수학 개념 지도
복소수(Complex number)

1의 거듭제곱근(Roots of unity)

zⁿ = 1의 해 n개. 단위원⁠(unit circle)⁠ 위에 정n각형으로 놓인다. 두 근을 곱하면 각도가 더해져서, 근의 번호로 보면 n에 닿으면 0으로 돌아가는 시계 덧셈(n을 법으로 하는 덧셈)이 된다.

ωk=e2πik/n,k=0,1,…,n−1\omega^k = e^{2\pi i k/n}, \quad k = 0, 1, \dots, n-1
먼저 보면 좋은 개념오일러 공식극형식

n제곱해서 1이 되는 복소수⁠(complex number)⁠는 n개입니다. 극형식⁠(polar form)⁠으로 보면 크기는 1이고 각도의 n배가 한 바퀴의 배수여야 하니, 단위원을 n등분한 점들 ωk=e2πik/n\omega^k = e^{2\pi ik/n}입니다. n=n = 개의 점이 정다각형⁠(regular polygon)⁠을 이룹니다.

노란 점들이 1의 n제곱근입니다. 청록 선은 k칸씩 건너뛰며 이은 별 모양입니다.

두 근을 곱하면 각도가 더해지니 ωaωb=ω(a+b) mod n\omega^a \omega^b = \omega^{(a+b) \bmod n}입니다. 1의 거듭제곱근의 곱셈이 곧 n을 법으로 하는 덧셈, 시계처럼 n에 닿으면 0으로 돌아가는 덧셈입니다(n = 12이면 9 + 5 = 2). 시계 산수가 원 위의 회전⁠(rotation)⁠인 이유가 이것입니다. 곱셈과 덧셈이라는 서로 다른 연산이 완전히 같은 구조를 가진다는 뜻으로, 수학자들은 이를 두 군이 같은 모양(동형⁠, isomorphism⁠)이라고 말합니다.

한 점에서 출발해 k=k = 칸씩 건너뛰며 이어 봅시다. 모든 점을 한 번에 도는 별이 되는 건 n과 k의 최대공약수⁠(greatest common divisor)⁠가 1일 때(gcd⁡(n,k)=1\gcd(n, k) = 1, 서로소⁠(coprime)⁠일 때)뿐입니다. 지금은 . 이렇게 거듭제곱하면 모든 근을 한 번씩 도는 근을 원시 n제곱근⁠(primitive n-th root of unity)⁠이라 하고, 그 개수는 1부터 n까지의 자연수⁠(natural number)⁠ 가운데 n과 서로소인 것의 개수, 곧 오일러 피 함수⁠(Euler's totient function)⁠ φ(n)\varphi(n)입니다. 정수론⁠(number theory)⁠의 원시근(소수⁠(prime number)⁠ p로 나눈 나머지⁠(remainder)⁠에서, 거듭제곱하면 0이 아닌 나머지를 모두 한 번씩 도는 수)과 같은 생각입니다. 공약수라는 수의 성질이 별의 모양을 정하는 셈입니다.

n ≥ 2이면 모든 근을 더한 값은 0입니다. 화살표를 이어 붙이면 제자리로 돌아오는 정다각형이니까요. 식으로는, 합 S에 ω를 곱해도 근들이 한 칸씩 돌 뿐이라 ωS=S\omega S = S이고 ω≠1\omega \ne 1이니 S=0S = 0입니다. 이 성질이 이산 푸리에 변환⁠(discrete Fourier transform)⁠의 바탕입니다. 이산 푸리에 변환은 소리 표본⁠(sample)⁠ 같은 수 n개를, 한 바퀴를 0번, 1번, 2번, … 도는 n가지 회전(1의 n제곱근의 거듭제곱)이 각각 얼마나 섞여 있는지로 바꾸는 계산입니다. 푸리에 급수⁠(Fourier series)⁠의 유한 버전입니다. 서로 다른 회전끼리 짝지어 곱해 더하면 위 성질 때문에 0이 되므로, 각 회전의 몫을 따로따로 뽑아낼 수 있습니다.

