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LibreTexts Español

2.5: Raíces de la Unidad y Temas Relacionados

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  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    El número complejo\(z=e^{j2π/N}\) se ilustra en la Figura\(\PageIndex{1}\). Se encuentra en el círculo unitario en ángulo\(θ=2π/N\). Cuando este número se eleva a la n ésima potencia, el resultado es\(z^n=e^{j2πn/N}\). Este número también se ilustra en la Figura\(\PageIndex{1}\). Cuando uno de los números complejos\(e^{j2πn/N}\) se eleva a la N-ésima potencia, el resultado es

    \[(e^{j2πn/N})^N=e^{j2πn}=1 \nonumber \]

    ComplexNumber4.5.png
    Figura\(\PageIndex{1}\): Los números complejos\(e^{j2π/N}\) y\(e^{j2πn/N}\)

    Decimos que\(e^{j2πn/N}\) es una de las raíces\(N\) th de la unidad, es decir, que\(e^{j2πn/N}\) es uno de los valores\(z\) para los cuales

    \[z^N−1=0 \nonumber \]

    Hay\(N\) tales raíces, a saber,

    \[e^{j2πn/N},n=0,1,...,N−1 \nonumber \]

    Como se ilustra en la Figura\(\PageIndex{2}\), las 12 raíces de unidad se distribuyen uniformemente alrededor del círculo unitario en ángulos\(2πn/12\). La suma de todas las\(N\) raíces de la unidad es cero:

    \[S_N=\sum_{n=0}^{N−1}e^{j2πn/N}=0 \nonumber \]

    Esta propiedad, que es obvia a partir de la Figura, se ilustra en la Figura, donde\(S_k=\sum_{n=0}^{k−1} e^{j2πn/N}\) se trazan las sumas parciales para\(k=1,2,...,N\).

    RootsOfUnity.PNG
    Figura\(\PageIndex{2}\): Raíces de la unidad

    Estas sumas parciales serán importantes para nosotros en nuestro estudio de los fasores y la difracción de luz en “Fasores” y en nuestra discusión de filtros en “Filtrado”.

    UnityRootsPartialSums.PNG
    Figura\(\PageIndex{3}\): Sumas parciales de las raíces de la unidad

    Fórmula de suma geométrica

    Es natural preguntarse si existe una expresión analítica para las sumas parciales de raíces de la unidad:

    \[S_k=\sum_{n=0}^{k−1}e^{j2πn/N} \nonumber \]

    Podemos empaparnos esta pregunta en la pregunta más general, ¿existe una solución analítica para la “suma geométrica”

    \[S_k=\sum_{n=0}^{k−1}z^n? \nonumber \]

    La respuesta es sí, y así es como la encontramos. Si\(z=1\), la respuesta es\(S_k=k\). Si\(z≠1\), podemos premultiplicar\(S_k\) por\(z\) y proceder de la siguiente manera:

    \[\begin{align*} zS_k &=\sum^{k−1}_{n=0}z^{n+1}=\sum^k_{m=1}z^m \\[4pt] &=\sum^{k−1}_{m=0}z^m+z^k−1 \\[4pt] &=S_k+z^k−1 \end{align*} \nonumber \]

    A partir de esta fórmula resolvemos para la suma geométrica:

    \[S_k=\begin{matrix}\frac {1−z^k} {1−z} & z≠1\\k & z=1\end{matrix} \nonumber \]

    Esta fórmula básica para la suma geométrica\(S_k\) se utiliza a lo largo de la teoría electromagnética y la teoría de sistemas para resolver problemas en el diseño de antenas y análisis de espectro. Nunca lo olvides.

    Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

    Encuentra fórmulas para\(S_k=\sum_{n=0}^{k−1}e^{jnθ}\) y para\(S_k=\sum_{n=0}^{k−1}e^{j2π/Nn}\).

    Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

    Demostrar\(\sum_{n=0}^{N−1}e^{j2πn/N}=0\).

    Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

    Encuentra fórmulas para la magnitud y fase de la suma parcial\(S_k=\sum_{n=0}^{k−1}e^{j2πn/N}\).

    Ejercicio\(\PageIndex{4}\)

    (MATLAB) Escribe un programa MATLAB para calcular y trazar la suma parcial\(S_k=\sum_{n=0}^{k−1}e^{j2πn/N}\) para\(k=1,2,...,N\). Se debe observar la última Figura.

    Ejercicio\(\PageIndex{5}\)

    Encuentra todas las raíces de la ecuación\(z^3+z^2+3z−15=0\).

    Ejercicio\(\PageIndex{6}\)

    Encontrar\(c\) así que esa\((1+j)\) es una raíz de la ecuación\(z^{17}+2z^{15}−c=0\).


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