Как найти все значения аргумента комплексного числа

Определение 1

Длина радиус-вектора, который изображает заданное комплексное число $z=a+bi$, называется модулем данного комплексного числа.

«Модуль и аргумент комплексного числа» 👇

Модуль и аргумент комплексного числа

Пусть задано комплексное число $ z = a+bi $.

Формула

Модуль комплексного числа равен корню квадратному из суммы квадратов мнимой и действительной части и находится по формуле: $$ |z| = sqrt{a^2 + b^2} $$

Если комплексное число состоит только из действительной части $ z = a $, то его модуль равен $ |z| = |a| $.

Стоит заметить, что модуль комплексных чисел всегда неотрицательный $ |z| ge 0 $ и равен нулю $ |z| = 0 $, только в случае $ z = 0 $.

Формула

Аргумент комплексного числа обозначается $ varphi = arg z $ и зависит от полуплоскости, в которой лежат числа $a,b$: $ a > 0 $, тогда $ varphi = arctg frac{b}{a} $ $ a < 0, b ge 0 $, тогда $ varphi = pi + arctg frac{b}{a} $ $ a < 0, b < 0 $, тогда $ varphi = -pi + arctg frac{b}{a} $ $ a = 0, b > 0 $, тогда $varphi = frac{pi}{2}$ $ a = 0, b < 0 $, тогда $varphi = -frac{pi}{2}$

Пример 1

Найти модуль и аргумент комплексного числа $ z = 3 – 4i $.

Решение

Комплексное число состоит из действительной и мнимой части: $$ a = Re z = 3 $$ $$ b = Im z = -4 $$ Применяя формулу вычисления модуля получаем: $$ |z| = sqrt{a^2 + b^2} = sqrt{3^2 + (-4)^2} = sqrt{9+16} = 5 $$ Теперь вычисляем аргумент. Так как $a = 3 > 0$, то получаем аргумент: $$varphi = arctg frac{b}{a} = arctg frac{-4}{3} = -arctg frac{4}{3}.$$

Ответ

$$ |z| = 5, varphi = -arctg frac{4}{3} $$

Пример 2

Найти модуль и аргумент комплексного числа $ z = 3i $

Решение

В данном случае отсутствует действительная часть, а вернее она равна нулю: $$ a = Re z = 0 $$ Мнимая часть комплексного числа равна: $$ b = Im z = 3 $$ Вычисляем модуль по уже известной формуле: $$ |z| = sqrt{a^2 + b^2} = sqrt{0^2 + 3^2} = sqrt{9} = 3 $$ А вот аргумент здесь попадает под правило при $a = 0, b>0$ и значит равен $$varphi = frac{pi}{2}.$$

Ответ

$$ |z| = 3, varphi = frac{pi}{2} $$

Пример 3

Найти модуль и аргумент комплексного числа $$ z = 1+sqrt{3}i $$

Решение

Выписываем действительную и мнимую часть: $$ a = 1 $$ $$ b = sqrt{3} $$ Так как $ a > 0 $, то аргумент равен $$ varphi = arctg frac{sqrt{3}}{1} = arctg sqrt{3} = frac{pi}{3} $$ Находим модуль извлекая квадратный корень из суммы квадратов действительной и мнимой части: $$|z| = sqrt{1^2 + (sqrt{3})^2} = sqrt{1+3}=2.$$ Если не получается решить свою задачу, то присылайте её к нам. Мы предоставим подробное решение онлайн. Вы сможете ознакомиться с ходом вычисления и почерпнуть информацию. Это поможет своевременно получить зачёт у преподавателя!

Ответ

$$ varphi = frac{pi}{3}, |z| = 2 $$

Пример 4

Найти аргумент комплексного числа $$ z = -1 + sqrt{3}i $$

Решение

Действительная часть $$ a = Re z = -1 $$ Мнимая часть $$ b = Im z = sqrt{3} $$ Так как $ a < 0 $ и $ b > 0 $, то пользуемся второй формулой: $$ varphi = arg z = pi + arctg frac{sqrt{3}}{-1} = pi + arctg (-sqrt{3}) = $$ $$ = pi – arctg(sqrt{3}) = pi – frac{pi}{3} = frac{2pi}{3}. $$

Ответ

$$ varphi = frac{2pi}{3} $$

Запросы «Re», «Im» и «Мнимая величина» перенаправляются сюда; см. также другие значения терминов Re, Im и Мнимая величина.

Ко́мпле́ксные чи́сла (от лат. complexus — связь, сочетание^[1]; о двойном ударении см. примечание^{[K 1]}) — числа вида где  — вещественные числа,  — мнимая единица^[2], то есть число, для которого выполняется равенство: Множество комплексных чисел обычно обозначается символом  Вещественные числа можно рассматривать как частный случай комплексных, они имеют вид Главное свойство  — в нём выполняется основная теорема алгебры, то есть любой многочлен -й степени () имеет корней. Доказано^[⇨], что система комплексных чисел логически непротиворечива^{[K 2]}.

Так же как и для вещественных чисел, для комплексных чисел определены операции сложения, вычитания^[⇨], умножения^[⇨] и деления^[⇨]. Однако многие свойства комплексных чисел отличаются от свойств вещественных чисел; например, нельзя указать, какое из двух комплексных чисел больше или меньше^[⇨]. Удобно представлять комплексные числа точками на комплексной плоскости^[⇨]; например, для изображения сопряжённых чисел используется операция отражения относительно горизонтальной оси^[⇨]. Альтернативное представление комплексного числа в тригонометрической записи оказалось полезным для вычисления степеней и корней^[⇨]. Функции комплексного аргумента изучаются в комплексном анализе^[⇨].

Первоначально идея о необходимости использования комплексных чисел возникла в результате формального решения кубических уравнений, при котором в формуле Кардано под знаком квадратного корня получалось отрицательное число^[3]. Большой вклад в исследование комплексных чисел внесли такие математики как Эйлер, который ввёл общепризнанное обозначение для мнимой единицы, Декарт, Гаусс^[⇨]. Сам термин «комплексное число» ввёл в науку Гаусс в 1831 году^[4].

Уникальные свойства комплексных чисел и функций нашли широкое применение для решения многих практических задач в различных областях математики, физики и техники: в обработке сигналов, теории управления, электромагнетизме, теории колебаний, теории упругости и многих других^[5][⇨]. Преобразования комплексной плоскости оказались полезны в картографии и гидродинамике. Современная физика полагается на описание мира с помощью квантовой механики, которая опирается на систему комплексных чисел.

Известно также несколько обобщений комплексных чисел — например, кватернионы^[⇨].

Комплексная арифметика[править | править код]

Связанные определения[править | править код]

Всякое комплексное число состоит из двух компонентов^[6]:

Противоположным для комплексного числа является число Например, для числа противоположным будет число

В отличие от вещественных, комплексные числа нельзя сравнивать на больше/меньше; доказано, что нет способа распространить порядок, заданный для вещественных чисел, на все комплексные так, чтобы порядок был согласован с арифметическими операциями (чтобы из вытекало , а из и вытекало ). Однако, комплексные числа можно сравнивать на равно/не равно^[6]:

Четыре арифметические операции для комплексных чисел (определённые ниже) имеют те же свойства, что и аналогичные операции с вещественными числами.

Сложение и вычитание[править | править код]

Определение сложения и вычитания комплексных чисел^[6]:

Следующая таблица^[6] показывает основные свойства сложения для любых комплексных

Свойство	Алгебраическая запись
Коммутативность (переместительность)
Ассоциативность (сочетательность)
Свойство нуля
Свойство противоположного элемента
Выполнение вычитания через сложение

Умножение[править | править код]

Определение произведения^[6] комплексных чисел и

Следующая таблица^[6] показывает основные свойства умножения для любых комплексных

Свойство	Алгебраическая запись
Коммутативность (переместительность)
Ассоциативность (сочетательность)
Свойство единицы
Свойство нуля
Дистрибутивность (распределительность) умножения относительно сложения

Правила для степеней мнимой единицы:

и т. д.

То есть для любого целого числа верна формула , где выражение означает получение остатка от деления на 4.

После определения операций с комплексными числами выражение можно воспринимать не как формальную запись, а как выражение, составленное по приведённым выше правилам сложения и умножения. Чтобы это показать, раскроем все входящие в него переменные, следуя вышеприведённым соглашениям и определению сложения и умножения:

Деление[править | править код]

Комплексное число называется сопряжённым к комплексному числу (подробнее ниже).

Для каждого комплексного числа кроме нуля, можно найти обратное к нему^[10] комплексное число Для этого умножим числитель и знаменатель дроби на число комплексно сопряжённое знаменателю

Определим результат деления^[6] комплексного числа на ненулевое число

Как и для вещественных чисел, деление можно заменить умножением делимого на число, обратное к делителю.

Другие операции[править | править код]

Для комплексных чисел определены также извлечение корня, возведение в степень и логарифмирование.

Основные отличия комплексных чисел от вещественных[править | править код]

Уже упоминалось, что комплексные числа нельзя сравнивать на больше-меньше (иными словами, на множестве комплексных чисел не задано отношение порядка). Другое отличие: любой многочлен степени с комплексными (в частности, вещественными) коэффициентами имеет, с учётом кратности, ровно комплексных корней (основная теорема алгебры)^[11].

В системе вещественных чисел из отрицательного числа нельзя извлечь корень чётной степени. Для комплексных чисел возможно извлечение корня из любого числа любой степени, однако результат неоднозначен — комплексный корень -й степени из ненулевого числа имеет различных комплексных значений^[12]. См., например, корни из единицы.

Дополнительные отличия имеют функции комплексного переменного^[⇨].

Замечания[править | править код]

Число не является единственным числом, квадрат которого равен Число также обладает этим свойством.

Выражение ранее часто использовавшееся вместо в современных учебниках считается некорректным, и под знаком радикала стали допускаться только неотрицательные выражения (см. «Арифметический корень»). Во избежание ошибок, выражение с квадратными корнями из отрицательных величин в настоящее время принято записывать как а не несмотря на то, что даже в XIX веке второй вариант записи считался допустимым^[13][14].

Пример возможной ошибки при неосторожном использовании устаревшей записи:

Эта ошибка связана с тем, что квадратный корень из определён неоднозначно (см. ниже #Формула Муавра и извлечение корней). При использовании современной записи такой ошибки не возникло бы^[14]:

Геометрическое представление[править | править код]

Комплексная плоскость[править | править код]

Комплексные числа можно представить на плоскости с прямоугольной системой координат: числу соответствует точка плоскости с координатами (а также радиус-вектор, соединяющий начало координат с этой точкой). Такая плоскость называется комплексной. Вещественные числа на ней расположены на горизонтальной оси, мнимая единица изображается единицей на вертикальной оси; по этой причине горизонтальная и вертикальная оси называются соответственно вещественной и мнимой осями^[15].

Бывает удобно рассматривать на комплексной плоскости также полярную систему координат (см. рисунок справа), в которой координатами точки являются расстояние до начала координат (модуль^[⇨]) и угол радиус-вектора точки с горизонтальной осью (аргумент^[⇨]).

В этом представлении сумма комплексных чисел соответствует векторной сумме соответствующих радиус-векторов, а вычитанию чисел соответствует вычитание радиус-векторов. При перемножении комплексных чисел их модули перемножаются, а аргументы складываются (последнее несложно вывести из формулы Эйлера или из тригонометрических формул суммы). Если модуль второго сомножителя равен 1, то умножение на него соответствует повороту радиус-вектора первого числа на угол, равный аргументу второго числа^[16]. Этот факт объясняет широкое использование комплексного представления в теории колебаний, где вместо терминов «модуль» и «аргумент» используются термины «амплитуда» и «фаза»^[17].

