Комплексные числа
| Алгебраическая форма записи комплексных чисел |
| Сложение, вычитание и умножение комплексных чисел, записанных в алгебраической форме |
| Комплексно сопряженные числа |
| Модуль комплексного числа |
| Деление комплексных чисел, записанных в алгебраической форме |
| Изображение комплексных чисел радиус-векторами на координатной плоскости |
| Аргумент комплексного числа |
| Тригонометрическая форма записи комплексного числа |
| Формула Эйлера. Экспоненциальная форма записи комплексного числа |
| Умножение, деление и возведение в натуральную степень комплексных чисел, записанных в экспоненциальной форме |
| Извлечение корня натуральной степени из комплексного числа |
Алгебраическая форма комплексного числа. Сложение, вычитание, умножение и деление комплексных чисел
Сложение
комплексных чисел
Для
того чтобы сложить два комплексных
числа нужно сложить их действительные
и мнимые части:
z 1
+ z 2
= (a 1
+ a 2)
+ i*(b 1
+ b 2).
Для
комплексных чисел справедливо правило
первого класса: z 1
+ z 2
= z 2
+ z 1
–
от перестановки слагаемых сумма не
меняется.
Вычитание
комплексных чисел
Действие
аналогично сложению, единственная
особенность состоит в том, что вычитаемое
нужно взять в скобки, а затем – стандартно
раскрыть эти скобки со сменой знака:
z 1
+ z 2
= (a 1
– a 2)
+ i*(b 1
– b 2)
Умножение
комплексных чисел
Основное
равенство комплексных чисел:
Произведение
комплексных
чисел:
z 1
* z 2
= (a 1
+ i*b 1)*(a 2
+ i*b 2)
= a 1 *a 2
+ a 1 *i*b 2
+ a 2 *i*b 1
+ i 2 *b 1 *b 2
= a 1 *a 2
— b 1 *b 2
+i*(a 1 *b 2
+a 2 *b 1).
Как
и сумма, произведение комплексных чисел
перестановочно, то есть справедливо
равенство: .
Деление
комплексных чисел
Деление
чисел осуществляется методом
умножения знаменателя и числителя на
сопряженное знаменателю выражение
.
Комплексные числа — определение и основные понятия
Обычные числа представляют собой множество действительных чисел, для обозначения которых используют букву R. Каждое число из множества можно отметить на числовой прямой.
К действительным числам носят:
- целые числа;
- дроби;
- иррациональные числа.
Каждая точка на числовой прямой характеризуется некоторым действительным числом. Комплексное число является двумерным числом и записано в виде:
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут
z = a + bi
Где а и b являются действительными числами, i представляет собой так называемую мнимую единицу.
Уравнение можно мысленно поделить на несколько частей:
- a — действительная часть (Re z) комплексного числа z;
- b — мнимая часть (Im z) комплексного числа z.
Следует отметить, что a + bi является единым числом, а не сложением. Места действительной и мнимой частей в уравнении можно менять:
z = bi + a
Мнимую единицу допускается переставлять:
z = a + ib
При таких операциях смысл выражения остается прежним. Однако стандартная запись комплексного числа имеет такой вид:
z = a + bi
Определение
Комплексным числом называют выражение a + bi, в котором а и b являются действительными числами, i представляет собой мнимую единицу, символ, квадрат которого равен -1, то есть i2=-1. Число а представляет собой действительную часть, b — мнимую часть комплексного числа z = a + bi. Если b = 0, то вместо a + 0i записывают a. Действительные числа являются частным случаем комплексных чисел.
Данное утверждение можно привести в виде геометрической интерпретации. Тогда комплексные числа изображают на комплексной плоскости.
С помощью R обозначаю множество действительных чисел. В случае, когда требуется обозначить множество комплексных чисел, принято использовать букву С. Наличие буквы С на чертеже говорит о том, что на нем представлена комплексная плоскость. Данная плоскость включает две оси:
Re z — является действительной осью;
Im z — представляет собой мнимую ось.
