73829

Комплексные числа

Лекция

Математика и математический анализ

Определение комплексного числа. Первая компонента комплексного числа действительное число называется действительной частью числа это обозначается так; вторая компонента действительное число называется мнимой частью числа. Два комплексных числа и равны тогда и только тогда когда равны их действительные и мнимые части.

Русский

2014-12-21

388 KB

0 чел.

Комплексные числа.

Определение комплексного числа.

Опр.9.1.1. Комплексным числом  будем называть упорядоченную пару действительных чисел , записанную в форме , где - новый объект ("мнимая единица"), для которого при вычислениях полагаем .

Первая компонента комплексного числа , действительное число , называется действительной частью числа , это обозначается так: ; вторая компонента, действительное число , называется мнимой частью числа : .

 Опр.9.1.2. Два комплексных числа  и  равны тогда и только тогда, когда равны их действительные и мнимые части: .

Множество комплексных чисел неупорядочено, т.е. для комплексных чисел не вводятся отношения "больше" или "меньше".

Геометрически комплексное число  изображается как точка с координатами  на плоскости. Плоскость, на которой изображаются комплексные числа, называется комплексной плоскостью .

Опр.9.1.3. Суммой двух комплексных чисел  и  называется комплексное число , определяемое соотношением , т.е. , .

Это означает, что геометрически комплексные числа складываются как векторы на плоскости, покоординатно.

Опр.9.1.4. Произведением двух комплексных чисел  и  называется комплексное число , определяемое соотношением , т.е. .

Для двух комплексных чисел с нулевой мнимой частью  и  получим , , т.е. для множества комплексных чисел с нулевой мнимой частью операции сложения и умножения не выводят за пределы этого множества. Отождествим каждое такое число с действительным числом , равным действительной части комплексного числа, т.е. будем считать, что . Теперь действительные числа - подмножество множества комплексных чисел . Далее, числа с нулевой действительной частью, т.е. числа вида  , называются мнимыми числами. Мнимое число с единичной мнимой частью будем записывать просто как : ; квадрат этого числа, по определению умножения, равен , что обосновывает данное в опр.9.1.1 свойство "мнимой единицы".  

Легко убедиться, что операция сложения  на множестве комплексных чисел  имеет свойства, аналогичным аксиомам I.1- I.4, которым удовлетворяет операция сложения действительных чисел (см. раздел 3.1. Аксиомы действительных чисел):

I.1. ;

I.2.  ;

I.3. Существует такой элемент , что  для . Этот элемент - число .

I.4. Для каждого элемента  существует такой элемент , что . Этот элемент - число . Сумма чисел  и  называется разностью чисел  и : .

Прежде, чем определить операцию деления комплексных чисел, введём понятия сопряжённого числа и модуля комплексного числа.

Опр.9.1.5. Число  называется числом, сопряжённым к числу . Часто сопряжённое число обозначается также символом .

Опр.9.1.6. Действительное число  называется модулем комплексного числа .

Найдём произведение сопряжённых чисел:  . Таким образом,  - всегда неотрицательное действительное число, причём .

Для нахождения частного комплексных чисел  домножим числитель и знаменатель на число, сопряжённое знаменателю: .

 Для операции умножения справедливы свойства

II.1. ;

II.2. ;

II.3. Произведение числа  на любое число  равно ;

II.4. Для каждого числа  существует такое число , что , ;

Операции сложения и умножения подчиняется закону дистрибутивности:

III.1. .

Операция сопряжения имеет следующие свойства:

IV. 

.

Примеры выполнения арифметических действий с комплексными числами: пусть , . Тогда ;  ; .

9.1.2. Тригонометрическая форма комплексного числа. Запись комплексного числа в виде называется алгебраической формой комплексного числа. Изобразим число  как точку на плоскости с декартовыми координатами . Если теперь перейти к полярным координатам , то , поэтому . Угол  называется аргументом комплексного числа  и обозначается : . Аргумент комплексного числа определён неоднозначно (с точностью до слагаемых, кратных ): если, например, , то значения , равные   и т.д. тоже будут соответствовать числу , поэтому значение аргумента, удовлетворяющее условиям , будем называть главным;  для обозначения всех значений аргумента комплексного числа  применяется символ : .

Запись комплексного числа в виде  называется тригонометрической формой числа.

Число - единственное число, модуль которого равен нулю; аргумент для этого числа не определён.

Переход от тригонометрической формы к алгебраической очевиден: . Формулы для перехода от алгебраической формы к тригонометрической таковы:

При решении задач на перевод алгебраически заданного комплексного числа в тригонометрическую форму следует изобразить это число на комплексной плоскости  и, таким образом, контролировать полученный результат. Примеры: записать в тригонометрической форме числа , , , , . Решение: , , , , .

Более интересный пример: привести к тригонометрической форме число . Изобразим на комплексной плоскости  вместе с точкой  точку . Из рисунка понятно, что , поэтому .

В тригонометрической форме легко интерпретируются такие действия, как умножение, деление, возведение в степень. Пусть , , . Тогда

.

Вывод: при умножении комплексных чисел их модули перемножаются, аргументы складываются. Очевидно, если , то , т.е. операция сопряжения не меняет модуль числа, и изменяет знак его аргумента, поэтому . Вывод: при делении комплексных чисел их модули делятся друг на друга, аргумент частного равен разности аргументов делимого и делителя.

Введём следующее обозначение: для любого действительного числа  сумму  будем записывать как . Формула  называется формулой Эйлера, она обосновывается в теории функций комплексной переменной; пока будем понимать показательную функцию в левой части этой формулы как краткую форму записи для суммы, находящейся справа. Теперь любое комплексное число  можно представить как ; эта форма записи называется показательной. Введённое обозначение согласовано со свойствами показательной функции:

;

.

Индукцией по показателю степени  легко доказывается формула Муавра: если , то , или, в показательной форме, . С помощью этой формулы легко вычислять высокие степени комплексных чисел и выводить формулы для синусов и косинусов кратных углов:

; в качестве второго примера выведем формулы для  и : если , то, по формуле бинома Ньютона,

. Выпишем степени числа :

и далее значения степеней повторяются (для отрицательных степеней это тоже справедливо:  и т.д.). Итак,

. С другой стороны, , поэтому, приравнивая действительные и мнимые части этих двух представлений пятой степени числа , получим , .

В заключение рассмотрим операцию извлечения корня -ой степени из комплексного числа . По определению, любое число , такое, что  , называется корнем -ой степени из числа . Пусть , . Тогда . Числа равны, если равны их модули и аргументы, поэтому , , откуда , , при этом  различных значения корня -ой степени из числа  получаются при .

Пример: найти все значения . Число  в тригонометрической форме равно . Все пять значений корня даются формулой  при . Они расположены на окружности радиуса . Значение, соответствующее , имеет аргумент , остальные расположены с интервалом по , равным , образуя правильный пятиугольник.


 
 

x

y

z

  Re z

Im z

Z

  

 (Z)

 z 

 x 

 y 

 |z |

  5/6

  /3

  z1

  /3

 (Z)

  z

  /6

  z4

  2

  z2

  -4

  -2

  -2

 (Z)

  2

  z1

  z3

  z5

x

 2

z2

z0

z

 -/3

 -/15

z1

z3

z4

 

y


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

44118. Модель создания единого информационного пространства образовательного учреждения с применением сетевых информационных технологий 1.25 MB
  Особую роль в данной форме самообразования могут занять социальные сети и социальные сообщества функционирующие в Интернете. Все больше преподавателей осваивают работу в Сети и начинают использовать ее в образовательном процессе. При условии создания в учебном заведении Интернет-системы следующим шагом становится выход на более высокий уровень функционирования информационного пространства Интернет предусматривающий создание и открытие доступа всем непосредственным участникам учебного процесса и внешним посетителям к сайту учебного...
44119. Технологический процесса производства сборной жестяной консервной тары 4.79 MB
  В некоторых случаях можно отказаться от применения пайки продольного шва. Продольный шов можно соединять с помощью клеящего устройства и герметизировать уплотняющими средствами. Благодаря этому становиться возможным изготовление герметичных сборных жестяных банок из неподдающихся пайки исходных материалов.
44120. Разработка способов сжигания твердого топлива ОАО «Экспериментальная ТЭС» 1.73 MB
  Расчет мощности на перекачку воды Расчет деаэратора питательной воды ДПВ до реконструкции на каждый котел установлен один деаэратор. Расчет теплового баланса деаэратора питательной воды ДПВ. Выбор деаэратора питательной воды ДПВ.
44121. Транспортировка грузов 1.01 MB
  Поэтому для обеспечения высоких эксплуатационных характеристик грузоподъемных кранов и их безаварийной работы машинист крана крановщик и обслуживающий персонал должны знать хорошо назначение область применения и устройство кранов их конструктивные особенности технические характеристики устройство и работу крановых механизмов электрооборудования приборов и устройств безопасности. Кроме того машинист крана должен знать правила безопасной эксплуатации кранов их технического обслуживания и ремонта современную прогрессивную технологию и...
44122. МОТИВАЦИИ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПЕРВОКЛАССНИКОВ С ЗАДЕРЖКОЙ ПСИХИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ 588.5 KB
  Мотивационную сферу человека с точки зрения ее развитости можно оценивать по следующим параметрам: широта, гибкость и иерархизированность. Под широтой мотивационной сферы понимается качественное разнообразие мотивационных факторов — диспозиций (мотивов), потребностей и целей, представленных на каждом из уровней.
44123. Формирование и развитие рынка речных круизов в Перми и Пермском крае на примере туристической фирмы ООО «Кубань» 838 KB
  Основные понятия рынка и государственное регулирование сферы туризма в России Переход страны к рыночной экономике сопровождается постепенным созданием конкурентной среды во всех отраслях современного туризма в том числе и в сфере речного круизного туризма. В российской экономической литературе вопросам туризма посвящено немало научных исследований. Таким образом планируется рассмотреть проблемы и сформировать программы развития туризма регионального муниципального уровней в которых предстоит разработать и реализовать комплекс мер...
44124. Проектирование районной понизительной подстанции 356.24 KB
  На данной подстанции по ПУЭ устанавливается 2 трансформатора, это делается из-за того что на ней присутствуют потребители I и II категории. Перерыв в электроснабжение которых для I категории допускается лишь на время автоматического восстановления питания, а для II категории – на время
44125. Оценка стоимости недвижимости. Анализ ипотеки в Барнауле и Алтайском крае 1.09 MB
  Мне было дано провести анализ по оценки объекта недвижимости в городе Барнаулея взял как примержилой дом находящегося по адресу: г. Оценка стоимости недвижимости процесс определения рыночной стоимости объекта или отдельных прав в отношении оцениваемого объекта недвижимости. Оценка стоимости недвижимости включает: определение стоимости права собственности или иных прав например права аренды права пользования и т. в отношении различных объектов недвижимости.
44126. Создание электронного библиотечного каталога 1.79 MB
  На практике это означает выполнение автоматизированной обработки новых поступлений в библиотеку; освобождение сотрудников от ряда рутинных работ по подготовке картотек изданий списков заказов писем отчетной документации; создание базы данных о поступлениях; осуществление операций по созданию и копированию тематических архивов литературы. Благодаря автоматизации с минимальными временными затратами можно выполнять следующие функции: предметный поиск информации по запросам читателей; обслуживание баз данных информационных и периодических...