Пример: умножение на поворачивает радиус-вектор числа на прямой угол в положительном направлении, а после умножения на радиус-вектор поворачивается на прямой угол в отрицательном направлении.

Модуль[править | править код]

Модулем (абсолютной величиной) комплексного числа называется длина радиус-вектора соответствующей точки комплексной плоскости (или, что то же самое, расстояние от точки комплексной плоскости до начала координат). Модуль комплексного числа обозначается (иногда или ) и определяется выражением^[16]

Если является вещественным числом, то совпадает с абсолютной величиной этого числа в вещественном понимании термина.

Для любых комплексных имеют место следующие свойства модуля^[16][18]:

1) , причём только при

2) (неравенство треугольника);

3)

4)

5) для пары комплексных чисел и модуль их разности равен расстоянию между соответствующими точками комплексной плоскости;

6) модуль числа связан с вещественной и мнимой частями этого числа соотношениями:

Аргумент[править | править код]

Аргументом ненулевого комплексного числа называется угол между радиус-вектором соответствующей точки и положительной вещественной полуосью. Аргумент числа измеряется в радианах и обозначается . Из этого определения следует, что^[16]

Для комплексного нуля значение аргумента не определено, для ненулевого числа аргумент определяется с точностью до , где  — любое целое число. Главным значением аргумента называется такое значение , что Главное значение может обозначаться ^[19].

Некоторые свойства аргумента^[18]:

1) аргумент обратного числа отличается знаком от аргумента исходного:

2) аргумент произведения равен сумме аргументов сомножителей:

3) аргумент частного от деления равен разности аргументов делимого и делителя:

Сопряжённые числа[править | править код]

Если комплексное число равно то число называется сопряжённым (или комплексно-сопряжённым) к (обозначается также ). На комплексной плоскости сопряжённые числа получаются друг из друга зеркальным отражением относительно вещественной оси. Модуль сопряжённого числа такой же, как исходного, а их аргументы различаются знаком^[20]:

• 

Переход к сопряжённому числу можно рассматривать как одноместную операцию, которая сохраняет все арифметические и алгебраические свойства. Эта операция имеет следующие свойства^[20]:

Произведение комплексно-сопряжённых чисел — неотрицательное вещественное число, равное нулю только для нулевого z^[18]:

• 

Сумма комплексно-сопряжённых чисел — вещественное число^[18]:

• 

Другие соотношения^[18]:

• 
• 
• 
• 
• 

Или, в общем виде: где  — произвольный многочлен с вещественными коэффициентами. В частности, если комплексное число является корнем многочлена с вещественными коэффициентами, то сопряжённое число тоже является его корнем. Из этого следует, что существенно комплексные корни такого многочлена (то есть корни, не являющиеся вещественными) разбиваются на комплексно-сопряжённые пары^[18].

Пример[править | править код]

Тот факт, что произведение есть вещественное число, можно использовать, чтобы выразить комплексную дробь в канонической форме, то есть избавиться от мнимости в знаменателе. Для этого надо умножить числитель и знаменатель на сопряжённое к знаменателю выражение^[21], например:

Формы представления комплексного числа[править | править код]

Алгебраическая форма[править | править код]

Выше использовалась запись комплексного числа в виде такая запись называется алгебраической формой комплексного числа. Две другие основные формы записи связаны с представлением комплексного числа в полярной системе координат.

Тригонометрическая форма[править | править код]

Если вещественную и мнимую части комплексного числа выразить через модуль и аргумент (то есть , ), то всякое комплексное число , кроме нуля, можно записать в тригонометрической форме^[16]:

Как уже сказано выше, для нуля аргумент не определён; для ненулевого числа определяется с точностью до целого кратного

Показательная форма[править | править код]

Фундаментальное значение в комплексном анализе имеет формула Эйлера^[21]:

где  — число Эйлера, ,  — косинус и синус,  — комплексная экспонента, продолжающая вещественную на случай общего комплексного показателя степени.

Применяя эту формулу к тригонометрической форме, получим показательную форму комплексного числа^[21]:

Следствия

(1) Модуль выражения где число вещественно, равен 1.

(2) — при существенно комплексном аргументе эти равенства могут служить определением (комплексного) косинуса и синуса.

Пример^[22]. Представим в тригонометрической и показательной форме число

(поскольку находится в III координатной четверти).

Отсюда:

Формула Муавра и извлечение корней[править | править код]

Эта формула помогает возводить в целую степень ненулевое комплексное число, представленное в тригонометрической форме. Формула Муавра имеет вид^[12]:

где  — модуль, а  — аргумент комплексного числа. В современной символике она опубликована Эйлером в 1722 году. Приведённая формула справедлива при любом целом , не обязательно положительном.

Аналогичная формула применима также и при вычислении корней -й степени из ненулевого комплексного числа^[21]:

где k принимает все целые значения от до . Это значит, что корни -й степени из ненулевого комплексного числа существуют для любого натурального и их количество равно . На комплексной плоскости, как видно из формулы, все эти корни являются вершинами правильного -угольника, вписанного в окружность радиуса с центром в начале координат (см. рисунок).

Главное значение корня[править | править код]

Если в формуле Муавра в качестве аргумента выбрано его главное значение, то значение корня при называется главным значением корня^[23]. Например, главное значение числа равно

Квадратный корень[править | править код]

Для извлечения квадратного корня из комплексного числа можно преобразовать это число в тригонометрическую форму и воспользоваться формулой Муавра для Но существует и чисто алгебраическое представление для двух значений корня. При корнями из числа является пара чисел: где^[24]:

Здесь  — функция «знак», а радикалы обозначают обычный арифметический корень из неотрицательного вещественного числа. Формула легко проверяется возведением в квадрат. Число является главным значением квадратного корня.

Пример: для квадратного корня из формулы дают два значения:

История[править | править код]

Впервые, по-видимому, мнимые величины были упомянуты в труде Кардано «Великое искусство, или об алгебраических правилах» (1545), в рамках формального решения задачи по вычислению двух чисел, сумма которых равна 10, а произведение равно 40. Он получил для этой задачи квадратное уравнение, корни которого: и В комментарии к решению он написал: «эти сложнейшие величины бесполезны, хотя и весьма хитроумны», и «арифметические соображения становятся всё более неуловимыми, достигая предела столь же утончённого, сколь и бесполезного»^[25].

Возможность использования мнимых величин при решении кубического уравнения впервые описал Бомбелли (1572), он же дал правила сложения, вычитания, умножения и деления комплексных чисел. Уравнение имеет вещественный корень однако по формулам Кардано получаем: Бомбелли обнаружил, что так что сумма этих величин даёт нужный вещественный корень. Он отметил, что в подобных (неприводимых) случаях комплексные корни уравнения всегда сопряжены, поэтому в сумме и получается вещественное значение. Разъяснения Бомбелли положили начало успешному применению в математике комплексных чисел^[26][25].

Выражения, представимые в виде появляющиеся при решении квадратных и кубических уравнений, где стали называть «мнимыми» в XVI—XVII веках с подачи Декарта, который называл их так, отвергая их реальность. Для многих других крупных учёных XVII века природа и право на существование мнимых величин тоже представлялись весьма сомнительными. Лейбниц, например, в 1702 году писал: «Дух божий нашёл тончайшую отдушину в этом чуде анализа, уроде из мира идей, двойственной сущности, находящейся между бытием и небытием, которую мы называем мнимым корнем из отрицательной единицы». Несмотря на эти сомнения, математики уверенно применяли к «мнимым» числам привычные для вещественных величин алгебраические правила и получали корректные результаты^[25].

Долгое время было неясно, все ли операции над комплексными числами приводят к комплексным результатам или же, например, извлечение корня может привести к открытию ещё какого-то нового типа чисел. Задача о выражении корней степени из данного числа была решена в работах Муавра (1707) и Котса (1722)^[27].

Символ для обозначения мнимой единицы предложил Эйлер (1777, опубл. 1794), взявший для этого первую букву латинского слова imaginarius — «мнимый». Он же распространил все стандартные функции, включая логарифм, на комплексную область. Эйлер также высказал в 1751 году мысль, что в системе комплексных чисел любой многочлен имеет корень (основная теорема алгебры, до Эйлера сходные предположения высказывали Альбер Жирар и Рене Декарт)^[28]. К такому же выводу пришёл д’Аламбер (1747), но первое строгое доказательство этого факта принадлежит Гауссу (1799)^[26]. Гаусс и ввёл в широкое употребление термин «комплексное число» в 1831 году (ранее термин использовал в том же смысле французский математик Лазар Карно в 1803 году, но тогда он не получил распространения)^[29].

Геометрическое представление комплексных чисел, немало способствовавшее их легализации, предложили в конце XVIII — начале XIX веков сначала Вессель и Арган (их работы не привлекли внимания), а затем Гаусс^[30]. Арифметическая (стандартная) модель комплексных чисел как пар вещественных чисел была построена Гамильтоном («Теория алгебраических пар», 1837); это доказало непротиворечивость их свойств. Термины «модуль», «аргумент» и «сопряжённое число» ввёл в начале XIX века Коши, значительно продвинувший комплексный анализ. С XIX века началось бурное и чрезвычайно плодотворное развитие исследований функций комплексного переменного^[2][31].

С учётом этого успешного подхода начались поиски способа представления векторов в трёхмерном пространстве, аналогичное комплексной плоскости. В результате пятнадцатилетних поисков Гамильтон предложил в 1843 году обобщение комплексных чисел — кватернионы, которые он был вынужден сделать не трёхмерными, а четырёхмерными (трёхмерные векторы изображала мнимая часть кватернионов); также Гамильтону пришлось отказаться от коммутативности операции умножения^[2].

В 1893 году Чарлз Штейнмец предложил использовать комплексные числа для расчётов электрических цепей переменного тока (см. ниже).

Комплексные функции[править | править код]

Аналитические функции[править | править код]

Комплексная функция одной переменной — это функция , которая определена на некоторой области комплексной плоскости и ставит в соответствие точкам этой области комплексные значения ^[32]. Примеры:

Каждая комплексная функция может рассматриваться как пара вещественных функций от двух переменных: определяющих её вещественную и мнимую часть соответственно. Функции , называются компонентами комплексной функции Аналогично определяется функция нескольких комплексных переменных^[32].

Наглядное представление комплексной функции графиком затруднительно, так как даже для функции одной комплексной переменной график требует четырёх измерений (два на область определения и ещё два для области значений). Если вместо значения функции рассматривать её модуль то полученный рельеф функции размещается в трёх измерениях и даёт некоторое представление о поведении функции^[33].

Все стандартные функции анализа — многочлен, дробно-линейная функция, степенная функция, экспонента, тригонометрические функции, обратные тригонометрические функции, логарифм — могут быть распространены на комплексную плоскость. При этом для них будут иметь место те же алгебраические, дифференциальные и другие тождества, что и для вещественного оригинала^[32], например:

Для комплексных функций определяются понятия предела, непрерывности и производной так же, как в вещественном анализе, с заменой абсолютной величины на комплексный модуль^[32].

Дифференцируемые комплексные функции (то есть функции, имеющие производную) обладают рядом особенностей по сравнению с вещественными^[34].

• Вещественная и мнимая часть дифференцируемой функции — гармонические функции, связанные условиями Коши — Римана.
• Всякая дифференцируемая в некоторой окрестности точки комплексная функция дифференцируема неограниченное число раз в этой точке (то есть аналитична, или голоморфна).

Определённый интеграл для функций одной комплексной переменной, вообще говоря, зависит от пути интегрирования (то есть выбора кривой от начальной до конечной точки в комплексной плоскости). Однако если интегрируемая функция аналитична в односвязной области, то её интеграл внутри этой области не зависит от пути^[35].