Правила оформления такого графика практически не отличаются от требований к чертежам для декартовой системы координат. По осям задают масштаб и отмечают:
- ноль;
- единицу для действительной оси;
- мнимую единицу i для мнимо оси.
С помощью комплексной плоскости можно построить заданные комплексные числа:
\(z_{1}=0\)
\(z_{2}=-3\)
\(z_{3}=2\)
\(z_{4}=i\)
\(z_{5}=-\sqrt{3}i\)
\(z_{6}=4i\)
\(z_{7}=2+3i\)
\(z_{8}=-4+i\)
\(z_{9}=-3-3i\)
\(z_{5}=-\sqrt{2}-i\)
Можно рассмотреть следующие комплексные числа:
\(z_{1}=0\)
\(z_{2}=-3\)
\(z_{3}=2\)
Действительные числа являются частным случаем комплексных чисел. Действительная ось Re z обозначает в точности множество действительных чисел R, то есть на данной оси расположены все числа с обычными свойствами. Можно сформулировать справедливое утверждение: множество действительных чисел R представляет собой подмножество множества комплексных чисел С.
Данные числа являются комплексными числами, мнимая часть которых нулевая:
\(z_{1}=0\)
\(z_{2}=-3\)
\(z_{3}=2\)
Мнимые числа с нулевой действительностью, которые расположены на мнимой оси Im z:
\(z_{4}=i\)
\(z_{5}=-\sqrt{3}i\)
\(z_{6}=4i\)
Есть ряд чисел с ненулевыми действительной и мнимой частью:
\(z_{7}=2+3i\)
\(z_{8}=-4+i\)
\(z_{9}=-3-3i\)
\(z_{5}=-\sqrt{2}-i\)
Для их обозначения используют точки на комплексной плоскости. К таким точкам проводят радиус-векторы из начала координат. Радиус-векторы не принято чертить к числам, которые расположены на осях и сливаются с ними.
Геометрическая интерпретация комплексных чисел
В 1799 году датчанин Каспар Вессель определил комплексное число как упорядоченную пару вещественных чисел $(x,y)$. Известно, что на декартовой
плоскости упорядоченной паре соответствует точка. Выберем на плоскости прямоугольную систему координат и установим взаимно однозначное
соответствие между комплексными числами и точками плоскости, при котором комплексному числу $z=x+\mathbf i y$ отвечает точка $M$ с координатами
$x,y$. Точку $M$ мы рассматриваем как изображение комплексного числа $z=x+\mathbf i y$.
При этом множество всех вещественных чисел изображается осью абсцисс, называемой поэтому вещественной осью, множество всех чисто мнимых
чисел лежит на оси ординат, называемой мнимой осью. Плоскость $XOY$, точки которой изображают комплексные числа, называется комплексной плоскостью (иногда гауссовой плоскостью) или просто плоскостью $z$. Термины «комплексное число $z$» и «точка $z$ на комплексной плоскости» употребляются как синонимы.
Комплексное число $z=x+\mathbf i y$ может также изображаться вектором с проекциями $x$ и $y$ на координатные оси, который, таким образом, равен
радиус-вектору точки $z$. Иногда термины «комплексное число» и «вектор» употребляют также как синонимы.
Именно поэтому, глядя на координатную плоскость,
естественно сделать вывод, что комплексные числа невозможно сравнивать, т.е. нельзя говорить, что какое-то комплексное число больше или меньше другого.
Комплексное число равное сумме или разности двух комплексных чисел $z_1\pm z_2$ соответствует вектору на комплексной плоскости, который получится при сложении/вычитании векторов, соответствующих числам $z_1$ и $z_2$. Для произведения $z_1\cdot z_2$ этой аналогии уже не будет.
Напомним, что в полярных координатах точка $M$ имеет координаты $(r,\varphi)$. В нашем случае полярные координаты имеют следующий смысл:
полярный радиус (или длина вектора) называется модулем комплексного числа $z=x+\mathbf i y$ и вычисляется по формуле
$$
r=|z|=\sqrt{x^2+y^2}=\sqrt{z\bar z},
$$
полярный угол $\varphi$ (угол между положительным направлением оси $OX$ и отрезком $OM$) называется аргументом комплексного числа $z$ и обозначается $\varphi=\mbox{Arg }z$.
