Тема Комплексные числа и многочлены

Лекция 22

§1. Комплексные числа: основные определения

Символ вводят соотношением
и называют мнимой единицей. Другими словами,
.

Определение. Выражение вида
, где
, называется комплексным числом, при этом числоназывают вещественной частью комплексного числаи обозначают
, число– мнимой частьюи обозначают
.

Из такого определения следует, что действительные числа – это те комплексные числа, мнимая часть которых равна нулю.

Комплексные числа удобно изображать точками плоскости, на которой задана декартова прямоугольная система координат, а именно: комплексному числу
соответствует точка
и наоборот. На оси
изображаются вещественные числа и её называют вещественной осью. Комплексные числа вида

называют чисто мнимыми. Они изображаются точками на оси
, которую называют мнимой осью. Эту плоскость, служащую для изображения комплексных чисел, называют комплексной плоскостью. Комплексное число, не являющееся действительным, т.е. такое, что
, иногда называют мнимым.

Два комплексных числа называют равными тогда и только тогда, когда у них совпадают как вещественные, так и мнимые части.

Сложение, вычитание и умножение комплексных чисел производится по обычным правилам алгебры многочленов с учётом того, что

. Операцию деления можно определить как обратную к операции умножения и доказать единственность результата (если делитель отличен от нуля). Однако на практике используется другой подход.

Комплексные числа
и
называют сопряжёнными, на комплексной плоскости они изображаются точками, симметричными относительно вещественной оси. Очевидно, что:

1)

;

2)
;

3)
.

Теперь разделить наможно следующим образом:

.

Не трудно показать, что

,

где символ обозначает любую арифметическую операцию.

Пусть
некоторое мнимое число, а – вещественная переменная. Произведение двух биномов

есть квадратный трёхчлен с действительными коэффициентами.

Теперь, имея в распоряжении комплексные числа, мы сможем решить любое квадратное уравнение
.Если , то

и уравнение имеет два комплексных сопряжённых корня

.

Если
, то уравнение имеет два различных вещественных корня. Если
, то уравнение имеет два одинаковых корня.

§2. Тригонометрическая форма комплексного числа

Как говорилось выше, комплексное число
удобно изображать точкой
. Можно также такое число отождествлять с радиус-вектором этой точки
. При такой интерпретации сложение и вычитание комплексных чисел производится по правилам сложения и вычитания векторов. Для умножения и деления комплексных чисел более удобной оказывается другая форма.

Введём на комплексной плоскости
полярную систему координат. Тогда, где
,
и комплексное число
можно записать в виде:

Эту форму записи называют тригонометрической (в отличие от алгебраической формы
). В этой форме числоназывают модулем, а– аргументом комплексного числа. Они обозначаются:
,

. Для модуля имеем формулу

Аргумент числа определён неоднозначно, а с точностью до слагаемого
,
. Значение аргумента, удовлетворяющего неравенствам
, называется главным и обозначается
. Тогда,
. Для главного значения аргумента можно получить такие выражения:

,

аргумент числа
считается неопределённым.

Условие равенства двух комплексных чисел в тригонометрической форме имеет вид: модули чисел равны, а аргументы отличаются на число кратное
.

Найдём произведение двух комплексных чисел в тригонометрической форме:

Итак, при умножении чисел их модули умножаются, а аргументы складываются.

Аналогичным образом можно установить, что при делении модули чисел делятся, а аргументы вычитаются.

Понимая возведение в степень как многократное умножение, можно получить формулу возведения комплексного числа в степень:

Выведем формулу для
– корня-ой степени из комплексного числа(не путать с арифметическим корнем из действительного числа!). Операция извлечения корня является обратной по отношению к операции возведения в степень. Поэтому
– это комплексное числотакое, что
.

Пусть
известно, а
требуется найти. Тогда

Из равенства двух комплексных чисел в тригонометрической форме следует, что

,
,
.

Отсюда
(это арифметический корень!),

,
.

Нетрудно убедиться, что может принимать лишьразличных по существу значений, например, при
. Окончательно имеем формулу:

,
.

Итак, корень -ой степени из комплексного числа имеетразличных значений. На комплексной плоскости эти значения располагаются в вершинах правильно-угольника, вписанного в окружность радиуса
с центром в начале координат. “Первый” корень имеет аргумент
, аргументы двух “соседних” корней отличаются на
.

Пример. Извлечём корень кубический из мнимой единицы:
,
,
. Тогда:

,

Напомним необходимые сведения о комплексных числах.

Комплексное число - это выражение вида a + bi , где a , b - действительные числа, а i - так называемая мнимая единица , символ, квадрат которого равен –1, то есть i 2 = –1. Число a называется действительной частью , а число b - мнимой частью комплексного числа z = a + bi . Если b = 0, то вместо a + 0i пишут просто a . Видно, что действительные числа - это частный случай комплексных чисел.

