Матрица

— это Ваша циклическая матрица

. Я её обозначил

, чтобы подчеркнуть, что то, что о ней говорится, справедливо в общем случае диагонализируемой матрицы.
Матрица

, приводящая её к диагональному виду, в общем случае состоит из записанных в столбцы собственных векторов

(каждый столбец — собственный вектор).
Если

циклическая, то эти собственные векторы хорошо известны, зависят только от размера

, и составляют матрицу (оператора) ДПФ:

Точнее, собственные векторы определены с точностью до множителя и порядка следования, но можно выбрать такую нормировку и порядок, что формула будет вот такой.