1 の冪根に関する部分分数分解

3.1. 1 の冪根に関する部分分数分解#

分母が \(z^K-1\) である有理関数の部分分数分解を考える。

3.1.1. 公式#

Theorem 3.1.1.1 (1 の冪根に関する部分分数分解)

複素数 \(z\) と正の整数 \(K\) と高々 \(K-1\) 次の多項式 \(P(z)\) について、

\[\frac{P(z)}{z^K-1} = \frac{1}{K} \sum_{k=0}^{K-1} \frac{P(\zeta_K^k) \zeta_K^k}{z-\zeta_K^k}\]

が成り立つ[1]。ここで、\(\zeta_K \triangleq e^{i 2 \pi /K}\) である。

Proof. 左辺は、\(z\) について分母が \(K\) 次で分子が高々 \(K-1\) 次であり、Theorem 1.1.1 より、

\[\frac{P(z)}{z^K-1} = \sum_{k=0}^{K-1} \frac{a_k}{z-\zeta_K^k}\]

と部分分数分解できる。

Heaviside の方法 より、\(k=h\) のときの \(1/(z-\zeta_K^h)\) の係数 \(a_h\) は、

\[\begin{split}\begin{align} a_h &= \eval{ (z-\zeta_K^h) P(z) \frac{1}{z^K-1} }_{z=\zeta_K^h} \\ &= \eval{ (z-\zeta_K^h) P(z) \prod_{k=0}^{K-1} \frac{1}{z-\zeta_K^k} }_{z=\zeta_K^h} \\ &= \eval{ (z-\zeta_K^h) P(z) \prod_{k=0}^{K-1} \frac{1}{z-\zeta_K^{k+h}} }_{z=\zeta_K^h} \\ &= \eval{ P(z) \prod_{k=1}^{K-1} \frac{1}{z-\zeta_K^{k+h}} }_{z=\zeta_K^h} \\ &= P(\zeta_K^h) \prod_{k=1}^{K-1} \frac{1}{\zeta_K^h-\zeta_K^{k+h}} \\ &= P(\zeta_K^h) (\zeta_K^{-h})^{K-1} \prod_{k=1}^{K-1} \frac{1}{1-\zeta_K^k} \\ &= P(\zeta_K^h) \zeta_K^h \prod_{k=1}^{K-1} \frac{1}{1-\zeta_K^k} \end{align}\end{split}\]

となり、1 の冪根に関する積の性質 より、

(3.1.1.1)#\[a_h = \frac{P(\zeta_K^h) \zeta_K^h}{K}\]

であるがゆえ、示された。

3.1.2. #

Corollary 3.1.2.1 (1 の冪根に関する部分分数分解の系)

とくに \(P(z) \triangleq 1\) としたとき、

\[\frac{1}{z^K-1} = \frac{1}{K} \sum_{k=0}^{K-1} \frac{\zeta_K^k}{z-\zeta_K^k}\]

が成り立つ。

参考文献