n이 짝수이면 1의 n제곱근을 제곱한 것이 1의 n/2제곱근이라, 크기 n인 변환을 크기 n/2인 변환 둘로 쪼갤 수 있습니다. 이 쪼개기를 되풀이하는 것이 고속 푸리에 변환(FFT)으로, 계산량을 n2n^2에서 nlog⁡nn\log n 정도로 줄입니다(분할 정복⁠, divide and conquer⁠). 1965년 미국 IBM의 제임스 쿨리와 통계학자 존 튜키가 발표해 널리 퍼졌고, 가우스가 1805년 무렵 같은 방법을 써 두었다는 사실이 뒤에 밝혀졌습니다. 또 z3=1z^3 = 1의 세 근은 뉴턴 방법⁠(Newton's method)⁠을 복소평면⁠(complex plane)⁠에서 돌린 그림, 곧 어디를 확대해도 경계가 끝없이 복잡한 프랙털⁠(fractal)⁠ 그림에서 세 색의 중심이 됩니다. 출발점을 그 점이 결국 다다르는 근의 색으로 칠하면, 세 색의 경계 어디에서나 세 색이 모두 만납니다.

원 위에 n등분한 점을 두고 k번째 점을 2k번째 점과 이으면 심장 모양 곡선인 카디오이드⁠(cardioid)⁠가 떠오릅니다(원 위의 곱셈표⁠(times tables on a circle)⁠). k번째 점이 ωk\omega^k이면 2k번째 점은 (ωk)2(\omega^k)^2이니, 이 그림은 각 점을 그 점의 제곱과 잇는 그림, 곧 복소수 제곱 z↦z2z \mapsto z^2의 그림이기도 합니다.

zⁿ − 1의 영점⁠(zero)⁠이 바로 1의 거듭제곱근입니다. 도메인 컬러링⁠(domain coloring)⁠으로 보면 원 위에 색의 소용돌이가 n개 늘어섭니다.

이 개념이 나오는 큰 생각대칭과 불변량표현 바꾸기

이 개념이 나오는 긴 글

미분에서 회전까지 · 4편 · 오일러 공식 원을 그리는 지수함수 지수함수에 허수를 넣으면 원이 된다. 가장 유명한 등식은 어디서 왔을까? 소수 소수를 세는 사람들 소수는 제멋대로 흩어져 있는 것 같다. 그런데 멀리서 세어 보면 로그가 보인다. 정수론과 암호 나머지로 지키는 비밀 한 번도 만난 적 없는 두 사람이 모두가 엿듣는 통신망에서 비밀 열쇠를 맞출 수 있을까? 답은 시계의 산수와 1640년 페르마의 정리에 있다. 삼각함수 원에서 파동으로 별의 위치를 재던 현의 표가 사인이 되고, 열의 흐름을 풀던 푸리에가 모든 파동을 사인으로 쪼갰다. 비유클리드 기하 평행선의 반란 유클리드의 다섯 번째 공준은 2,000년 동안 증명되지 않았다. 증명을 포기한 사람들이 찾은 것은 새로운 우주였다. 수학의 오류 틀린 증명이 만든 수학 틀린 증명은 흔하다. 드물게, "정확히 어디가 틀렸는가"라는 물음이 새 분야를 낳는다. 코시의 합 정리와 균등 수렴, 라메의 증명과 아이디얼, 켐프의 사슬, 푸앵카레의 회수된 논문과 혼돈, 프레게의 법칙과 러셀의 편지, 보예보츠키와 증명 보조기까지. 오류는 대개 서로 다른 두 가지를 하나로 여긴 자리에 있었다. 불가능성 정리 불가능의 증명 각의 삼등분, 5차방정식의 근의 공식, 모든 파일을 줄이는 압축, 멈춤을 판정하는 프로그램, 공정한 투표 규칙. 없다는 것은 어떻게 증명할까? 서로 먼 분야의 불가능성 증명들은 거의 모두 불변량, 세기, 대각선이라는 세 가지 무기 가운데 하나를 쓴다.

이 개념 위에 세워진 것

이 개념을 언급하는 페이지

이 페이지가 가리키는 개념