21453

Комплексные числа. Комплексные числа являются естественным обобщением понятия вещественных чисел

Лекция

Математика и математический анализ

Комплексные числа. Комплексные числа являются естественным обобщением понятия вещественных чисел. При этом числа x и y называются вещественной и мнимой частями соответственного комплексного числа z. Два комплексных числа и считаются равными между собой тогда и только тогда когда равны их вещественные и мнимые части т.

Русский

2013-08-02

392 KB

6 чел.

         Лекция 8.

Комплексные числа.

Комплексные числа являются естественным обобщением понятия вещественных чисел.

Поставим в соответствие каждой точке P плоскости пару чисел (x,y) – её координаты. Это можно сделать, введя комплексное число

                  .                               (1)

Такая запись соответствует тому, что вектор  можно представить как сумму векторов  и , т.е.

координата, отсчитываемая вдоль оси y помечается приписыванием символа ‘i’, называемого мнимой единицей.

При этом числа x и y называются вещественной и мнимой частями соответственного комплексного числа z.

Два комплексных числа  и  считаются равными между собой тогда и только тогда, когда равны их вещественные и мнимые части, т.е.

Как известно

 где                (2)

Обозначают  r=|z|=|x+iy| .

Таким образом, комплексное число z может быть задано также парой чисел: rмодулем и аргументом комплексного числа.

Равенство чисел состоит теперь в том, что равны их модули, а аргументы могут отличаться на величину, кратную 2.

Выражение комплексного числа через его модуль и аргумент имеет вид (см. (1) и (2))

                                                         (3)

Это запись комплексного числа в тригонометрической форме, причем r – длина вектора , определяющего комплексное число.

Сложение и вычитание комплексных чисел.

Сумма двух комплексных чисел  и  может быть найдена

как сумма соответствующих векторов:

    

       

т.е.       

                                          (4)

Это правило распространяется на любое число слагаемых. Справедливы переместительный и сочетательный законы.

Умножение комплексного числа на вещественное производится по правилу умножения вектора на число, т.е.

                                            (5)

где a – вещественное число.

Таким образом, вычитание комплексных чисел ,  сводится к сложению числа , с числом , т.е.

                               (6)

Т.к. длина любой стороны треугольника меньше суммы длин его других сторон, то

  

Аналогично

                                               (7)

Умножение комплексных чисел.

Вектор, соответствующий комплексному числу z,   

               

может быть получен из единичного вектора  путем удлинения его в  раз и поворота в положительном направлении на угол .

Поэтому умножение числа  на  соответствует удлинению вектора  в  раз и довороту его на угол . Таким образом,

                      (8)  

Распишем соотношение (8) в координатной форме:

       

Таким образом,

                       (9)

Если , то сомножители – вещественные числа, а произведение  – также вещественное число.

Если же , а , то из (9) имеем

                                                                     (10)

т.е. квадрат мнимой единицы равен (-1).

Из (10) получаем:

 

Т.е. при всяком целом n>0 имеем

Соотношение (9) можно сформулировать так: комплексные числа надо перемножать как буквенные многочлены, считая .

Число  называется комплексно сопряженным числу .

Из (9) имеем

                                 (11)

Для произведения комплексных чисел также справедливы переместительный и сочетательный законы.

Модуль произведения нескольких сомножителей равен произведению их модулей, а аргумент – сумме их аргументов.

Деление комплексных чисел.

Деление есть действие, обратное умножению, т.е.

               

т.к.

Модуль частного равен частному модуле делимого и делителя, а аргумент – равен разности их аргументов.

Формула (12) теряет смысл при .

Формула (12) могла быть получена следующим образом:

          

Поэтому

                           (13)

 Т.к. при сложении и умножении комплексных чисел сохраняются переместительный, сочетательный и распределительный законы, то остаются справедливыми и правило вынесения за скобки, простейшие формулы, формула бинома Ньютона для целых положительных показателей, формулы для прогрессии и другие.