Преобразования комплексной плоскости[править | править код]

Всякая комплексная функция может рассматриваться как преобразование комплексной плоскости (или как преобразование одной комплексной плоскости в другую). Примеры:

Поскольку любое движение на плоскости есть комбинация перечисленных трёх преобразований, функции и дают общее выражение для движения на комплексной плоскости^[36].

Другие линейные преобразования^[36]:

Важную роль в комплексном анализе играют дробно-линейные преобразования^[37]:

При этом (иначе функция вырождается в константу). Характеристическое свойство дробно-линейного преобразования: оно переводит окружности и прямые в окружности и прямые (то есть в так называемые обобщённые окружности^[38][39], в число которых входят «окружности бесконечного радиуса» — прямые). При этом образом окружности может оказаться прямая, и наоборот^[37].

Среди других практически полезных функций преобразования: инверсия функция Жуковского. Инверсия, как и дробно-линейное преобразование, переводит обобщённые окружности в обобщённые окружности.

Аналитическая геометрия на комплексной плоскости[править | править код]

Исследование плоских фигур нередко облегчается, если перенести их на комплексную плоскость. Многие теоремы планиметрии допускают наглядную и компактную запись с помощью комплексных чисел, например^[40]:

• Три (различные) точки лежат на одной прямой тогда и только тогда, когда выполняется условие:

является вещественным числом.

• Четыре (различные) точки лежат на одной обобщённой окружности (окружности или прямой) тогда и только тогда, когда выполняется условие:

отношение является вещественным числом.

Параметрическое уравнение прямой на комплексной плоскости имеет вид^[42]:

где  — комплексные числа,  — произвольный вещественный параметр.

Угол между двумя прямыми и равен В частности, прямые перпендикулярны, только когда  — чисто мнимое число. Две прямые параллельны тогда и только тогда, когда есть вещественное число; если при этом также вещественно, то обе прямые совпадают. Каждая прямая рассекает комплексную плоскость на две полуплоскости: на одной из них выражение положительно, на другой — отрицательно^[42].

Уравнение окружности с центром и радиусом имеет чрезвычайно простой вид: Неравенство описывает внутренность окружности (открытый круг)^[42]. Часто удобна параметрическая форма уравнения окружности^[43]:

Место в общей алгебре, топологии и теории множеств[править | править код]

Множество комплексных чисел образует поле, которое является конечным расширением степени 2 поля вещественных чисел Основное алгебраическое свойство  — оно алгебраически замкнуто, то есть в нём любой многочлен имеет (комплексные) корни и, следовательно, распадается на линейные множители. Говорят также, что есть алгебраическое замыкание^[44] поля

Характеристика комплексного поля равна нулю, мощность как множества та же, что и у поля вещественных чисел, то есть континуум. Теорема Фробениуса установила, что существуют только два тела, являющиеся конечными расширениями  — поле комплексных чисел и тело кватернионов^[45].

Превратить поле комплексных чисел в упорядоченное поле невозможно, потому что в упорядоченном поле квадрат любого элемента неотрицателен, и мнимая единица в нём не может существовать.

Из свойств модуля следует, что комплексные числа образуют структуру двумерного нормированного пространства над полем

Поле допускает бесконечно много автоморфизмов, но только один из них (не считая тождественного) оставляет вещественные числа на месте^[46].

Поля и  — единственные связные локально компактные топологические поля^[47].

Некоторые практические применения[править | править код]

Те особенности комплексных чисел и функций, которые отличают их от вещественных, оказались полезными, а часто и незаменимыми в математике, в естественных науках и технике.

Математика[править | править код]

Приложения комплексных чисел сами по себе занимают видное место в математике — в частности, понятия алгебраических чисел, нахождение корней многочленов, теория Галуа, комплексный анализ и т. д.

Перенеся геометрическую задачу с обычной плоскости на комплексную, мы нередко получаем возможность значительно упростить её решение^[48][49].

Многие сложные задачи теории чисел (например, теория биквадратичных вычетов) и вещественного математического анализа (например, вычисление сложных или несобственных интегралов) удалось решить только с помощью средств комплексного анализа. Мощным инструментом для открытий в теории чисел оказались, например, гауссовы числа вида где  — целые числа^[50]. Для исследования распределения простых чисел понадобилась комплексная дзета-функция Римана^[51].

Нередко проблемы вещественного анализа проясняются при их комплексном обобщении. Классический пример — разложение в ряд Тейлора

Этот ряд сходится только в интервале , хотя точки не являются какими-то особенными для приведённой функции. Положение проясняется при переходе к функции комплексного переменного у которой обнаруживаются две особые точки: полюса Соответственно, эту функцию можно разложить в ряд только в круге единичного радиуса^[52].

При решении линейных дифференциальных уравнений важно сначала найти все комплексные корни характеристического многочлена, а затем попытаться решить систему в терминах базовых экспонент^[53]. В разностных уравнениях используются для аналогичной цели комплексные корни характеристического уравнения системы разностных уравнений^[54]. С помощью теории вычетов, являющейся частью комплексного анализа, вычисляются многие сложные интегралы по замкнутым контурам^[55]..

Исследование функции часто связано с анализом её частотного спектра с помощью комплексного преобразования Фурье или Лапласа^[56].

О представлении комплексных чисел в информатике и компьютерной поддержке комплексной арифметики изложено в статье Комплексный тип данных.

Конформное отображение[править | править код]

Как уже отмечалось выше, всякая комплексная функция может рассматриваться как преобразование одной комплексной плоскости в другую. Гладкая (аналитическая) функция обладает двумя особенностями: если в заданной точке производная не равна нулю, то коэффициент растяжения/сжатия при этом преобразовании одинаков по всем направлениям, угол поворота также постоянен (конформное отображение)^[57]. С этим фактом связано широкое применение комплексных функций в картографии^[58][59] и гидродинамике^[60].

Квантовая механика[править | править код]

Основой квантовой механики является понятие комплексной волновой функции, Для описания динамики квантовой системы используются дифференциальные уравнения с комплексными коэффициентами типа уравнения Шрёдингера. Решения этих уравнений заданы в комплексном гильбертовом пространстве. Операторы, соответствующие наблюдаемым величинам, эрмитовы. Коммутатор операторов координаты и импульса представляет собой мнимое число:

Здесь  — редуцированная постоянная Планка , то есть (постоянная Дирака)^[61].

Важную роль в квантовой механике играют матрицы Паули и матрицы Дирака, некоторые из них содержат комплексные значения^[61]. Ю. Вигнер уточнял, что «…использование комплексных чисел в квантовой механике не является вычислительным трюком прикладной математики; они входят в самую суть формулировки основных законов квантовой механики.»^[62].

Электротехника[править | править код]

Поскольку переменный ток есть колебательный процесс, его удобно описывать и исследовать с применением комплексных чисел. Вводятся также понятия импеданса, или комплексного сопротивления, для реактивных элементов электрической цепи, таких как ёмкость и индуктивность, — это помогает рассчитать токи в цепи^[63]. Ввиду того, что традиционно символ в электротехнике обозначает величину тока, мнимую единицу там обозначают буквой ^[64]. Во многих областях электротехники (в основном радиочастотной и оптической) используется не запись уравнений тока и напряжения для цепи, а напрямую уравнения Максвелла в их спектральном представлении, физические величины которых заданы в комплексной плоскости, и при переходе из – в -пространство (где  — время,  — угловая частота) посредством преобразования Фурье получаются более простые уравнения без производных^[65].

Логические основания[править | править код]

Расширение поля вещественных чисел до комплексных, как и любое другое расширение алгебраической структуры, ставит множество вопросов, основные из которых — это вопросы о том, как определить операции над новым типом чисел, какие свойства будут иметь новые операции и (главный вопрос) допустимо ли такое расширение, не приведёт ли оно к неустранимым противоречиям.

Для анализа подобных вопросов в теории комплексных чисел надо сформировать набор аксиом.

Аксиоматика комплексных чисел[править | править код]

Можно определить аксиоматику множества комплексных чисел , если опираться на аксиоматическую теорию вещественных чисел . А именно, определим как минимальное поле, содержащее множество вещественных чисел и по меньшей мере одно число, вторая степень которого равна −1, — мнимую единицу. Говоря более строго, аксиомы комплексных чисел следующие^[66][67].

С1: Для всяких комплексных чисел определена их сумма

С2: Сложение коммутативно: Далее в некоторых аксиомах для краткости будем опускать оговорку «для всяких ».

С3: Сложение ассоциативно:

С4: Существует элемент 0 (ноль) такой, что

С5: Для всякого комплексного числа существует противоположный ему элемент такой, что

С6: Для всяких комплексных чисел определено их произведение

С7: Умножение коммутативно:

С8: Умножение ассоциативно:

С9: Умножение связано со сложением распределительным (дистрибутивным) законом:

С10: Существует элемент 1 (единица), не равный нулю и такой, что

С11: Для всякого ненулевого числа существует обратное ему число такое, что

С12: Множество комплексных чисел содержит подполе, изоморфное полю вещественных чисел Для простоты далее это подполе обозначается той же буквой

С13: Существует элемент (мнимая единица) такой, что

С14 (аксиома минимальности): Пусть  — подмножество которое: содержит и мнимую единицу и замкнуто относительно сложения и умножения. Тогда совпадает со всем

Из этих аксиом вытекают как следствия все прочие свойства. Первые 11 аксиом означают, что образует поле, а 12-я аксиома устанавливает, что это поле является расширением Приведённая аксиоматика категорична, то есть любые её модели изоморфны^[68].

Существуют и другие варианты аксиоматики комплексных чисел. Например, вместо того, чтобы опираться на уже построенное упорядоченное поле вещественных чисел, можно в качестве базы использовать аксиоматику теории множеств^[69].

Непротиворечивость и модели[править | править код]

Стандартный способ доказать непротиворечивость новой структуры — смоделировать (интерпретировать) её аксиомы с помощью объектов другой структуры, чья непротиворечивость сомнений не вызывает. В нашем случае мы должны реализовать эти аксиомы на базе вещественных чисел^[70].

Стандартная модель[править | править код]

Рассмотрим всевозможные упорядоченные пары вещественных чисел. В данной модели каждая такая пара будет соответствовать комплексному числу ^[71]

Далее определим^[70]:

1. пары и считаются равными, если и
2. сложение: сумма пар и определяется как пара
3. умножение: произведение пар и определяется как пара

Пояснение: сложное, на первый взгляд, определение умножения легко выводится из соотношения

Несложно убедиться, что описанная структура пар образует поле и удовлетворяет всему приведённому перечню аксиом комплексных чисел. Вещественные числа моделируются парами , образующими подполе , причём операции с такими парами согласованы с обычными сложением и умножением вещественных чисел. Пары и соответствуют нулю и единице поля. Такой способ является частным случаем процедуры Кэли — Диксона.

Мнимая единица — это пара Квадрат её равен то есть  Любое комплексное число можно записать в виде

Описанная модель доказывает, что приведённая аксиоматика комплексных чисел непротиворечива. Потому что если бы в ней было противоречие, то это означало бы противоречие и в базовой для данной модели арифметике вещественных чисел, которую мы заранее предположили непротиворечивой^[70].

Матричная модель[править | править код]

Комплексные числа можно также определить как подкольцо кольца вещественных матриц 2×2 вида

с обычным матричным сложением и умножением^[2]. Вещественной единице будет соответствовать

мнимой единице —

.

Множество таких матриц является двумерным векторным пространством. Умножение на комплексное число является линейным оператором. В базисе линейный оператор умножения на представляется указанной выше матрицей, так как^[2]:

Матричная модель позволяет легко продемонстрировать связь между комплексными числами и линейными преобразованиями плоскости определённого типа.
А именно, существует взаимно однозначное соответствие между комплексными числами и поворотными гомотетиями плоскости (комбинациями растяжения относительно точки и поворота): каждая поворотная гомотетия может быть представлена на комплексной плоскости как умножение на комплексное число^[72].

