}
w
=
exp
(
i
w
θ
)
⋅
1
=
cos
(
w
θ
)
+
i
sin
(
w
θ
)
{\displaystyle \{\exp(i\theta )\}^{w}=\exp(iw\theta )\cdot 1=\cos(w\theta )+i\sin(w\theta )}
という 1 つの値を取るが、w が整数でないときは
cos
(
w
θ
)
+
i
sin
(
w
θ
)
{\displaystyle \cos(w\theta )+i\sin(w\theta )}
を含む複数の値を取ることになる。
{ exp(i θ) }w の値の取り方について、w が有理数であれば、w = a / b (a , b は互いに素)と表すと、2nw π = 2π×na / b であるから、n = 0, 1, …, b - 1 で循環し、b 個の値を取る。w ∉ Q (無理数または虚数)ならば循環せず、可算無限 個の値を取る。
適用例
虚数単位の累乗をド・モアブルの定理を用いて求める。
i
a
=
(
0
+
i
)
a
=
(
cos
π
2
+
i
sin
π
2
)
a
=
cos
a
π
2
+
i
sin
a
π
2
{\displaystyle i^{a}=(0+i)^{a}=\left(\cos {\frac {\pi }{2}}+i\sin {\frac {\pi }{2}}\right)^{a}=\cos {\frac {a\pi }{2}}+i\sin {\frac {a\pi }{2}}}
(なお、先述したように、a が非整数のときは、複数取る値のうちの1つだけを求めている。)
例
i
2
=
cos
2
π
2
+
i
sin
2
π
2
=
−
1
+
0
i
=
−
1
{\displaystyle i^{2}=\cos {\frac {2\pi }{2}}+i\sin {\frac {2\pi }{2}}=-1+0i=-1}
i
1
2
=
cos
π
2
×
2
+
i
sin
π
2
×
2
=
2
2
(
1
+
i
)
{\displaystyle i^{\frac {1}{2}}=\cos {\frac {\pi }{2\times 2}}+i\sin {\frac {\pi }{2\times 2}}={\frac {\sqrt {2}}{2}}(1+i)}
虚数単位の平方根にはこの他にもう一つの解 (-1倍したもの)があるのは周知の通りである。
関連項目
脚注
参照
注釈
^ 等式の整理に加法定理 を利用した。
^ 等式の整理に三角関数の負角公式 を利用した。
^ これは変数を実数と考えると、複素平面の単位円上、偏角 θ の複素数に偏角 φ の複素数を掛けると偏角が θ+φ になることを意味する。