Если в сумме, разности, произведении и частном заменить все числа сопряженными, то и результат будет сопряженное число.

Это свойство остается справедливым для любого выражения, содержащего комплексные числа, связанные знаками первых четырех действий.

Возведение в степень и извлечение корня.

Применение формулы (8) к n одинаковым сомножителям

                               (14)

При r=1 имеем формулу Моавра

                                          (15)

Корнем n – ой степени из комплексного числа называется такое число, n – ная степень которого равна подкоренному числу.

Таким образом, если

        

то           

откуда      

т.е.

                   

где  – арифметическое значение корня.

Итак,

                         (16)

Из (16) следует, что корень n – ой степени из числа имеет n различных значений. Действительно, при k=0,1,2,…,(n-1) значения корня будут разными, поскольку их аргументы различны, а при k=n,n+1,…. получим значения корня, совпадающие с первым (т.е. при k=0,1,..). Поскольку при n обходах начала координат (z=0) мы получаем n различных значений корня, то точку z=0 называют точкой ветвления функции .

Показательная функция и формула Эйлера.

Рассмотрим показательную функцию  при вещественном x 

                              

Положим

                              

Группируя слагаемые, получим

 

Поскольку

 

то

                                                          (17)

Это формула Эйлера. Заменив в ней y на (-y), получим

                                                         (18)

Из (17) и (18) имеем

   ,                         (19)  

Из (17) получаем показательную форму комплексного числа

                                              (20)

Показательная функция при любом комплексном показателе  определяется формулой

                               (21)   

т.е.

                                                          (22)   

Пусть , тогда

 

откуда

Окончательно,

                

Аналогично

             

В случае целого положительного (и отрицательного) n  

                                

Тригонометрические функции от комплексного z определяются при помощи формулы Эйлера

        

Легко доказать, что

        

       

Ввиду важности показательной функции дадим ещё одно её определение по аналогии с функцией вещественных переменных. Определим  как следующий предел

                                                                         (*)

При этом необходимо доказать существование предела последовательности комплексных чисел  при z и вычислить этот предел. По правилам возведения в степень имеем

          

Отбрасывая в первом выражении малую высшего порядка  и заменяя во втором малый угол его тангенсом , мы видим, что существуют

         и

Но из существования этих пределов следует существование предела (*), причем мы полагаем, что  (т.е. ), что совпадает с формулами (22).

Логарифмирование.

Натуральным логарифмом комплексного числа  называется показатель степени, в которую нужно возвести e, чтобы получилось это число, т.е.

 

если

 

и наоборот. Из последнего равенства следует

 

откуда   k=0,1,…

Т.е.  а

Окончательно

                                             (23)

Натуральный логарифм любого числа имеет бесчисленное множество значений (здесь z=0 – точка ветвления бесконечного порядка). Если мы потребуем, чтобы

         

то получим главное значение логарифма:

 

 Если U и V - два комплексных числа, то положим

        

т.е. комплексная степень комплексного числа имеет бесчисленное множество значений.


EMBED PBrush  

EMBED PBrush  

Интегрирующий множитель.

      В некоторых случаях левая часть уравнения

                                                                                (5)

не является полным дифференциалом, однако можно подобрать функцию (x, y), после умножения на которую левая часть уравнения (5) превращается в полный дифференциал

,

т.е.     .

Такая функция называется интегрирующим множителем. Заметим, что умножение на интегрирующий множитель (x, y) может привести к появлению лишних частных решений, обращающих этот множитель в нуль. Интегрирующий множитель всегда существует локально (Из теоремы о существовании и единственности (см. ниже) следует, что (5) имеет единственное решение, если  удовлетворяет условиям теоремы). Пусть U(x, y)=C – общий интеграл уравнения (5), тогда

,   т.е.  , откуда

Поэтому

,

т.е. - интегрирующий множитель).

Заметим, что найти его в явном виде, вообще говоря, трудно.

Пример 2.

                     .                                     (9)

Здесь . Действительно

                             ,

т.к.

                            ,

то это уравнение в полных дифференциалах, поэтому, интегрируя, имеем:

       

                      т.е.

                                                        .

Итак,

                                         

откуда окончательно имеем

                                             

Это решение удовлетворяет уравнению (9).

6

PAGE  9


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20336. ПОНЯТИЙНЫЕ ОСНОВЫ ФИЛОСОФИИ ТЕХНИКИ. ПРОБЛЕМА ОБЪЕДИНЯЮЩЕГО ПОНИМАНИЯ ТЕХНИКИ. УЗКОЕ И ШИРОКОЕ ПОНИМАНИЕ ТЕХНИКИ И ФИЛОСОФИИ ТЕХНИКИ. ПРОБЛЕМА ФУНКЦИЙ ТЕХНИКИ И ОБЪЕКТА ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ. ОБЪЕДИНЯЮЩЕЕ ПОНИМАНИЕ ТЕХНИКИ 72 KB
  ПРОБЛЕМА ОБЪЕДИНЯЮЩЕГО ПОНИМАНИЯ ТЕХНИКИ. УЗКОЕ И ШИРОКОЕ ПОНИМАНИЕ ТЕХНИКИ И ФИЛОСОФИИ ТЕХНИКИ. ПРОБЛЕМА ФУНКЦИЙ ТЕХНИКИ И ОБЪЕКТА ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ.
20337. ПОНЯТИЙНЫЕ ОСНОВЫ ФИЛОСОФИИ ТЕХНИКИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ. ТЕХНИЧЕСКИЙ ИЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ? ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОСФЕРЫ. ОБЪЕКТ И ПРЕДМЕТ ФИЛОСОФИИ ТЕХНИКИ 65.5 KB
  ОБЪЕКТ И ПРЕДМЕТ ФИЛОСОФИИ ТЕХНИКИ. Философия техники или философия технологии Технический или технологический университет Философия техники как философия техносферы. Объект и предмет философии техники.
20338. Объективная и субъективная диалектика. Теоретическое и обыденное сознание и диалектика. Софистика, эклектика, релятивизм и диалектика 62.5 KB
  Но поскольку человек только часть бесконечного объективного мира то это богатство именно относительно. Беднее поскольку отражение объективного в субъективной форме не есть тождественное отражение. Ее всеобщность уже была Вам представлена поскольку изложение начальных вопросов философии ее предмета основных философских направлений не обошлось без диалектики например практически вечная борьба в философии материализма и объективного идеализма. релятивизме относительности даже полном релятивизме когда на каждое да возможно нет...
20339. ФИЛОСОФИЯ И МИРОВОЗЗРЕНИЕ. РАЗДЕЛЫ ФИЛОСОФСКОГО ЗНАНИЯ. ФУНКЦИИ ФИЛОСОФИИ В ДУХОВНОЙ КУЛЬТУРЕ ЧЕЛОВЕКА И ЧЕЛОВЕЧЕСТВА 43 KB
  ФУНКЦИИ ФИЛОСОФИИ В ДУХОВНОЙ КУЛЬТУРЕ ЧЕЛОВЕКА И ЧЕЛОВЕЧЕСТВА. Какой из возможных видов сравнения взять за начало Сравнение философии с другими видами мировоззрений. Это позволит с одной стороны показать специфику философии на фоне других мировоззрений с другой стороны выйти на разделы философского знания. Темы раздела: диалектика противоположности законы диалектики качество количество Вопросы: отличие диалектики от метафизики специфика диалектического снятия История философии собрание всей мудрости.
20340. СОЦИАЛЬНО-ИСТОРИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И ПРЕДПОСЫЛКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ФИЛОСОФИИ. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ФИЛОСОФСКОЙ КУЛЬТУРЫ 50 KB
  Социальноисторические условия и предпосылки возникновения философии. Необходимым условием возникновения философии выступает рост производительных сил общва техники трудовых умений и знаний. Из истории вы должны знать какие причины видят в основании греческого чуда которое в частности привело к возникновению философии.
20341. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИСТОРИЧЕСКИХ ЭТАПОВ ВЗАИМООТНОШЕНИЯ ФИЛОСОФИИ И НАУКИ. СОВРЕМЕННОЕ ПОНИМАНИЕ ФИЛОСОФИИ КАК НАУКИ, ЕЕ МЕСТА В СИСТЕМЕ НАУЧНОГО ЗНАНИЯ. НАУКА, ФИЛОСОФИЯ, ЦЕННОСТЬ 44 KB
  СОВРЕМЕННОЕ ПОНИМАНИЕ ФИЛОСОФИИ КАК НАУКИ ЕЕ МЕСТА В СИСТЕМЕ НАУЧНОГО ЗНАНИЯ. Наука в это время в целом входит в лоно философии. Одни социальноэкономические условия способствовали появлению философии и науки атмосфера демократии возможность существования теоретического абстрактного знания.
20342. ПРИЧИНЫ И ЗНАЧЕНИЕ ПЛЮРАЛИЗМА ФИЛОСОФСКИХ УЧЕНИЙ. ОСНОВНОЙ ВОПРОС ФИЛОСОФИИ И ОСНОВНЫЕ ФИЛОСОФСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЛОСОФИИ КАК НАУКИ 38 KB
  ОСНОВНОЙ ВОПРОС ФИЛОСОФИИ И ОСНОВНЫЕ ФИЛОСОФСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЛОСОФИИ КАК НАУКИ. Для многих это признак слабости философии. В философии сегодня наиболее полно представлена самобытность человека.
20343. СПЕЦИФИКА ОБЪЕКТИВНОГО ИДЕАЛИЗМА. ОБЪЕКТИВНЫЙ ИДЕАЛИЗМ, РЕЛИГИЯ, РЕЛИГИОЗНАЯ ФИЛОСОФИЯ. ОБЪЕКТИВНЫЙ ИДЕАЛИЗМ ПЛАТОНА, ФОМЫ АКВИНСКОГО, Г. ГЕГЕЛЯ. ПЕРСПЕКТИВЫ ОБЪЕКТИВНОГО ИДЕАЛИЗМА 52 KB
  Но размышляя он приходит к выводу что известный тезис христианства о творении мира из ничто ничего нужно понимать так: есть некое Ничто существующее независимо от Бога. Но Бердяев считал что в таком случае никак нельзя обосновать свободу какая это свобода если все в мире подконтрольно Богу и все грехи мира падают на Бога. Но лишает христианского Бога роли господина всего существующего что для большинства христиан абсолютно неприемлемо. мы в силу общественной привычки и обучения часто без особых доказательств не говоря уже о...
20344. СПЕЦИФИКА СУБЪЕКТИВНОГО ИДЕАЛИЗМА. СОФИСТИКА, СКЕПТИЦИЗМ И СУБЪЕКТИВНЫЙ ИДЕАЛИЗМ. ИСТОРИЯ СТАНОВЛЕНИЯ СУБЪЕКТИВНОГО ИДЕАЛИЗМА ОТ БЕРКЛИ К КАНТУ. ОСНОВНЫЕ ТЕМЫ И ОСНОВЫ КРИТИКИ СУБЪЕКТИВНОГО ИДЕАЛИЗМА 63.5 KB
  Си философское направление обостренно воспринимающее проблему тему ограниченности человеческого опыта знания откуда для него объективно вытекает что сознание человека творит мир. Для крайнего последовательного СИ это означает не только познавательно гносеологически творит мир т. человек своим сознанием делает то что мы называем считаем материальным миром. В античности склонялись либо к простому релятивизму у каждого свои взгляды на мир либо к благоразумию критика философских взглядов одновременно не отвергала а наоборот...