Модель факторкольца многочленов[править | править код]

Рассмотрим кольцо многочленов с вещественными коэффициентами и построим его факторкольцо по модулю многочлена (или, что то же, по идеалу, порождённому указанным многочленом). Это значит, что два многочлена из мы будем считать эквивалентными, если при делении на многочлен они дают одинаковые остатки. Например, многочлен будет эквивалентен константе многочлен будет эквивалентен и т. д.^[73]

Множество классов эквивалентности образует кольцо с единицей. Так как многочлен неприводим, то это факторкольцо является полем. Роль мнимой единицы играет многочлен поскольку квадрат его (см. выше) эквивалентен Каждый класс эквивалентности содержит остаток вида (от деления на ), который в силу сказанного можно записать как Следовательно, это поле изоморфно полю комплексных чисел^[73].

Данный изоморфизм был обнаружен Коши в 1847 году. Этот подход может быть использован для построения обобщений комплексных чисел, таких как алгебры Клиффорда^[74].

Расширенное комплексное поле как фактор-поле рациональных дробей полиномов с вещественными коэффициентами[править | править код]

Нетривиальная факторизация поля в поле невозможна, но поля, расширенные бесконечностью, могут нетривиально факторизоваться. Более того, возможны нетривиальные факторизации обычных полей в расширенные. В частности, обычное или расширенное поле рациональных дробей полиномов одной переменной с вещественными коэффициентами факторизуется в расширенное поле комплексных чисел (сферу Римана) путём отождествления полинома с нулём. Каждая дробь при этом заменяется на частное остатков от деления числителя и знаменателя своего несократимого представления на . В силу несократимости, при этом не может образоваться неопределённость , в остальных случаях знаменатель, равный нулю, означает бесконечность, случай знаменателя, не равного нулю, рассматриваются в стандартной технике (домножением на сопряжённый знаменателю). Другим способом получения того же результата является параметризация полиномов числителя и знаменателя несократимого представления дроби мнимой единицей.

Параметризуя рациональные дроби полиномов различными числами, можно получать различные факторизации: при параметризации вещественным числом — расширенное поле вещественных, комплексным (не вещественным) — комплексных чисел. Число, используемое для параметризации, есть корень простого (над вещественным полем) полинома, отождествляемого с нулём, т. е. по модулю которого берутся числители и знаменатели (в случае вещественного числа — первой степени, комплексного — квадратный с отрицательным дискриминантом и, соответственно, двумя сопряжёнными комплексными корнями).

Алгебраическая характеризация[править | править код]

Как уже упоминалось выше, поле комплексных чисел алгебраически замкнуто и имеет характеристику ноль (из последнего свойства вытекает, что оно содержит подполе рациональных чисел ). Кроме того, любой базис трансцендентности над имеет мощность континуум^{[K 3]}. Этих трёх свойств достаточно, чтобы задать поле комплексных чисел с точностью до изоморфизма полей — между любыми двумя алгебраически замкнутыми полями характеристики 0 с континуальным базисом трансцендентности существует некоторое отождествление, согласованное с операциями сложения и умножения этих полей^{[75][76][K 4]}.

При этом отождествлении другие структуры, вроде нормы или топологии, могут не сохраняться. Например, алгебраическое замыкание поля -адических чисел также удовлетворяет трём указанным свойствам. Однако -адическая норма не является архимедовой^[en] и, следовательно, не эквивалентна обычной норме комплексных чисел при любом выборе изоморфизма^[77]. Поэтому они задают различную структуру топологического векторного пространства: множество из любого элемента векторного пространства и его целозначных кратностей дискретно в комплексном случае и компактно — в -адическом^[77].

Вариации и обобщения[править | править код]

Ближайшее обобщение комплексных чисел было обнаружено в 1843 году. Им оказалось тело кватернионов, которое, в отличие от поля комплексных чисел, содержит три мнимые единицы, традиционно обозначаемые Согласно теореме Фробениуса, комплексные числа являются одним из трёх возможных случаев конечномерной алгебры с делением над полем вещественных чисел. В 1919 году выяснилось, что и комплексные числа из вещественных, и кватернионы из комплексных чисел могут быть получены единой процедурой удвоения размерности, также известной как «процедура Кэли — Диксона»^[78].

Дальнейшим применением этой процедуры образуются числа, описанные Артуром Кэли в 1845 году, до обнаружения этой процедуры, и названные «числами Кэли» (октонионы, октавы). Числа, получаемые следующим применением процедуры, названы седенионами. Несмотря на то, что эту процедуру можно повторять и далее, дальнейшие числа названий пока не имеют^[78].

Другие типы расширений комплексных чисел (гиперкомплексные числа):

• Бикватернионы
• Комплексные числа гиперболического типа (двойные)
• Комплексные числа параболического типа (дуальные)

Примечания[править | править код]

Комментарии

Использованная литература

Литература[править | править код]

• Балк М. Б., Балк Г. Д., Полухин А. А. Реальные применения мнимых чисел. — Киев: Радянська школа, 1988. — 255 с. — ISBN 5-330-00379-2.
• Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. — изд. 13-е. — М.: Наука, 1985. — 544 с.
• Бурбаки, Н. Очерки по истории математики. — М., 1963.
• Виленкин Н. Я., Ивашов-Мусатов О. С., Шварцбурд С. И. Алгебра и математический анализ для 11 класса. Учебное пособие. — Изд. 6-е. — М.: Просвещение, 1998. — 288 с. — ISBN 5-09-008036-4.
• Выгодский М. Я. Справочник по элементарной математике. — М.: АСТ, 2006. — 509 с. — ISBN 5-17-009554-6.
• Глазков Ю. А., Варшавский И. К., Гаиашвили М. Я. Комплексные числа. 9—11 классы. — М.: Экзамен, 2012. — 157 с. — ISBN 978-5-377-03467-4.
• Евграфов М. А. Аналитические функции. — 2-е изд., перераб. и дополн. — М.: Наука, 1968. — 472 с.
• Кириллов А. А. Что такое число?. — М., 1993. — 80 с. — ISBN 5-02-014942-3.
• Лаврентьев М. А., Шабат Б. В. Методы теории функций комплексного переменного. — 4-е изд. — М.: Наука, 1972.
• Математика XVIII столетия // История математики / Под редакцией А. П. Юшкевича, в трёх томах. — М.: Наука, 1972. — Т. III.
• Нечаев В. И. Числовые системы. — М.: Просвещение, 1975. — 199 с.
• Привалов И. И. Введение в теорию функций комплексного переменного. — 13-е изд.. — М.: Физматлит, 1984. — 432 с.
• Свешников А. Г., Тихонов А. Н. Теория функций комплексной переменной. — М.: Наука, 1967. — 304 с.
• Смирнов В. И. Курс высшей математики в трёх томах. — Изд. 10-е. — СПб.: БХВ-Петербург, 2010. — Т. 3, часть 2-я. — 816 с. — ISBN 978-5-9775-0087-6.
• Соломенцев Е. Д. Функции комплексного переменного и их применения. — М.: Высшая школа, 1988. — 167 с. — ISBN 5-06-003145-6.
• Энциклопедия элементарной математики (в 5 томах). — М.: Физматгиз, 1951. — Т. 1. — С. 160—168. — 448 с.
• Ahlfors Lars V. Complex analysis. An introduction to the theory of analytic functions of one complex variable. — Third edition. — Harvard University: McGraw-Hill Book Company, 1979. — 317 с. — ISBN 0-07-000657-1.

Ссылки[править | править код]

Комплексные числа в тригонометрической
и показательной формах

Тригонометрическая форма комплексного числа

Каждому комплексному числу геометрически соответствует точка на плоскости . Но положение точки на плоскости, кроме декартовых координат , можно зафиксировать другой парой — ее полярных координат в полярной системе (рис. 1.3,a).

Величина является неотрицательной и для данной точки определяется единственным образом, а угол может принимать бесчисленное множество значений (при этом ): если точке соответствует некоторое значение , то ей также соответствуют значения . Например, если для точки (см. рис. 1.1) выбрать , то ей соответствует любое , в частности при . Если же выбрать , то , а при получаем .

Используя связь декартовых и полярных координат точки (рис. 1.3,б), из алгебраической формы записи комплексного числа получаем тригонометрическую форму:

---

Показательная форма комплексного числа

Если обозначить комплексное число , у которого , а , через , то есть , то из (1.3) получим показательную форму записи комплексного числа:

Равенство называется формулой Эйлера.

Заметим, что геометрически задание комплексного числа равносильно заданию вектора , длина которого равна , то есть , а направление — под углом к оси (рис. 1.3,б).

---

Модуль комплексного числа

Число — длина радиуса-вектора точки называется модулем комплексного числа . Обозначение: .

Из рис. 1.3,б получаем формулу для нахождения модуля числа, заданного и алгебраической форме

Очевидно, что и только для числа .

С помощью правила вычитания запишем модуль числа , где и

А это, как известно, есть формула для расстояния между точками и .

Таким образом, число есть расстояние между точками и на комплексной плоскости.

Пример 1.13. Найти модули комплексных чисел:

Решение

---

Аргумент комплексного числа

Полярный угол точки называется аргументом комплексного числа . Обозначение: .

В дальнейшем, если нет специальных оговорок, под будем понимать значение , удовлетворяющее условию . Так, для точки (см. рис. 1.1) .

Формулу для нахождения аргумента комплексного числа , заданного в алгебраической форме, получаем, используя связь декартовых и полярных координат точки (см. рис. 1.3,б). Для точек, не лежащих на мнимой оси, т.е. для , у которых , получаем ; для точек мнимой положительной полуоси, т.е. для , у которых , имеем ; для точек мнимой отрицательной полуоси, т.е. для , у которых , соответственно .

Аргумент числа — величина неопределенная.

Нахождение аргумента при сводится к решению тригонометрического уравнения . При , т.е. когда — число действительное, имеем при и при . При решение уравнения зависит от четверти плоскости . Четверть, в которое расположена точка , определяется по знакам и . В результате получаем:

При решении примеров удобно пользоваться схемой, которая изображена на рис. 1.5.

Пример 1.14. Найти аргументы чисел из примера 1.13.

Решение

Пример 1.15. Найти модуль и аргумент числа .

Решение. Находим . Так как , т.е. точка расположена в четвертой четверти, то из равенства получаем (рис. 1.5).

---

Главное значение аргумента комплексного числа

Аргумент комплексного числа определяется неоднозначно. Это следует из неоднозначности задания величины угла для данной точки, а также из тригонометрической формы записи комплексного числа и свойства периодичности функций и .

Всякий угол, отличающийся от на слагаемое, кратное , обозначается и записывается равенством:

где — главное значение аргумента, .

Пример 1.16. Записать и для чисел .

Решение. Числа и — действительные, расположены на действительной оси (рис. 1.6), поэтому

числа и — чисто мнимые, расположены на мнимой оси (рис. 1.6), поэтому

Пример 1.17. Записать комплексные числа из примера 1.16:

а) в тригонометрической форме;

б) в показательной форме.

Решение

Пример 1.18. Записать в тригонометрической форме числа .

Решение

---

Равенство комплексных чисел в тригонометрической форме

Условия равенства комплексных чисел получаем, используя геометрический смысл модуля и аргумента комплексного числа, заданного в тригонометрической форме. Так, для чисел из условия . очевидно, следует:

или

Аргументы равных комплексных чисел либо равны (в частности равны главные значения), либо отличаются на слагаемое, кратное .

Для пары сопряженных комплексных чисел и справедливы следующие равенства:

---

Умножение комплексных чисел в тригонометрической форме

Зададим два комплексных числа в тригонометрической форме и и перемножим их по правилу умножения двучленов:

или

Получили новое число , записанное в тригонометрической форме: , для которого .