Арифметические действия над комплексными числами те же, что и над действительными: их можно складывать, вычитать, умножать и делить друг на друга. Сложение и вычитание происходят по правилу (a + bi ) ± (c + di ) = (a ± c ) + (b ± d )i , а умножение - по правилу (a + bi ) · (c + di ) = (ac – bd ) + (ad + bc )i (здесь как раз используется, что i 2 = –1). Число = a – bi называется комплексно-сопряженным к z = a + bi . Равенство z · = a 2 + b 2 позволяет понять, как делить одно комплексное число на другое (ненулевое) комплексное число:

(Например, .)

У комплексных чисел есть удобное и наглядное геометрическое представление: число z = a + bi можно изображать вектором с координатами (a ; b ) на декартовой плоскости (или, что почти то же самое, точкой - концом вектора с этими координатами). При этом сумма двух комплексных чисел изображается как сумма соответствующих векторов (которую можно найти по правилу параллелограмма). По теореме Пифагора длина вектора с координатами (a ; b ) равна . Эта величина называется модулем комплексного числа z = a + bi и обозначается |z |. Угол, который этот вектор образует с положительным направлением оси абсцисс (отсчитанный против часовой стрелки), называется аргументом комплексного числа z и обозначается Arg z . Аргумент определен не однозначно, а лишь с точностью до прибавления величины, кратной 2π радиан (или 360°, если считать в градусах) - ведь ясно, что поворот на такой угол вокруг начала координат не изменит вектор. Но если вектор длины r образует угол φ с положительным направлением оси абсцисс, то его координаты равны (r · cos φ ; r · sin φ ). Отсюда получается тригонометрическая форма записи комплексного числа: z = |z | · (cos(Arg z ) + i sin(Arg z )). Часто бывает удобно записывать комплексные числа именно в такой форме, потому что это сильно упрощает выкладки. Умножение комплексных чисел в тригонометрической форме выглядит очень просто: z 1 · z 2 = |z 1 | · |z 2 | · (cos(Arg z 1 + Arg z 2) + i sin(Arg z 1 + Arg z 2)) (при умножении двух комплексных чисел их модули перемножаются, а аргументы складываются). Отсюда следуют формулы Муавра : z n = |z | n · (cos(n · (Arg z )) + i sin(n · (Arg z ))). С помощью этих формул легко научиться извлекать корни любой степени из комплексных чисел. Корень n-й степени из числа z - это такое комплексное число w , что w n = z . Видно, что , а , где k может принимать любое значение из множества {0, 1, ..., n – 1}. Это означает, что всегда есть ровно n корней n -й степени из комплексного числа (на плоскости они располагаются в вершинах правильного n -угольника).

Комплексные числа - это минимальное расширение множества привычных нам действительных чисел. Их принципиальное отличие в том, что появляется элемент, который в квадрате дает -1, т.е. i, или .

Любое комплексное число состоит из двух частей: вещественной и мнимой :

Таким образом видно, что множество действительных чисел совпадает с множеством комплексных чисел с нулевой мнимой частью.

Самая популярная модель множества комплексных чисел - это обычная плоскость. Первая координата каждой точки будет её вещественной частью, а вторая -мнимой. Тогда в роли самих комплексных чисел бдут выступать вектора с началом в точке (0,0).

Операции над комплексными числами.

На самом деле, если брать в расчет модель множества комплексных чисел, интуитивно понятно, что сложение (вычитание) и умножение двух комплексных числе производятся так же как соответственные операции над векторами. Причем имеется в виду векторное произведение векторов, потому что результатом этой операции является опять же вектор.

1.1 Сложение.

(Как видно, данная операции в точности соответствует )

1.2 Вычитание , аналогично, производится по следующему правилу:

2. Умножение.

3. Деление.

Определяется просто как обратная операция к умножению.

Тригонометрическая форма.

Модулем комплексного числа z называется следующая величина:

,

очевидно, что это, опять же, просто модуль (длина) вектора {a,b}.

Чаще всего модуль комплексного числа обозначается как ρ.

Оказывается, что

z = ρ(cosφ+isinφ) .

Непосредственно из тригонометрической формы записи комплексного числа вытекают следующие формулы :

Последнюю формулу называют Формулой Муавра . Непосредственно из нее выводится формула корня n-ной степени из комплексного числа :

таким образом, существует n корней n-ной степени из комплексного числа z.

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, 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: .

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 нашзнаменатель : . 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:

Распишу подробно:

В ряде случаев перед делением дробь целесообразно упростить, например, рассмотрим частное чисел: . Перед делением избавляемся от лишних минусов: в числителе и в знаменателе выносим минусыза скобки и сокращаем эти минусы: . Для любителей порешать приведу правильный ответ:

Редко, но встречается такое задание:

Пример 5

Приём тот же самый – умножаем знаменатель и числитель на сопряженное Дано комплексное число . Записать данное число в алгебраической форме (т.е. в форме).

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.