差分

'''ガラパゴ累乗定理'''（ガラパゴるいじょうていり）とは、複素数 $$z$$ の累乗は $$l=z+\baroverline{z}\cdotp z=|z|^2$$ と $$r=z\barcdot\overline{z}+z$$ を用いた漸化式より得られる数列 $$A_n$$ を用いて $$+1$$ と を元とする多項式より生成される実数を係数とする $$z$$ の一次結合の形で表せるという定理である。の一次式で表せるという定理である。

複素数 $$z$$ の 整数 $$n$$ 乗は、$$l=z\cdotp\bar{z}\cdotp z=|z|^2$$ と $$r=z+\bar{z}+z=2\mathrm{Re}(z)$$ を用いて次のように表せる。  :$$\begin{array}{l}\begin{pmatrix}z^n\\z^{n+1}\end{pmatrix}&=\begin{pmatrix}C_{n}&S_{n}\\C_{n+1}&S_{n+1}\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1\\z\end{pmatrix}\\&=\begin{pmatrix}0&1\\-l&r\end{pmatrix}^n\begin{pmatrix}1\\z\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0&1\\-z\cdotp\bar{z}&z+\bar{z}\end{pmatrix}^n\begin{pmatrix}1\\z\end{pmatrix}\end{array}$$ 

:$$\begin{pmatrix}C_{n}&C_{n+1}\\S_{n}&S_{n+1}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0&-l\\1&r\end{pmatrix}^n\\~または~\begin{pmatrix}S_{n+1}\\S_{n}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}r&-l\\1&0\end{pmatrix}^n\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}~すなわち~\begin{cases}

S_{n}=-l(S_{n-2})l+r(S_{n-1})r\end{cases}~として$$

 :$$z^n=C_{n}+S_{n}z=-l(S_{n-1})+(S_{n})z\\$$

特に :$$\begin{array}{l}\begin{pmatrix}C_{n}&S_{n}\\C_{n+1}&S_{n+1}\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1\\z\end{pmatrix}&=e\begin{pmatrix}0&1\\-z\cdotp\bar{z}&z+\bar{z}\end{pmatrix}^n\begin{ipmatrix}1\theta\z\end{pmatrix}$$ のとき、$$l\\&=\begin{pmatrix}0&1\\-1,~r=&2\cos\theta\end{pmatrix}^n\begin{pmatrix}1\\z\end{pmatrix}\end{array}$$ であることから

ここで得られる数列 :$$\begin{pmatrix}C_{n}&C_{n+1}\\S_{n}&S_{n+1}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0&-1\\1&2\cos\theta\end{pmatrix}^n\\~または~\begin{pmatrix}S_{n+1}\\S_{n}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2\cos\theta&-1\\1&0\end{pmatrix}^n\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}~すなわち~\begin{cases}

S_{n}=-(S_{n-2})+(2\cos\theta)(S_{n-1})(2\cos\theta)\end{cases}~として$$

 :$$z^n=C_{n}+S_{n}z=-(S_{n-1})+(S_{n})z\\$$

z^2&=-1+rz\\&=-1+(2\cos\theta)z\\z^3&=-r+(-1+r^2)z\\&=-(2\cos\theta)+[(2\cos\theta)^2-1]z\\&=-(2\cos\theta)+[2\cos2\theta+1]z\\z^4&=-(-1+r^2)+(-2r+r^3)z\\&=-[(2\cos\theta)^2-1]+[(2\cos\theta)^3-2(2\cos\theta)]z\\&=-[2\cos2\theta+1]+[2(\cos\theta+\cos3\theta)]z\\z^5&=-(-2r+r^3)+(-3r^2+1+r^4)z\\&=-[(2\cos\theta)^3-2(2\cos\theta)]+[(2\cos\theta)^4-3(2\cos\theta)^2+1]z\\&=-[2(\cos\theta+\cos3\theta)]+[2(\cos2\theta+\cos4\theta)+1]z\\

=&-(\bar{z}\cdotp z)+(\bar{z}+z)z\\

両辺に $$z$$ を乗じると $$z^3=-lz+rz^2$$ となり、右辺に $$z^2=-l+rz$$ を代入することで一次結合の形へと変形できる。この操作を再帰的に繰り返し、任意の整数乗を同形へと帰結させることで漸化式を得る。を代入することで一次結合の形へと変形できる。この操作を再帰的に繰り返すことで、任意の整数乗を同形へと帰結させられる。※この導出手順は、分配則や結合則を満たし共役同士の和と積を求めることができる数（四元数など）であれば $$z\in\mathbb{C}$$ の範囲に限らず適用可能であることを示している。

またこの導出手順は、分配則や結合則を満たし共役同士の和と積を求めることができる数（四元数など）であれば この $$z^2=-l+rz$$ は $$+1$$ と $$z$$ を基底の元とする斜交座標形式の複素数であり、$$z^2$$ の指し示す座標は $$(-l,r)$$、それぞれの元の指し示す座標は $$(1,0)$$ と $$(0,1)$$ である。ここで $$z$$ と $$z^2$$ を基底の元とする新たな斜交座標系を想定するとそれぞれの元が指し示す座標は旧座標系で $$(0,1)$$ と $$(-l,r)$$ であるため、基底は $$\inbegin{pmatrix}0&-l\\1&r\end{pmatrix}$$ と表される。旧座標系の基底と比べると原点を中心に $$\mathrm{Arg}~z~(\mathbbmathrm{Crad})$$ の範囲に限らず適用可能であることを示している。傾いた姿勢をとっているため、これを累乗することで任意の指数における基底の元の座標を得る。（[[ガラパゴ数学]]の乗算の項を参照）

 ==幾何への応用幾何イメージ==

==実数の累乗と数列=ガラパゴ三角関数= $$z=\left(\frac{r}2\right)+\left(\mp\sqrt{l-\left(\frac{r}2\right)^2}\right)i$$ は $$z^2=-l+rz$$ の解 であり、 :$$l=\bar{z}\cdot z$$:$$r=\bar{z}+z$$ であるため、本定理より次の三項間漸化式による数列を得る。  :$$\begin{cases}S_0=0\\S_1=1\\S_{n}=-l(S_{n-2})+r(S_{n-1})\end{cases}$$  ここで、$$l\leqq\left(\frac{r}2\right)^2$$ のとき $$z$$ は実数となるため実際の虚部は $$0$$ と ということになる。  しかし、$$z=ea+b=(a)+\left(-\sqrt{-b^2}\right)i$$ と虚部を任意に解釈した場合にも :$$l=\bar{iz}\cdot z=a^2-b^2$$:$$r=\thetabar{z}+z=2a$$ を理論上の基底の元（ であり、$$z^2=-(a^2-b^2)+2az$$ は $$z=a+b$$ において真である。  また、 $$\begin{pmatrix}C_{n}&S_{n}\\C_{n+1}&S_{n+1}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0&1\\-(a^2-b^2)&2a\end{pmatrix}^n$$ あるいは $$\begin{pmatrix}S_{n+1}\\S_{n}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2a&-(a^2-b^2)\\1&0\end{pmatrix}^n\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}$$ が実数であっても独立した元であるものとみなして区別）とする斜交座標系において、極座標 より得られる数列  :$$e\begin{cases}S_0=0\\S_1=1\\S_{n}=-(a^2-b^2)(S_{xzn-2})+2a(S_{n-1})\end{cases}$$ の示す座標の実部と   を用いても、一般項 $$S_{n}=\frac{\displaystyle(a+b)^n-(a-b)^n}{\displaystyle2b}$$ より  :$$\begin{array}{rl}z^n=&C_{n}+S_{n}z\\=&-(a^2-b^2)(S_{n-1})+(a+b)(S_{n})\\=&\displaystyle\frac{(a+b)[(a+b)^n-(a-b)^n]-(a^2-b^2)[(a+b)^{n-1}-(a-b)^{n-1}]}{2b}\\=&\displaystyle\frac{(a+b)[(a+b)^n-(a-b)^n]-(a+b)[(a-b)(a+b)^{n-1}-(a-b)^n]}{2b}\\=&\displaystyle\frac{(a+b)[(a+b)^n]-(a+b)[(a-b)(a+b)^{n-1}]}{2b}\\=&\displaystyle\frac{(a+b)[(a+b)^n-(a-b)(a+b)^{n-1}]}{2b}\\=&\displaystyle\frac{(a+b)^n[(a+b)-(a-b)]}{2b}\\=&(a+b)^n\end{array}$$ 部を得る関数として次のような等式を想定する。  と真であることを確認できる。  このことは、複素共役の捉え方を拡張することで実数の累乗にも本定理を応用可能であることを示している。  

==黄金数・フィボナッチ数列との関係性==黄金数とその逆数を :$$l=\displaystyle z=left(\frac12+\phi^frac{\pm1sqrt{-5}}=2i\right)\left(\frac12-\frac{\sqrt{-5}}2i\right)=\left(\frac14+\frac{-5}4\right)=-1$$:$$r=\left(\pmfrac12+\frac{\sqrt{-5}}2i\right)+\left(\frac12-\frac{2\sqrt{-5}}2i\right)i=1$$ と解釈して本定理を適用すると

数列 $$\begin{pmatrix}C_{n}&C_{n+1}\\S_{n}&S_{n+1}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0&1\\1&1\end{pmatrix}^n\\~または~\begin{pmatrix}S_{n+1}\\S_{n}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1&1\\1&0\end{pmatrix}^n\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}~すなわち~\begin{cases}

\end{cases}$$または  一般項 $$S_{n}=\frac{\displaystyle\left(1+\sqrt{5}\right)^n-\left(1-\sqrt{5}\right)^n}{\displaystyle2^n\sqrt{5}}$$  を用いて  :$$z^n=C_{n}+S_{n}z=(S_{n-1})+(S_{n})z\\$$ 

:==応用=====ガラパゴ三辺比定理===ユークリッド平面上の三角形 $$\triangle OAB$$ において、長さが $$x$$ の辺 $$OA$$ と 長さが $$y$$ の辺 $$AB$$ の成す内角が $$\angle A=\theta~\mathrm{rad}$$ である場合、辺 $$OB$$ を $$O$$ を中心として $$\phi^nangle O$$ の偶数倍回転させ、それに伴って各辺の長さを伸縮（負数倍も可）して得られる新たな三角形の三辺比は $$x$$、$$y$$、$$r=F_n2\phicos\theta$$ の整式で表せるという定理である。本定理を用いることで容易に導出できるが、詳しくは[[ガラパゴ三辺比定理]]を参照のこと。  ===ガラパゴ三角関数===$$+F_1$$ と $$z=e^{i\theta}$$ を理論上の基底の元（$$z$$ が実数であっても独立した元であるものとみなして区別）とする斜交座標系において、極座標 $$e^{n-1xz}$$ の示す座標を基底の元の線形結合で表現したときの各元の係数を得る関数として次のような等式を想定する。  :$$e^{xz}=\cos_zx+z\sin_zx$$