Правило умножения. При умножении комплексных чисел, заданных в тригонометрической форме, их модули перемножаются, а аргументы складываются:

В результате умножения чисел может получиться аргумент произведения, не являющийся главным значением.

Пример 1.19. Найти модули и аргументы чисел:

Решение

---

Деление комплексных чисел в тригонометрической форме

Рассмотрим частное комплексных чисел , заданных в тригонометрической форме. Из определения частного имеем и, применяя к произведению правило умножения (формулы (1.10)), получаем .

Правило деления. Модуль частного, полученного в результате деления чисел, заданных в тригонометрической форме, равен частному от деления модуля числителя на модуль знаменателя, а аргумент частного равен разности аргументов делимого и делителя:

В результате деления чисел по формуле (1.11) может получиться аргумент честного, не являющийся главным значением.

Пример 1.20. Записать в тригонометрической форме комплексное число .

Решение. Обозначим . Для чисел и находим модули и аргументы: (см. пример 1.19). По формуле (1.11) получаем и

---

Возведение в степень комплексного числа в тригонометрической форме

Из определения степени и правила умножения чисел, записанных в тригонометрической форме (формула (1.10)), получаем

, где .

Правило возведения в степень. При возведении в степень комплексного числа в эту степень возводится модуль числа, а аргумент умножается на показатель степени:

Записывая число в тригонометрической форме , получаем формулу возведения в степень:

При это равенство принимает вид и называется формула Муавра

Пример 1.21. Найти модуль и аргумент комплексного числа .

Решение. Обозначим . Находим модуль и аргумент числа . Поэтому и . Так как по определению для главного значения аргумента выполняется условие , то .

Пример 1.22. Записать в тригонометрической форме число .

Решение

Пример 1.23. Используя формулу Муавра, найти выражения для и через тригонометрические функции угла .

Решение

---

Извлечение корня из комплексного числа в тригонометрической форме

Рассмотрим задачу извлечения корня из комплексного числа, заданного в показательной или тригонометрической форме , или . Искомое число также запишем в показательной форме: . Используя определение операции извлечения корня и условия (1.8), получаем соотношения

или

Правило извлечения корня. Чтобы извлечь корень из комплексного числа, нужно извлечь корень (арифметический) той же степени из модуля данного числа, а аргумент разделить на показатель корня:

Теперь можно записать число в показательной форме:

Если записать это соотношение в тригонометрической форме, то, учитывая периодичность тригонометрических функций, нетрудно убедиться, что выражение принимает только различных значений. Для их записи достаточно в формуле (1.15) взять последовательных значений , например . В результате получаем формулу извлечения корня из комплексного числа в тригонометрической форме, где :

---

Замечания 1.1

1. Рассмотренная задача извлечения корня степени из комплексного числа равносильна решению уравнения вида , где, очевидно, .

Для решения уравнения нужно найти значений , а для этого необходимо найти и использовать формулу извлечения корня.

2. Исследование формулы (1.17) показывает, что все комплексные числа (значения ) имеют равные модули, т.е. геометрически расположены на окружности радиуса . Аргументы двух последовательных чисел отличаются на , так как , т.е. каждое последующее значение может быть получено из предыдущего поворотом радиуса-вектора точки на .В этом заключается геометрический смысл формулы (1.17), что можно сформулировать следующим образом.

Точки, соответствующие значениям , расположены в вершинах правильного n-угольника, вписанного в окружность с центром в начале координат, радиус которой , причем аргумент одного из значений равен (рис. 1.7).

---

Алгоритм решения комплексных уравнений вида z^n-a=0

1. Найти модуль и аргумент числа .
2. Записать формулу (1.17) при заданном значении .
3. Выписать значения корней уравнения , придавая значения .

Пример 1.24. Решить уравнения: a) ; б) .

Решение

Пример 1.25. Найти корень уравнения , для которого .

Решение

Математический форум (помощь с решением задач, обсуждение вопросов по математике).

Если заметили ошибку, опечатку или есть предложения, напишите в комментариях.

Содержание:

Хроника возникновения комплексных чисел:

Исследование.

1) Подтвердите примерами справедливость следующих высказываний. Если высказывание ложно, то сделайте так, чтобы оно стало истинным.

• а) Если а и b – натуральные числа, то корень уравнения х + а = b также является натуральным числом.
• б) Если а и b -целые числа, то корень уравнения ах = b также является целым числом
• в) Если а неотрицательное рациональное число, то корень уравнения х₁ = а также является рациональным числом.
• г) Если а неотрицательное действительное число, то корень уравнения х₂ = а также является действительным числом.

2) Существует ли действительное число квадрат которого равен -1?

3)

• а) Существуют ли действительные корни уравнения х₂ = а при
• б) Можно ли решить эту задачу расширив множество действительных чисел?

4) Существует ли однозначное соответствие между множеством действительных чисел и множеством точек на числовой оси? А какие числа соответствуют точкам на координатной плоскости?

На множестве действительных чисел уравнение х₂ = -1 не имеет решений. Значит, мы должны расширить множество действительных чисел так, чтобы корни этого уравнения входили в него. Для этого введём новое число и примем, что оно является корнем уравнения х₂ + 1 = 0, т.е. . Отсюда . После этого, корнями уравнения х₂ + 1 = 0 являются числа . Число называется мнимой единицей.

Расширим множество действительных чисел так, чтобы в него входили все действительные числа и число , и были справедливы все свойства сложения и умножения. Для произвольных действительных чисел а и b введём “произведение” и “сумму” , и назовём комплексным числом следующее выражение . Выражение вида называется комплексным числом, где а и b – действительные числа, мнимая единица.Комплексные числа можно обозначать через и т.д.Например, . Запись называется алгебраической формой комплексного числа, а является действительной частью, b – мнимой частью комплексного числа , и записывается так: . При а = 0 получается число вида . Эти числа называются чисто мнимыми числами. При а = 0, b = 0 комплексное число равно нулю и наоборот, если а + = 0, то а = 0 и b = 0.

Следствие: для комплексных чисел а + и с + равенство

а + = с + справедливо тогда и только тогда, если а = с, b = d.

Пример. Из равенства найдите х и у.

Решение: Из равенства действительных и мнимых частей получаем: х = 5

.

Суммой комплексных чисел называется комплексное число

Действия над комплексными числами

Произведением комплексных чисел и называется число , т.е.

Значит, два комплексных числа умножаются по правилу умножения многочленов при условии, что .

Пример №1

Рассмотрим частные случаи степеней мнимых единиц:

Как видно, натуральные степени мнимой единицы равны , -1, –‘, 1 и повторяются через каждые четыре шага, т.е.справедливо равенство

Пример №2

Вычислите: а) б)

Решение: а) б)

Число называется сопряжённым для числа и обозначается как : . Ясно, что если число является сопряжённым для числа , то число является сопряжённым для числа . Поэтому, числа называются взаимно сопряжёнными комплексными числами. Действительные части взаимно сопряжённых чисел равны, а мнимые части являются противоположными числами.

Произведение взаимно сопряжённых комплексных чисел является действительным числом: .

В частном случае, сопряжённым для действительного числа является само число, для мнимого – произведение числа и (-1).

Для каждого комплексного числа существует противоположное число и . Для каждого, отличного от нуля, комплексного числа существует противоположное.

Вычитание и частное комплексных чисел определяется равенствами:

Для нахождения отношения комплексных чисел, удобнее числитель и знаменатель умножить на число, сопряжённое для знаменателя .

Пример №3

Найдём разность и отношение чисел .

Решение:

Все свойства арифметических операций для действительных чисел, справедливы для комплексных чисел. Как следствие, получаем, что любые алгебраические тождества справедливы для множества комплексных чисел. Например, для комплексных чисел и справедливы тождества

Квадратный корень комплексного числа

Число, квадрат которого равен называется квадратным корнем комплексного числа и обозначается как .

Пример №4

Найдём квадратный корень комплексного числа

Решение: Пусть . Возведём обе части равенства в квадрат:

Из равенства действительных и мнимых частей имеем:

Отсюда получаем решение (2; -1) и (-2; 1). Значит,

Примечание: В отличии от действительных чисел, говоря о квадратном корне комплексного числа, имеется в виду каждое из двух значений, различающихся знаками. Корни квадратного уравнения для множества комплексных чисел находится по тому же правилу, что и для действительных чисел.

Пример №5

Решим уравнение .

Решение:

.

Легко можно проверить, что также в силе остаётся и теорема Виета. Для квадратного уравнения с действительными коэффициентами комплексные корни являются сопряжёнными числами. Комплексное число задаётся парой действительных чисел (а; b) и эта пара соответствует определённым точкам на координатной плоскости. Поставим в соответствие числу точку А (а; b) и обозначим её через . Каждая точка на координатной плоскости изображает комплексное число и наоборот, каждое комплексное число на координатной плоскости, соответствует одной точке. Действительные числа располагаются на оси абсцисс, чисто мнимые числа на оси ординат. Поэтому ось абсцисс называется действительной осью, ось ординат – мнимой, а плоскость – комплексной плоскостью.

Пример:

Точки, соответствующие комплексно сопряжённым числам располагаются симметрично оси абсцисс.

Модуль и аргумент комплексного числа

Тригонометрическая форма комплексного числа

Пусть на комплексной плоскости комплексному числу соответствует точка М(а; b). Обозначим расстояние ОМ через R, угол между лучом ОМ и положительным направлением оси абсцисс через . Из по теореме Пифагора имеем:

Отсюда:

Расстояние, от начала координат до точки соответствующей комплексному числу, называется модулем комплексного числа и обозначается как: .

Угол, образованный конечной стороной угла поворота луча ОМ,

называется аргументом комплексного числа .

Из :

Модуль числа имеет единственное значение, а аргумент находится с точностью . То есть, если одно из значений аргумента равно , то другое будет иметь вид .

Для аргумента комплексного числа, обычно берётся угол принадлежащий промежутку [0; ).

Пример №6

Найдём модуль и аргумент комплексного числа

Решение: Из того, что следует,что

и принимая внимание, что угол расположен в I четверти,

получим:

Из формул , получаем:

Тогда

Для комплексного числа число называется тригонометрической формой комплексного числа.

В частном случае для модуля и аргумента числа имеем:

Пример №7

Запишем комплексное число

в тригонометрической форме.

Решение:

Так как угол принадлежит II четверги, то

Действия над комплексными числами, заданными в тригонометрической форме

Найдём произведение комплексных чисел, заданных в тригонометрической форме .

Чтобы найти произведение комплексных чисел, заданных в тригонометрической форме, надо перемножить их модули и сложить их аргументы.

Пример:

Теперь найдём отношение

Модуль отношение равен отношению модулей делимого и делителя, а аргумент равен разности аргументов делимого и делителя.

Пример:

Возвести число в степень с натуральным показателем n можно умножив n раз число

Модуль степени комплексного числа с натуральным показателем равен степени модуля основания, а аргумент равен аргументу основания умноженному на показатель степени n.

Пример:

Формулу называют формулой Муавра. При помощи этой формулы можно найти синус и косинус n кратных углов через синус и косинус одинарных углов. Например, при n = 2 имеем:

Отсюда

Из равенства двух комплексных чисел имеем:

Аналогичным образом можно написать формулы для .

Корень n-ой степени комплексного числа

Найдём значение выражения .

Запишем в виде и найдём корень n – ой степени

виде .

Возведём каждую из двух сторон в n-ую степень:

Если два комплексных числа, заданных в тригонометрической форме равны, то их модули равны, а аргументы отличаются на .

Это значит,

Таким образом,

Отсюда при для первых значений полученного числа равны значениям, полученным при .