Модуль и аргумент — две важнейшие характеристики комплексного числа.
Условия равенства двух комплексных чисел $z_1$ и $z_2$ — равенство их модулей: $|z_1|=|z_2|$ и аргументов: $\mbox{Arg }z_1=\mbox{Arg }z_2$.
Особый разговор об аргументе
Угол $\varphi=\mbox{Arg }z$ — аргумент комплексного числа $z=x+\mathbf i y$. Этот угол, изменяясь от положительного направления оси $OX$ против часовой
стрелки, увеличивается до $2\pi$, а далее его величины повторяются. Поэтому аргумент комплексного числа бесконечнозначен, так как все его
значения отличаются друг от друга на слагаемые, кратные $2\pi$.
Аргумент $\varphi$ определяется из формул
\begin{equation}
\left\{\begin{array}{l}
x=r\cos\varphi, \\
y=r\sin\varphi
\end{array}\right.
\end{equation}
с точностью до слагаемого $2\pi k$: $$
\mbox{Arg }z=\mbox{arg }z+2\pi k,\quad k=0,\pm1,\pm2,\ldots\ .
$$
Из множества значений аргумента особо выделяется главное значение $\mbox{arg }z$, удовлетворяющее неравенству $-\pi<\mbox{arg } z\le\pi$. При этом полезны
формулы
\begin{equation}
\arg z=\left\{\begin{array}{ll}
\mbox{arctg }\dfrac{y}{x},&x>0, \\
\mbox{arctg }\dfrac{y}{x}+\pi,&x<0,\ y\ge0, \\
\mbox{arctg }\dfrac{y}{x}-\pi,&x<0,\ y<0.\\
\end{array}\right.
\end{equation}
Для комплексного числа $z=0+\mathbf i 0$ понятие аргумента не
имеет смысла.
Условие сопряжения двух чисел $z$ и $\bar{z}$:
$$|z|=|\bar{z}|,\quad \arg z=-\arg \bar{z}.$$
Некоторые свойства модуля:
$$
\left| z_1 + z_2 \right| \le \left| z_1\right| + \left| z_2\right| \ ,
$$
$$
\left| z_1 + z_2 \right| \ge \big| | z_1 | — | z_2 | \big| \ ,
$$
$$
\left| z_1 — z_2 \right| \ge \big| | z_1 | — | z_2 | \big|.
$$
Понятие комплексного числа
Комплексные числа – это мнимые числа или выражение такого вида, как , где и – действительные числа (ещё про них говорят вещественные числа), а – это мнимая единица, символ, квадрат которого равен 1 . Число – действительная часть, – мнимая часть комплексного числа . Если тогда вместо пишется просто . Из вышесказанного понятно, что действительные числа – частный случай комплексных чисел.
С комплексными числами можно проводить разные арифметические действия: сложение, вычитание, умножение и деление.
Рассмотрим уравнение . Его можно отнести к возведённому квадратному уравнению ., корни которого находятся по формуле .
Для данного случая получается:
.
Среди действительных чисел выражение не имеет смысла, то есть не есть действительным числом. Запишем формально .
Символ принято обозначать буквой , то есть . Его называют мнимой единицей.
Корни нашего уравнения теперь запишутся:
.
Проверка:
Для имеем:
.
Аналогично для .
Значит, введение символа , где помогает нам записывать выражение для корней квадратного уравнения и тогда, когда дискриминант отрицательный.
Расширенная комплексная плоскость. Сфера Римана
Из геометрии известно, что любой упорядоченной паре вещественных чисел соответствует точка $z$ на плоскости комплексного переменного. Определим
на комплексной плоскости бесконечно удаленную точку. Так условно будем называть «мысленную точку» $(x,y)$, координаты которой (обе сразу
или одна из них) — величины неограниченные, т.е. комплексные числа имеют формальный вид $z=x+i\infty$, $z=\infty+iy$ либо $z=\infty+i\infty$.