Обозначим корни – ой степени единицы через

Как видно, модули корней -ой степени равны 1, аргументы отличаются друг от друга в раз. То есть, эти числа расположены внутри единичной окружности, центр которой совпадает с началом координат, и соответствуют комплексным числам, являющимися вершинами правильного -угольника.

Корнем -ой степени комплексного числа называется такое число , что . Если , то для корня -ой степени существуют различных значений.

Запишем в виде

.

Для получим:

Из равенства двух комплексных чисел получим:

Значения при отличаются от первых значений на

Поэтому, должно соблюдаться следующее:

Формула корни n-ой степени комплексного числа

Если , то

Пример №8

Найдём все значения

Решение: пусть

Отсюда

При

При

При

Для чего нужны комплексные числа

Комплексные числа возникают в связи с задачей решения квадратных уравнений. Так, оставаясь в множестве действительных чисел, невозможно решить квадратное уравнение, дискриминант которого меньше нуля.

Комплексные числа необходимы в различных приложениях математики. В частности, теория функций комплексной переменной является действенным инструментом при использовании математических методов в различных областях науки.

Арифметические операции над комплексными числами

Комплексным числом называется выражение вида где — действительные числа, — мнимая единица.

Число называется действительной частью числа и обозначается (от франц. reele — «действительный»), а число — мнимой частью числа и обозначается (от франц. imaginaire — «мнимый»), т.е.

Действительное число является частным случаем комплексного при Комплексные числа вида не являющиеся действительными, т.е. при называются мнимыми, а при т.е. числа вида — чисто мнимыми.

Числа называются сопряженными.

Два комплексных числа называются равными, если равны их действительные и мнимые части, т.е. если В частности, если

Арифметические операции на множестве комплексных чисел определяются следующим образом.

1.Сложение (вычитание) комплексных чисел

2. Умножение комплексных чисел

В частности,

т.е. мнимая единица есть число, квадрат которого равен — 1.

3. Деление двух комплексных чисел

Нетрудно убедиться в том, что все арифметические операции (16.1)-(16.3) над комплексными числами определяются естественным образом из правил сложения и умножения многочленов если считать Например, произведение комплексных чисел (16.2) есть

Пример №9

Даны комплексные числа

Найти

Решение:

(учли, что ).

Умножая числитель и знаменатель на сопряженное делителю комплексное число , получим

Если для геометрического изображения действительных чисел используются точки числовой прямой, то для изображения комплексных чисел служат точки координатной плоскости

Плоскость называется комплексной, если каждому комплексному числу ставится в соответствие точка плоскости причем это соответствие взаимно однозначное (рис. 16.1).

Оси , на которых расположены действительные числа и чисто мнимые числа называются соответственно действительной и мнимой осями.

Тригонометрическая и показательная формы комплексного числа

С каждой точкой комплексной плоскости связан радиус-вектор этой точки , длина которого называется модулем комплексного числа и обозначается (см. рис. 16.1):

Угол образованный радиусом-вектором с осью называется аргументом комплексного числа и обозначается Из значений выделяется главное значение удовлетворяющее условию Например,

Очевидно (см. рис. 16.1), что

Следовательно, комплексное число можно представить как

Представление комплексного числа в виде (16.6), где называется тригонометрической формой комплексного числа.

Сформулируем некоторые свойства арифметических операций над комплексными числами.

1. При сложении (вычитании) комплексных чисел их радиусы-векторы складываются (вычитаются) по правилу параллелограмма.

На рис. 16.2 показаны радиусы-векторы комплексных чиселих суммы и разности

2. Модуль произведения (частного) двух комплексных чисел равен произ ведению (частному) модулей этих чисел, а его аргумент — сумме (разности) аргументов этих чисел, т.е.

Геометрически умножение числа означает изменение длины радиуса-вектора раз и его поворот вокруг точки против часовой стрелки на угол

Пример №10

Комплексные числа представить в тригонометрической форме и найти

Решение:

По формуле (16.4) найдем модуль комплексного числа а из соотношений (16.5)

получим аргумент числа (берем его главное значение):

Аналогично т.е.

Теперь по формулам (16.7) и (16.8)

Так как в соответствии с формулами (16.7) и (16.8) при умножении комплексных чисел их модули перемножаются, а аргументы складываются, легко получить формулу возведения комплексного числа в натуральную степень , известную как формула Муавра:

Пример №11

Найти

Решение:

По формуле Муавра (16.9)

Обратимся к извлечению корня из комплексного числа.

Пусть

Тогда, используя определение корня и формулу Муавра (16.9), получим

или

Отсюда следует, что

Итак,

где

При значения корня уже будут повторяться.

Таким образом, корень -й степени из комплексного числа (не равного нулю) имеет различных значений.

Пример №12

Найти

Решение:

В примере 16.2 было получено

откуда получаем три значения корня

На комплексной плоскости найденные значения корня представляют равноотстоящие друг от друга точки расположенные на окружности радиуса (рис. 16.3). ►

Связь между тригонометрическими и показательными функциями выражается формулой Эйлера.

Отсюда следует показательная форма комплексного числа.

где

В заключение отметим, что в показательной форме, так же как и в тригонометрической, легко проводить операции умножения, деления, возведения в степень, извлечение корня из комплексных чисел.

Формы записи комплексного числа

Решение простейшего квадратного уравнения невозможно в области вещественных чисел. Однако, если выполнить решение формально, то получим

Определение: Выражение называется мнимой единицей.

Определение: Комплексным числом называется выражение вида где х,у

Определение: Приведенная форма записи комплексного числа называется алгебраической.

Определение: Два комплексных числа называются равными, если равны их вещественные и мнимые части, т.е.

Определение: Комплексное число называется нулевым, если вещественная и мнимая части равны нулю.

Определение: Комплексно-сопряженным к комплексному числу называется комплексное число

Пример №13

Записать комплексно-сопряженное число к комплексному числу

Решение:

Согласно определению комплексно-сопряженного числа получаем

Замечание: Двойное комплексное сопряжение приводит к исходному комплекс- ному числу, т.е.

Решение квадратных уравнений с отрицательным дискриминантом невозможно в области вещественных чисел, так как нельзя извлекать корень четной степени из отрицательного числа на множестве действительных чисел. Однако это ограничение снимается в области комплексных чисел.

Пример №14

Решить квадратное уравнение

Решение:

Вычислим дискриминант уравнения таким образом, Следовательно,

Замечание: Решение квадратного уравнения с отрицательным дискриминантом всегда состоит из комплексно-сопряженных корней.

Комплексное число изобретается на комплексной плоскости в виде вектора, соединяющего начало координат с точкой М(х; у) (Рис. 2):

Рис. 2. Изображение комплексного числа на комплексной плоскости.

Пример №15

Изобразить на комплексной плоскости число z = 2-3i (Рис. 3).

Решение:

Рис. 3. Изображение комплексного на комплексной плоскости. Если перейти от декартовой системы координат к полярной системе отсчета, т.е. то комплексное число

Определение: Полученная форма записи комплексного числа называется тригонометрической.

Обратный переход от полярной системы отсчета к декартовой системе координат осуществляется по формулам:при этом является модулем, а – аргументом комплексного числа z .

Замечание: Аргумент комплексного числа определяется в зависимости от знаков вещественной и мнимой частей:

Действия с комплексными числами

1. Для того чтобы сложить (найти разность) два комплексных числа и сложить (найти разность) отдельно действительные и мнимые части,

Пример №16

Найти сумму и разность чисел Изобразить все числа на комплексной плоскости.

Решение:

Найдем сумму заданных комплексных чисел Вычислим разность данных чисел Изобразим заданные и полученные числа на комплексной плоскости (Рис. 4):

Рис. 4. Изображение комплексных чисел на комплексной плоскости.

Замечание: Отметим, что

2. Для того чтобы найти произведение двух комплексных чисел и надо их перемножить, как два выражения с учетом того, что

Замечание: Отметим, что

Замечание: Произведение комплексных чисел в тригонометрической форме записи имеет вид Из полученной формулы видно, что модули комплексных чисел перемножаются, а аргументы складываются. Следовательно, n-ая степень любого комплексного числа будет иметь вид При извлечении корня п -ой степени применяют формулу Муавра где величина

3. Деление комплексного числа на комплексное число осуществляется так

Замечание: Деление этих чисел в тригонометрической форме записи имеет вид: т.е. при делении комплексных чисел берут отношение модулей этих чисел, а из аргумента первого числа вычитают аргумент второго комплексного числа.

Показательная форма записи комплексного числа

Известно, что любую дифференцируемую функцию можно представить по формуле Тейлора-Маклорена (см. Лекцию № 22, Первый семестр), например,

Последняя формула называется формулой Эйлера. Используя эту формулу,

запишем комплексное число в показательной форме: Отсюда видно, что при нахождении произведения и отношения комплексных чисел получаем

Комплексные числа и арифметические операции

Как известно, под комплексным числом понимается выражение вида

где х и у — действительные числа, a i — мнимая единица.

Числа вида отождествляются с действительными числами; в частности, . Числа вида 0 + iy = iy называются чисто мнимыми.

Действительные числа х и у называются соответственно действительной и мнимой частями числа z и обозначаются следующим образом:

Под модулем комплексного числа z понимается неотрицательное число

Сопряженным числом к числу (1) называется комплексное число

Таким образом,

На множестве комплексных чисел следующим образом определено отношение равенства двух чисел, а также операции сложения, вычитания, умножения и деления.

I. Пусть z₁=x₁+iy₁ и z₂=x₂+iy₂.Тогда

Rez₁ = Re z₂, Im z₁ = Im z₂

В частности, z = 0 Re z = 0, Im z = 0.

II. z₁±z₂= (x₁± x₂) + i(y₁ ± y₂)-

Отсюда следует, что

Re (z₁ ± z₂) – Re z₁ ± Re z₂,

Im (z₁ ± z₂) – Imz₁ ± 1mz₂

III. z₁z₂ = (x₁x₂ – y₁y₂) + i(x₁y₂+x₂y₁).

Отсюда, в частности, получаем важное соотношение

==+=-1

Заметим, что правило умножения III получается формально путем умножения двучленов + и + с учетом (7).

Очевидно также, что для имеем

==

Легко проверить следующие свойства:

1)

• Заказать решение задач по высшей математике

Комплексная плоскость

Рассмотрим плоскость с прямоугольной системой координат Оху. Каждому комплексному числу z = х + iy может быть поставлена в соответствие точка плоскости z(x, у) (рис. 161), причем это соответствие взаимно однозначно. Плоскость, на которой реализовано такое соответствие, называют комплексной плоскостью, и вместо комплексных чисел говорят о точках комплексной плоскости.

На оси Ох расположены действительные числа: z =:, поэтому она называется действительной осью. На оси Оу расположены чисто мнимые числа z = 0 + iy = iy, она носит название мнимой оси.

Заметим, что г = |z| представляет собой расстояние точки г от начала координат.

С каждой точкой z связан радиус-вектор этой точки Oz; угол, образованный радиусом-вектором точки z с осью Ох, называется аргументом ф = Arg z этой точки. Здесь . Для нулевой точки z = 0 аргумент произволен. Наименьшее по модулю значение Arg z называется главным значением его и обозначается через arg z:

Для аргумента ср имеем (рис. 161)

где

Примеры: 1) arg 2 = 0; 2) arg (-1) = ; 3) arg i = .

Модуль г и аргумент ф комплексного числа z можно рассматривать (рис. 161) как полярные координаты точки z. Отсюда получаем

Таким образом, имеем тригонометрическую форму комплексного числа

где

Теорема: При сложении комплексных чисел их радиусы-векторы складываются (по правилу параллелограмма).

Действительно, если число соответствует точке с координатами , а число — точке с координатами то числу отвечает точка Так как (рис. 162) заштрихованные прямоугольные треугольники с катетами х₂ и у₂ равны между собой, то четырехугольник с вершинами 0, есть параллелограмм. Следовательно, радиус-вектор точки является суммой радиусов-векторов точек и .

Следствие. Так как есть длина вектора , то

Теорема: При вычитании комплексных чисел их радиусы-векторы вычитаются. Так как , то равен второй диагонали параллелограмма, построенного на векторах (рис. 163), т. е. равен разности радиусов-векторов точек .

Следствие. Расстояние между двумя точками равно

Теоремы о модуле и аргументе

Теорема: Модуль произведения комплексных чисел равен произведению модулей этих чисел, а аргумент произведения равен сумме аргументов сомножителей. Действительно, если

то имеем

Отсюда

и

где значения многозначной функции Arg, стоящие в левой и правой частях равенства (1), следует подбирать соответствующим образом. Это замечание надо иметь в виду и для дальнейшего.

Следствие. Модуль целой положительной степени комплексного числа равен такой же степени модуля этого числа, а аргумент степени равен аргументу числа, умноженному на показатель степени, т. е.

( — целое положительное число).

Доказательство непосредственно вытекает из рассмотрения произведения равных сомножителей.

Пример №17

Построить точку .

Решение:

Имеем

Следовательно, при умножении на i вектор поворачивается на прямой угол против хода часовой стрелки (рис. 164).

Теорема: Модуль частного двух комплексных чисел равен частному модулей этих чисел, а аргумент частного равен разности аргументов делимого и делителя. Пусть

Так как

то на основании теоремы 1 имеем

Отсюда

Извлечение корня из комплексного числа

Пусть

где . Тогда на основании имеем

Отсюда получаем

Таким образом,

Заметим, что здесь под понимается арифметическое значение корня.

Здесь в качестве числа k достаточно брать лишь значения , так как при всех прочих значениях k получаются повторения уже найденных значений корня. Следовательно, окончательно имеем

Из формулы (4) следует, что корень -й степени из любого комплексного числа =0 имеет точно л значений.

Пример №18

Найти

Решение:

Так как , то на основании формулы (4) имеем

Отсюда

Точки представляют собой равноотстоящие друг от друга точки, расположенные на окружности радиуса (рис. 165).

Понятие функции комплексной переменной

Пусть даны две комплексные плоскости Оху (плоскость г) и O’uv (плоскость w).

Определение: Если каждой точке z Е (Е — множество точек плоскости z) по некоторому закону f ставится в соответствие единственная точка w Е’ (Е’ — множество точек плоскости w), то говорят, что w есть функция от z (однозначная)

с областью определения Е, значения которой принадлежат множеству Е’ (рис. 166). Если множество значений функции f(z) исчерпывает все множество Е то Е’ называется множеством значений (областью изменения) функции f(z). В этом случае пишут

Множества Е и Е’ можно изображать на одной комплексной плоскости.

Таким образом, каждая комплексная функция реализует однозначное в одну сторону отображение одного множества на другое. Благодаря этому комплексные функции находят свое применение в таких науках, как гидродинамика и аэродинамика, так как с их помощью удобно описывать «историю» движения объема жидкости (или газа).

Раздел математики, изучающий свойства комплексных функций, носит название теории функций комплексной переменной.

Пример:

Во что переходит сектор Е

(рис. 167, а) при отображении

Решение:

Имеем

Поэтому отображенная область E’ представляет собой полукруг (рис. 167, б).

Определение комплексных чисел

Определение комплексного числа и основные функции комплексной переменной

Определение 7.1. Множеством комплексных чисел называется множество пар действительных чисел на котором введены операции сложения и умножения следующим образом. Если то Элементы множества называются комплексными числами. Два комплексных числа называются равными, если

Операции сложения и умножения на множестве обладают привычными свойствами (коммутативность сложения и умножения, ассоциативность сложения и умножения, дистрибутивность умножения относительно сложения).

Лемма 7.1. Для любых комплексных чисел выполняются равенства

• 1)
• 2)
• 3)
• 4)
• 5)

□ Докажем, например, свойство 4 (свойство 5 доказывается аналогично, свойства 1, 2, 3 очевидны).

Пусть  Тогда

Два последних комплексных числа совпадают. После раскрытия скобок оказывается, что оба они равны

■

Определение 7.2. Комплексное число отождествляется с действительным числом а.

Это определение оправдывается тем, что установлено взаимно однозначное соответствие между множеством пар и множеством действительных чисел, сохраняющее операции сложения и умножения:

Такое соответствие в высшей алгебре называется изоморфизмом.

Определение 7.3. Комплексное число (0,1) обозначается буквой

Легко видеть, что т.е.

Далее, так как то пару можно записать в виде В дальнейшем комплексное число так и будем записывать: где Определения операций при этом запишутся так:

Иными словами, комплексные числа можно складывать и умножать, пользуясь известными законами сложения и умножения (лемма 7.1), имея в виду, что

Определение 7.4. Разностью двух комплексных чисел и называется такое комплексное число что (обозначается ). Частным двух комплексных чисел () называется такое комплексное число z, что (обозначается ).

Проверим, что эти операции однозначно определены.

□ Пусть Для разности имеем: откуда  Тогда Разность двух комплексных чисел определяется однозначно: т.е. вычитание можно осуществлять непосредственно.

Для частного имеем: откуда Так как то определитель этой системы решая систему по правилу Крамера, получим:    Частное двух комплексных чисел определено однозначно:

Такое деление можно осуществлять непосредственно:

Комплексное число называется сопряжённым к числу Мы воспользовались тем, что Произведённые действия аналогичны домножению числителя и знаменателя дроби со знаменателем вида где на число сопряжённое к знаменателю (такие действия применяются для избавления от иррациональности в знаменателе).

Определение 7.5. Пусть где Тогда числа называются соответственно действительной и мнимой частью числа                   (). Комплексное число называется числом, сопряжённым к  Действительное неотрицательное число называется модулем числа

Лемма 7.2. Для любых комплексных чисел имеют место следующие соотношения: 

Доказать эти утверждения будет предложено самостоятельно в качестве упражнения.

Множество комплексных чисел геометрически интерпретируется как множество точек плоскости (комплексная плоскость ). Если координаты точек заданы в прямоугольной системе координат 0, (кратчайший поворот от осуществляется против часовой стрелки), то комплексное число соответствует точке с координатами Такое соответствие является взаимно однозначным. Точка симметрична точке относительно оси абсцисс, которая называется действительной осью, ось ординат называется мнимой осью. Расстояние от точки до начала координат равно (см. рис. 7.1).

Аргументом числа называется угол поворота от положительного луча действительной оси к лучу (против часовой стрелки). Этот угол определён с точностью до и обозначается Аргумент нулевого комплексного числа не определён. Фактически мы ввели полярные координаты на комплексной плоскости: При этом и комплексное число можно записать в тригонометрической форме:

Пример:

Записать в тригонометрической форме числа

□  1) 

При записи комплексного числа в тригонометрической форме обычно берут одно фиксированное («наиболее простое») значение аргумента. Возьмём Тогда

2)  Тогда ().

Комплексные числа, записанные в тригонометрической форме, удобно умножать и делить. При умножении модули чисел перемножаются, аргументы складываются. При делении модули делятся, аргументы вычитаются.

Лемма 7.3. Пусть Тогда

 

Если
откуда следует, что

Степень с целым показателем для комплексных чисел определяется так же, как и для действительных. Поэтому мы можем сформулировать

Следствие (формула Муавра). Если то при любом целом имеет место равенство

Иными словами, при возведении комплексного числа в целую степень модуль числа возводится в эту степень, а аргумент умножается на показатель степени.

Пример:

Применяя формулу Муавра, получить известные формулы тригонометрии для

□ Имеем: Возводя двучлен в куб, получим: (мы воспользовались тем, что ). Приравнивая действительные и мнимые части двух равных выражений, имеем

Определение 7.6. Пусть — натуральное число, Корнем степени из комплексного числа называется комплексное число такое, что (обозначение: ).

Лемма 7.4. Если принимает единственное значение 0 при любом Если то принимает ровно комплексных значений, имеющих одинаковый модуль различных значений аргумента 

□ Правая часть леммы очевидна, так как и если
 Пусть теперь Комплексные числа, записанные в тригонометрической форме, равны тогда и только тогда, когда их модули равны, а аргументы отличаются на (пока значение стояло только под знаком косинуса и синуса, неоднозначность определения можно было не учитывать, если сравнивать сами углы — эту неоднозначность учитывать необходимо). Итак, откуда (арифметический корень степени из положительного числа),

При замене получим тот же угол, увеличенный на поэтому существенно различные значения дают лишь значений далее значения корня повторяются).    

Замечание. значений на комплексной плоскости соответствуют точкам, лежащим в вершинах правильного -угольника, вписанного в окружность радиуса с центром в начале координат.

Пример №19

Найти все значения

□ 1) поэтому  Получим 3 значения: (см. рис. 7.2).

Первое из них — арифметическое значение кубического корня из положительного числа 8.

2) поэтому

Получим 4 значения:

(см. рис. 7.3). здесь — арифметическое значение корня 4-й степени из положительного числа 5.

3) ,  поэтому

Получим 3 значения:

(см. рис. 7.4).    ■

Определение 7.7. Пусть Тогда определяется как комплексное число

Если (при получаем обычное действительное значение ). Отмстим, что при любых

Лемма 7.5. Для любых имеют место равенства 

□ Пусть Тогда

Далее, так как откуда следует второе утверждение леммы.    

Пример №20

Вычислить

□ Имеем:

Так как при всех выполняются равенства
, то функция комплексной переменной  имеет мнимый период Привычной взаимной однозначности отображения при помощи функции уже нет.

Определение 7.8. Логарифмом комплексного числа называется комплексное число такое, что (обозначение: ).

Лемма 7.6. Если не определен. Если принимает бесконечно много значений, имеющих одинаковую действительную часть (обычный натуральный логарифм положительного числа) и бесконечное число значений мнимой части

□ Первая часть леммы следует из того, что при любых Пусть теперь  Тогда (откуда ),

Таким образом, множество значений функции есть вся комплексная плоскость, кроме точки 0.

Пример №21

Найти все значения  

Определение 7.9. Для любых определим так:

Если

Поэтому

Аналогично,

Отметим также, что все известные формулы тригонометрии сохраняются для комплексных значений аргументов (при этом ).   Например, для всех

Так как

Легко видеть, что Косинус на действительной оси соответствует гиперболическому косинусу на мнимой оси и наоборот: аналогично для синусов. Поэтому формально все операции для тригонометрических и гиперболических функций проводятся одинаково с точностью до некоторых степеней числа (если работать только с действительными числами, то всё будет происходить одинаково с точностью до степеней числа —1). Этим и объясняется сходство формул тригонометрии с соответствующими формулами для гиперболических функций, включая формулы для производных и разложения по формуле Тейлора.

Комплекснозначные функции действительной переменной

Рассмотрим функцию такую, что  Тогда при всех можно рассмотреть

Так как можно интерпретировать как плоскость , то комплекснозначная функция действительной переменной фактически есть двумерная вектор-функция, значения которой записываются как комплексные числа.

Определение 7.10. Комплекснозначная функция действительной переменной называется непрерывной (дифференцируемой, непрерывно дифференцируемой, дважды дифференцируемой и т.д.) в точке или на промежутке, если таковыми же являются обе функции Для дифференцируемой функции по определению  

Для комплекснозначных функций сохраняются формулы производной суммы, произведения и частного.

Лемма 7.7. Если комплекснозначные функции действительной переменной дифференцируемы в точке то функции также дифференцируемы в этой точке, причем

в точке (в последнем случае нужно требовать, чтобы

□ Докажем лемму для случая производной произведения. Утверждение для производной суммы доказывается проще, а для производной частного — несколько сложнее, но, по сути дела, аналогично.