Тогда пишут $z=\infty$ (несобственное комплексное число), считая ее единственной бесконечно удаленной точкой.
Для несобственного комплексного числа понятия вещественной и мнимой части, а также понятие аргумента не вводятся; точнее говоря, объявляются
лишенными смысла (напомним, что понятие аргумента не имеет смысла и для числа 0). Что касается модуля числа $z=\infty$, то для него используется
символ $|\infty|=+\infty$.
Договорились, что имеют смысл следующие операции, в которых участвуют $z=\infty$ и собственное комплексное число $a$: $$
\frac{a}\infty=0,\quad\frac\infty{a}=\infty,\quad\frac{a}0=\infty.
$$ Такие операции, как $$
\infty\pm\infty,\quad 0\cdot\infty,\quad \dfrac00,\quad
\dfrac\infty\infty
$$ объявляются лишенными смысла.
Совокупность точек комплексной плоскости и бесконечно удаленной точки называется расширенной плоскостью комплексного переменного.
Наглядное представление о расширенной комплексной плоскости дает следующая интерпретация Римана (1826-1866).
Чтобы получить геометрическое изображение числа $\infty$, прибегают к представлению комплексных чисел точками сферы. Построим сферу (называемую сферой Римана) радиуса $r$, касающуюся плоскости $z$ в точке $z=0$ и отметим точку $N$ сферы, диаметрально противоположную началу
координат $O$.
Из точки $N(0,0,2r)$ сферы проведем проведем луч в любую точку $Z(x,y,0)$ плоскости $(x,y)$ и отметим точку $S$ пересечения данного луча и
сферы. Эта точка $S(\xi,\eta,\zeta)$ является новым геометрическим представлением комплексного числа $z$. В результате таких
построений лучей между точками плоскости $(x,y)$ и точками сферы устанавливается взаимно однозначное соответствие, называемое стереографической
проекцией, имеющей применение в картографии.
Точкам меридиана $NSO$ на сфере соответствуют точки луча $OZ$ на плоскости $(x,y)$, различным параллелям — круги на плоскости $(x,y)$.
Исключение составляет точка $N$. Северному полюсу $N$ сферы не соответствует пока никакое комплексное число. Однако точкам сферы, достаточно
близким к $N$, соответствуют точки $z$ плоскости, сколь угодно далеко отстоящие от начала координат, т.е. точка $z$ сколь угодно большого
модуля. Будем считать, что точке $N$ соответствует единственная точка $z=\infty$.
Покажем, что точка $z=\infty+\mathbf i \infty$ (или $z=x+\mathbf i \infty$, или $z=\infty+\mathbf i y$) будет при таком преобразовании переходить в точку $N(0,0,2r)$ и
наоборот. Координаты точек на такой сфере $(\xi,\eta,\zeta)$ связаны формулой
\begin{equation}\label{eq g1 p7 1}
\xi^2+\eta^2+(\zeta-r)^2=r^2\quad\hbox{или}\quad \xi^2+\eta^2=\zeta
(2r-\zeta).
\end{equation}
Из коллинеарности $NZ$ и $NS$ можно получить представление луча $NSZ$
$$
\frac{\xi-0}{x-0}=\frac{\eta-0}{y-0}=\frac{\zeta-2r}{0-2r}.
$$
Отсюда можно получить координаты точек плоскости через координаты точек сферы:
\begin{equation}\label{eq g1 p7 2}
x=\frac{2r\xi}{2r-\zeta},\quad y=\frac{2r\eta}{2r-\zeta}.
\end{equation}
Составим
$$ x^2+y^2=\frac{4r^2(\xi^2+\eta^2)}{(2r-\zeta)^2}, $$
$$ x^2+y^2 = \frac{4r^2\zeta}{2r-\zeta}. $$
Тогда
можно выразить координату
$$
\zeta=\frac{2r(x^2+y^2)}{x^2+y^2+4r^2},
$$
и другие координаты
$$
\xi=\frac{4r^2x}{x^2+y^2+4r^2},\quad\eta=\frac{4r^2y}{x^2+y^2+4r^2}.
$$
Устремим $x\to\infty$, $y\to\infty$ (по отдельности или вместе), тогда $\xi\to0$, $\eta\to0$, $\zeta\to2r$, а это и есть точка $N$.
Некоторые сведения о комплексных числах подробнее изложены в курсе Высшей алгебры А.Ю. Утешева ( здесь).
Примеры решения задач
Пример 1
Задача
Решить уравнение , где – действительные числа.
Решение
Из уравнения комплексных чисел получается: , . Решая эту систему, у нас получается , .
Ответ
, .
Рассмотрим на примере сложение и вычитание комплексных чисел.
Пример 2
Задача
Решить уравнение:
Решение
Согласно формуле на сложение и отнимание комплексных чисел – .
Ответ
Рассмотрим на примере умножение комплексных чисел.
Пример 3
Задача
Найти произведение комплексных чисел и
Решение
Ответ
Делить комплексные числа необходимо исключительно ориентируясь на формулу. Покажем на примере, как находить частное.
Пример 4
Задача
Найти частное:
Решение
.
Ответ
.
Умножение комплексных чисел
Умножение комплексных чисел немного сложнее и заставляет задуматься:
А что значит перемножить два комплексных числа?
Самый простой способ понять мнимые числа — это интерпретировать умножение +1, -1 и √-1 (или, как Гаусс говорит прямые, обратные и боковые единицы) как вращение вокруг комплексной плоскости против часовой стрелки.
Умножение на +1
Умножение на +1 можно представить как вращение на 0˚ или 360˚ относительно начала координат, поскольку в любом случае вы вернетесь туда, откуда начали.
Умножение на +1
Умножение на -1
Умножение на -1 можно интерпретировать как вращение на 180˚ против часовой стрелки вокруг начала координат. Например, если я начинаю с 2 и умножаю на -1, Я заканчиваю на -2, что составляет 180˚ против часовой стрелки. И если я умножу -2 на -1, я вернусь к положительному 2.
Умножение на i или √-1
А теперь самое интересное.
Умножая на i или √-1 мы поворачиваем плоскость на 90˚. Вот здесь мнимые числа и вступают в игру.
Обратите внимание, что если я умножу 2 на i, я получу 2i, что является поворотом на 90˚
Если я умножу 2i на i, я получу 2i², что есть -2, так как i² фактически равно -1.
Итак, 2i ² = 2 (-1) или -2, еще 90° против часовой стрелки.
Умножение на i или √-1
Точно так же, -2 умноженное на i равно -2i, еще четверть оборота.
И наконец, -2i умноженное на i равно -2i² или -2(-1) что равно 2.
Мы могли бы продолжать умножать на i и вращаться вокруг плоскости, поэтому данный пример даёт нам шаблон, который повторяется каждые 4 цикла.
В общем, мы знаем, что
умножение на действительное число масштабирует значение, и мы чуть выше узнали,
что умножение на i поворачивает значение на 90° против часовой
стрелки, но как насчет этого?
Чтобы лучше понять, давайте распишем.
Хорошо, теперь мы можем выполнить сложение векторов. Первый вектор это (3+2i) (1), как мы рассмотрели выше (3+2i) поворачивается на 360˚, то есть остается на месте.
Теперь мы рассмотрим второй вектор (3 + 2i) (- 4i). Здесь происходит то же самое, что и с первым вектором: масштабирование и вращение. Вот как это происходит.
Сначала вектор (3 + 2i) умножаем на 4, и получаем (12 + 8i), этим мы растянули вектор (3 + 2i) в 4 раза.
Нам также нужно умножить на -i. Напомним, умножая на -i мы поворачиваем на 90˚ по часовой стрелке.
Теперь распишем полученное с помощью алгебры.
Последний шар — выполним сложение, перенеся параллельно начало одного вектора в конец другого.
Наш окончательный ответ 11 — 10i.
Теперь у вас может возникнуть вопрос, почему мы не можем просто решить все с помощью алгебры?
И это так, мы можем решить это с помощью алгебры. На самом деле, это самый эффективный способ решения задачи (хотя ему не хватает понимания, которое вы получаете от построения графиков). Поэтому мы предложили вашему вниманию оба пути решения.
Алгебраическая форма комплексного числа. Сложение, вычитание, умножение и деление комплексных чисел
С алгебраической формой комплексного числа мы уже познакомились, – это и есть алгебраическая форма комплексного числа. Почему речь зашла о форме? Дело в том, что существуют еще тригонометрическая и показательная форма комплексных чисел, о которых пойдет речь в следующем параграфе.
Действия с комплексными числами не представляют особых сложностей и мало чем отличаются от обычной алгебры.
Сложение комплексных чисел
Пример 1
Сложить два комплексных числа ,
Для того чтобы сложить два комплексных числа нужно сложить их действительные и мнимые части:
Просто, не правда ли? Действие настолько очевидно, что не нуждается в дополнительных комментариях.
Таким нехитрым способом можно найти сумму любого количества слагаемых: просуммировать действительные части и просуммировать мнимые части.
Для комплексных чисел справедливо правило первого класса: – от перестановки слагаемых сумма не меняется.
Вычитание комплексных чисел
Пример 2
Найти разности комплексных чисел и , если ,
Действие аналогично сложению, единственная особенность состоит в том, что вычитаемое нужно взять в скобки, а затем – стандартно раскрыть эти скобки со сменой знака:
Результат не должен смущать, у полученного числа две, а не три части. Просто действительная часть – составная: . Для наглядности ответ можно переписать так: .
Рассчитаем вторую разность:
Здесь действительная часть тоже составная:
Чтобы не было какой-то недосказанности, приведу короткий пример с «нехорошей» мнимой частью: . Вот здесь без скобок уже не обойтись.
Умножение комплексных чисел
Настал момент познакомить вас со знаменитым равенством:
Пример 3
Найти произведение комплексных чисел ,
Очевидно, что произведение следует записать так:
Что напрашивается? Напрашивается раскрыть скобки по правилу умножения многочленов. Так и нужно сделать! Все алгебраические действия вам знакомы, главное, помнить, что и быть внимательным.
Повторим, omg, школьное правило умножения многочленов: Чтобы умножить многочлен на многочлен нужно каждый член одного многочлена умножить на каждый член другого многочлена.
Я распишу подробно:
Надеюсь, всем было понятно, что
Внимание, и еще раз внимание, чаще всего ошибку допускают в знаках. Как и сумма, произведение комплексных чисел перестановочно, то есть справедливо равенство:
Как и сумма, произведение комплексных чисел перестановочно, то есть справедливо равенство: .
В учебной литературе и на просторах Сети легко найти специальную формулу для вычисления произведения комплексных чисел. Если хотите, пользуйтесь, но мне кажется, что подход с умножением многочленов универсальнее и понятнее. Формулу приводить не буду, считаю, что в данном случае – это забивание головы опилками.
Деление комплексных чисел
Пример 4
Даны комплексные числа , . Найти частное .
Составим частное:
Деление чисел осуществляется методом умножения знаменателя и числителя на сопряженное знаменателю выражение.
Вспоминаем бородатую формулу и смотрим на наш знаменатель: . В знаменателе уже есть , поэтому сопряженным выражением в данном случае является , то есть
Согласно правилу, знаменатель нужно умножить на , и, чтобы ничего не изменилось, домножить числитель на то же самое число :
Далее в числителе нужно раскрыть скобки (перемножить два числа по правилу, рассмотренному в предыдущем пункте). А в знаменателе воспользоваться формулой (помним, что и не путаемся в знаках!!!).
Распишу подробно:
Пример я подобрал «хороший», если взять два числа «от балды», то в результате деления почти всегда получатся дроби, что-нибудь вроде .
В ряде случаев перед делением дробь целесообразно упростить, например, рассмотрим частное чисел: . Перед делением избавляемся от лишних минусов: в числителе и в знаменателе выносим минусы за скобки и сокращаем эти минусы: . Для любителей порешать приведу правильный ответ:
Редко, но встречается такое задание:
Пример 5
Дано комплексное число . Записать данное число в алгебраической форме (т.е. в форме ).
Приём тот же самый – умножаем знаменатель и числитель на сопряженное знаменателю выражение. Снова смотрим на формулу . В знаменателе уже есть , поэтому знаменатель и числитель нужно домножить на сопряженное выражение , то есть на :
Пример 6
Даны два комплексных числа , . Найти их сумму, разность, произведение и частное.
Это пример для самостоятельного решения. Полное решение и ответ в конце урока.
На практике запросто могут предложить навороченный пример, где нужно выполнить много действий с комплексными числами. Никакой паники: будьте внимательны, соблюдайте правила алгебры, обычный алгебраический порядок действий, и помните, что
Тригонометрическая и показательная форма комплексных чисел
Попробуем на примере конкретного комплексного числа z=1-i записать его в тригонометрической форме. Для этого разберем части этого числа:
- x=Re z=1 —действительная часть;
- y=Im z=-1 мнимая часть.
Далее потребуется определить модуль и аргумент комплексного числа:
r=x2+y2=12+(-1)2=2
φ=argz=arctg yx=arctg -11=arctg (-1)=-π4
Таким образом, тригонометрическая форма комплексного числа примет вид:
=2cos-π4+isin-π4
Комплексные числа обладают также геометрическим смыслом. Для плоскости с прямоугольной системой координат можно заметить, что какому-либо комплексному числу z=x+iy соответствует на ней точка с координатами x,y.
Радиус-вектор r комплексного числа является вектором, соединяющим начало координат с точкой на плоскости, соответствующей числу. Плоскость называют комплексной. В этом случае расположение действительных чисел совпадает с горизонтальной (или вещественной) осью. Мнимые части расположены по вертикали, то есть на мнимой оси.
Попробуем вычислить модуль числа:
z=3-25i
В этом случае:
- x=Re z=3 — действительная часть;
- y=Im z=-25 — мнимая часть.
Тогда модуль определяется следующим образом:
r=x2+y2=32+(-25)2=634.
Заметим, что в случае, когда действительное число равно z, модуль такого числа r=|z| является его абсолютной величиной. Например:
z=-7
r=|-7|=7.
Модуль обладает рядом полезных свойств, удобных для использования в процессе решения задач:
- |z|≥;
- |z|= тогда и только тогда, когда z=;
- |z1+z2|≤|z1|+|z2|;
- |z1·z2|=|z1|·|z2|;
- |z1÷z2|=|z1|÷|z2|;
- |z1-z2|=(x1-x2)2+(y1-y2)2, то есть модуль разности определенных комплексных чисел соответствует расстоянию, на которое удалены эти числа на комплексной плоскости.
Разберем задание на умножение модулей пары комплексных чисел:
z1=1-i
z2=25i
Выполним вычисления модулей для первого и второго числа:
r1=12+(-1)2=2
r2=2+252=25
В результате:
r1·r2=252
Используя понятия модуля и аргумента, выразим вещественные числа x, y комплексного числа z=x+iy:
φx=rcosφ,y=rsinφ.
Аргумент комплексного числа обладает следующими свойствами:
- tgφ=yx, ctg φ=xy, sinφ=yr.
- Точность определения аргумента комплексного числа z≠ составляет 2πn,n∈Z.
- Аргумент нельзя определить, если z=0.
- Ключевым значением аргумента является число φ∈(-π;π. В том случае, когда речь идет об обратном числе, выполняется свойство: arg1z=-argz.
С комплексными числами, которые записаны в тригонометрической форме, можно выполнять разные действия. Рассмотрим те, которые наиболее часто встречаются в задачах.
Попробуем умножить два комплексных числа с помощью записанного правила:
z1=2cos-π2+isin-π2
z2=2cosπ4 +isinπ4
Выполним вычисления:
z1·z2=r1·r2(cos(φ1+φ2)+isin(φ1+φ2))=2·2cos-π2+π4+isin-π2+π4=2cos-π4+isin-π4
Допустим, что число z является комплексным и записано в тригонометрической форме:
z=r(cosφ+isinφ)
При этом его модуль равен:
r=|z|=x2+y2
С помощью формулы Эйлера получим:
z=r(cosφ+isinφ)=reiφ
Если число z=x+iy является комплексным, то справедливым будет следующее равенство:
ez=ex+iy=ex·eiy
Если z представляет собой вещественное число Imz=, то верно следующее соотношение:
ez=ex+i=ex·e=ex
В том случае, когда z является мнимым числом Rez=, применимо следующее соотношение:
ez=e+iy=e·eiy=eiy
С помощью формулы Эйлера запишем:
ez=ex·eiy=ex·(cosy+isiny)
Попробуем на примере конкретного комплексного числа z=2i выполнить перевод в показательную форму. В данном случае:
x=Re z= действительная часть
y=Im z=2 мнимая часть
Определим модуль и аргумент данного числа:
r=x2+y2=2+22=2
φ=argz=arctg yx=arctg 2=arctg (∞)=π2
В результате, показательная форма числа примет вид:
z=reiφ=2eπ2i
Формула Эйлера. Экспоненциальная форма записи комплексного числа
В курсе «Теория функций комплексного переменного», который студенты изучают в высших учебных заведениях, доказывается важная формула, называемая формулой Эйлера :
| cos φ + i sin φ = e iφ . | (6) |
Из формулы Эйлера (6) и тригонометрической формы записи комплексного числа (5) вытекает, что любое отличное от нуля комплексное число z = x + i y может быть записано в виде
| z = r e iφ , | (7) |
где r и φ — модуль и аргумент этого числа, соответственно, причем модуль удовлетворяет неравенству r > 0 .
Запись комплексного числа в форме (7) называют экспоненциальной (показательной) формой записи комплексного числа .
Из формулы (7) вытекают, в частности, следующие равенства:
а из формул (4) и (6) следует, что модуль комплексного числа
или, что то же самое, числа e iφ , при любом значении φ равен 1.
Алгебраическая форма записи комплексных чисел
Пусть x и y — произвольные вещественные числа.
Множеством комплексных чисел называют множество всевозможных пар (x, y) вещественных чисел, на котором определены операции сложения, вычитания и умножения по правилам, описанным чуть ниже.
Множество комплексных чисел является расширением множества вещественных чисел, поскольку множество вещественных чисел содержится в нём в виде пар (x, 0) .
Комплексные числа, заданные парами (0, y) , называют чисто мнимыми числами .
Для комплексных чисел существует несколько форм записи: алгебраическая форма записи, тригонометрическая форма записи и экспоненциальная (показательная) форма записи .
Алгебраическая форма — это такая форма записи комплексных чисел, при которой комплексное число z, заданное парой вещественных чисел (x, y) , записывается в виде
| z = x + i y . | (1) |
где использован символ i , называемый мнимой единицей .
Число x называют вещественной (реальной) частью комплексного числа z = x + i y и обозначают Re z .
Число y называют мнимой частью комплексного числа z = x + i y и обозначают Im z .
Комплексные числа, у которых Im z = 0 , являются вещественными числами .
Комплексные числа, у которых Re z = 0 , являются чисто мнимыми числами .
Тригонометрическая и экспоненциальная формы записи комплексных чисел будут изложены чуть позже.
Умножение, деление и возведение в натуральную степень комплексных чисел, записанных в экспоненциальной форме
Экспоненциальная запись комплексного числа очень удобна для выполнения операций умножения, деления и возведения в натуральную степень комплексных чисел.
Действительно, умножение и деление двух произвольных комплексных чисел
Таким образом, при перемножении комплексных чисел их модули перемножаются, а аргументы складываются.
При делении двух комплексных чисел модуль их частного равен частному их модулей, а аргумент частного равен разности аргументов делимого и делителя.
Возведение комплексного числа z = r e iφ в натуральную степень осуществляется по формуле
Другими словами, при возведении комплексного числа в степень, являющуюся натуральным числом, модуль числа возводится в эту степень, а аргумент умножается на показатель степени.