Пусть функции дифференцируемы в точке Тогда

Функция дифференцируема в точке так как существуют и конечны все производные в последнем выражении. Далее,

Легко видеть, что это выражение совпадает с

Пример №22

Доказать, что при любом имеет место равенство

т.е. привычная для действительных формула сохраняется и при комплексных

□ Пусть

Тогда

С другой стороны,

что совпадает с

Отметим, что производная комплекснозначной функции берётся по действительной переменной. Принципиально иная ситуация возникает при рассмотрении комплекснозначных функций комплексной переменной и при дифференцировании их по комплексной переменной. Здесь имеют место совершенно неожиданные эффекты (например, если функция дифференцируема в окрестности точки, то она имеет производные всех порядков в этой окрестности), которые студенты обычно изучают на III курсе (курс ТФКП — теория функций комплексной переменной).

Многочлены

Функция комплексной переменной

где называется многочленом степени от переменной Многочлен степени 0 — это постоянная функция где Нулевому многочлену не приписывается никакая степень (иногда удобно считать, что его степень равна ). Если все , то говорят о многочлене с действительными коэффициентами ( или по смыслу задачи). Если все то говорят о многочлене с комплексными коэффициентами

Если — многочлен степени то многочлен можно разделить с остатком на

где

Теорема 7.1 (Безу). Остаток от деления многочлена на двучлен равен

□ Из (7.1) имеем при

Следствие. Многочлен делится без остатка на  тогда и только тогда, когда число является корнем многочлена

□ Утверждение немедленно следует из теоремы Безу.

Таким образом, число является корнем многочлена  тогда и только тогда, когда где степень многочлена на единицу меньше степени Р.

Теорема 7.2 (основная теорема алгебры). Любой многочлен степени с комплексными коэффициентами имеет комплексный корень.

В настоящее время мы не располагаем математическим аппаратом для доказательства этой теоремы, поэтому примем её без доказательства. Доказана она будет очень просто в курсе ТФКП (и даже двумя способами — как простое следствие из теоремы Лиувилля или теоремы Руше).

Теорема 7.3. Многочлен с комплексными коэффициентами

раскладывается в произведение линейных множителей

где (среди чисел  возможно, есть равные).

□    По основной теореме алгебры где — многочлен степени Применяя такую же процедуру к получим: — многочлен степени и т.д. В конце концов дойдём до многочлена степени 0.

где (комплексная постоянная). Здесь — комплексные числа, среди которых могут быть равные.

Если раскрыть скобки в правой части (7.2), то коэффициент при будет равен С, т.е.

Определение 7.11. Комплексное число называется корнем кратности многочлена степени  если  — многочлен такой, что При корень называется простым, при — кратным.

Если , то число не является корнем многочлена

В общем случае, учитывая кратность корней, многочлен степени раскладывается на линейные множители:

где все комплексные числа различны, корень имеет кратность , при этом степень многочлена равна

Лемма 7.8. Пусть  (многочлен, сопряжённый к P). Число является корнем многочлена Р  кратности тогда и только тогда, когда число а является корнем многочлена той же кратности

 □ Так как то утверждение достаточно доказать лишь в одну сторону. Пусть Тогда

Так как — любое комплексное число, то в последней записи можно заменить Получим

Это и означает, что — корень многочлена кратности

Следствие. Если — многочлен с действительными коэффициентами, то числа одновременно являются его корнями, причем кратности их совпадают (т.е. недействительные корни появляются «парочками» — взаимно сопряжённые корни одинаковой кратности).

□ Это очевидно из леммы 7.8, так как — один и тот же многочлен.  

Теорема 7.4. Многочлен степени с действительными коэффициентами раскладывается в произведение линейных и неприводимых квадратичных множителей:

□ По теореме 7.3 и лемме 7.8

где  — действительные корни многочлена кратностей соответственно, a — оставшиеся корни ( имеют одинаковую кратность ). Очевидно, что степень многочлена равна т.е. эта сумма равна

Пусть  Тогда

Получили квадратный трёхчлен с действительными коэффициентами который имеет отрицательный дискриминант Остаётся символически заменить подчёркивая этим, что нас интересуют лишь действительные значения и мы получим нужное равенство. 

Теорема 7.4 является примером утверждения, в формулировке которого отсутствуют комплексные числа (чисто действительное утверждение), а естественное доказательство его получается с выходом во множество комплексных чисел. Таких утверждений можно встретить немало в различных математических курсах и прикладных науках.

Кстати, квадратный трехчлен с комплексными коэффициентами имеет такой же вид разложения на линейные множители, как и квадратный трёхчлен с действительными корнями в элементарной алгебре:

Корни — комплексные, и они обязательно существуют. Роль дискриминанта сводится только к определению того, различны ли корни или они совпадают (т.е. квадратный трёхчлен имеет один корень кратности 2). Если то квадратный трёхчлен имеет два различных простых корня, если  — один корень кратности 2. В самом деле, решая квадратное уравнение методом выделения полного квадрата, получим, как и в элементарной алгебре:

Если и уравнение имеет один корень кратности 2 Если то (писать ± не имеет смысла, так как  и под понимаются оба значения квадратного корня из ненулевого комплексного числа). Окончательно получим привычную формулу корней квадратного уравнения:

Пример №23

Решить уравнение

□ Найдём оба значения Пусть Тогда   Решая эту систему, получим:  Полученное биквадратное уравнение  решается при помощи замены Квадратное уравнение имеет корни Так как Получили два значения квадратного корня: Тогда корни данного уравнения равны

Пример №24

Найти все значения  решая уравнение 

□ Левая часть раскладывается на множители:

Поэтому один из корней равен 2. Квадратный трёхчлен не имеет действительных корней поэтому  имеет всего одно действительное значение 2. Найдём оставшиеся два комплексно-сопряжённых значения. Решаем квадратное уравнение по формуле чётного коэффициента:

Во множестве комплексных чисел имеет два значения поэтому имеет 3 комплексных значения: (такой же результат был получен в примере 7.3 другим способом).    ■

Разложение правильной дроби в сумму простейших дробей

Мы будем рассматривать действительные дробно-рациональные функции — многочлены степеней соответственно где Дробь называется правильной, если и неправильной, если

Лемма 7.9. Если правильная дробь и —действительный корень многочлена кратности  то

где  — многочлен, для которого является корнем кратности a — такой многочлен, что дробь является правильной.

□ Так как — корень кратности то где — многочлен такой, что Рассмотрим число  и многочлен (это многочлен, так как и числитель делится нацело на ).

Так как степень G меньше степени Q и степень Р меньше степени Q, то степень числителя последней дроби меньше степени Q; значит, степень меньше степени т.е. дробь правильная. Далее, откуда

Утверждение леммы, очевидно, сохраняется, если все числа и многочлены считать комплексными.

Лемма 7.10. Пусть — неприводимый квадратный трёхчлен, входящий в разложение многочлена на множители в степени Тогда правильная дробь представляется в виде

где  — многочлен, в разложение которого входит в степени — такой многочлен, что дробь является правильной.

□ Пусть где  и комплексно-сопряжённые корни квадратного трёхчлена — действительный многочлен такой, что Рассмотрим действительные числа А и В такие, что

Такие числа А и В определены единственным образом, так как если то равенство (7.3) перепишется так:

и числа А, В находятся из системы очевидно, имеющей единственное решение. Из (7.3) следует также, что так как  — многочлены с действительными коэффициентами.

Рассмотрим многочлен  (это — многочлен, так как  значит, числитель делится нацело на и на следовательно, делится на ). Пусть степень Q равна Так как степень G не превосходит то степень многочлена не превосходит т.е. меньше степени Q. Степень Р также меньше степени Q, поэтому степень числителя последней дроби меньше степени Q.

Значит, степень меньше, чем , т.е. меньше степени  и дробь правильная. Далее,

откуда

Последовательно выделяя из многочлена линейные, а затем неприводимые квадратичные множители, и применяя соответственно леммы 7.9 и 7.10, получим разложение  в сумму правильных дробей вида

(здесь

— как разложение многочлена в теореме 7.4).

Все слагаемые последней суммы называются простейшими дробями. Все коэффициенты, обозначенные символом , являются действительными числами (вообще говоря, различными). Всего их штук. Можно доказать, что они определены единственным образом. Процесс выделения слагаемых по леммам 7.9 и 7.10 прекратится, когда в знаменателе останется ровно один множитель вида Но такая правильная дробь сама будет простейшей. Таким образом, доказана

Теорема 7.5. Любая правильная рациональная дробь с действительными коэффициентами раскладывается в сумму простейших дробей.

Пример №25

Разложить в сумму простейших дробей:

а)  Приводя к общему знаменателю, имеем: При  получим при получим Окончательно имеем: 

б) Приводя в общему знаменателю, имеем:
При получим Приравнивая коэффициенты при получим т.е. Приравнивая свободные члены, получим откуда Окончательно имеем

в)

Приводя к общему знаменателю, имеем: Приравнивая коэффициенты при получим:  откуда Окончательно имеем

Вычисление комплексного числа

Определение 1.1. Многочленом (полиномом) степени n с действительными коэффициентами называется любое выражение вида

где 
х – переменная.

Корнем многочлена (1.1) называется любое число  такое, что

Нетрудно заметить, что некоторые многочлены вообще не имеют
действительных корней, например: 

Расширим множество действительных чисел. Добавим к этому
множеству символ i , такой что  ( i называется мнимой единицей).
Тогда ±i – два корня уравнения 
 

Определение 1.2. Множеством комплексных чисел называется множество

Суммой двух комплексных чисел  называется число
.
Произведением двух комплексных чисел  называется число

Для числа z= a +bi число а называется действительной частью,
число b – мнимой частью. Обозначения: 

Пример №26

Найти 

Решение:

 

Теорема 1.1 (основная теорема алгебры). Любое уравнение вида (1.2)
имеет решение во множестве С.
 

Пример №27

Решить уравнение

Решение:

 

Определение 1.3. Для комплексного числа z =a +bi число z =a -bi называется комплексно-сопряженным, число называется модулем z.

Если рассмотреть плоскость с декартовой системой координат ( O,x,y ) и на оси Ох отложить а – действительную часть z, а на оси Oy – b – мнимую часть z, то получим взаимно однозначное соответствие между множеством С всех
комплексных чисел и множеством точек плоскости.

Такая плоскость называется комплексной плоскостью, рис. 1.1.

При этом  – длина радиуса-вектора точки z.

Определение 1.4. Аргументом комплексного числа z =a +bi  называется
угол , который образует радиус-вектор точки z с положительным
направлением оси Ох Аргумент будем обозначать Argz . Аргумент
определен с точностью до 2 πn. При этом значение  называется
главным и обозначается argz.
 

Замечание.

При этом

Если – аргумент z, то z представляется в виде 

тригонометрическая форма комплексного числа.
 

Теорема 1.2. Пусть 

Доказательство
 

Из формул (1.5) следует, в частности, что  – формула Муавра. (1.6)

Пример №28

Представить числа  в тригонометрической форме.

Решение:

поэтому по формуле (1.3)

Тогда по формуле (1.4)

поэтому по формуле (1.3)

Тогда 

Из формул (1.5), (1.6) видно, что аргумент комплексного числа z при
умножении, делении, возведении в степень ведет себя как показатель
степени. Обозначим  – формула Эйлера. (1.7)

Тогда из теоремы 1.2 следует, что

Учитывая (1.7), формулу (1.4) для z можно переписать в виде показательная форма комплексного числа.

Пример №29

Вычислить 

Решение:

Согласно примеру 1.3 

Поэтому

 

Определение 1.5. Корнем n-й степени из числа z C называется такое
число , что , при этом обозначается . Таким образом

Из формулы (1.8) видно что корней n-й степени из числа z, при этом,
если , то

 

Пример №30

Найти 

Решение: