Комплексные числа: их прошлое и настоящее (стр. 2 из 3)

Плоскость, на которой изображаются комплексные числа называется комплексной плоскостью, ось 0у – мнимой осью.

Число r=√x²+y², равное длине вектора, изображающего комплексное число, т.е. расстоянию от начала координат до изображающей это число точки, называется модулем комплексного числа z=x+iy и обозначается символом |z|.

Угол φ=(0М,ˆ0х) между положительным направлением оси 0х и вектором 0М, изображающим комплексное число z=x+iy ≠0, называется его аргументом.

Из определения видно, что каждое комплексное число (≠0), имеет бесконечное множество аргументов. Все они отличаются друг от друга на целые кратные 2π и обозначаются единым символом Argz (для числа z=0 аргумент не определяется, не имеет смысла).

Каждое значение аргумента совпадает с величиной φ некоторого угла, на который следует повернуть действительную ось (ось 0ч) до совпадения ее направления с направлением радиус-вектора точки М, изображающей число z (при этом φ > 0, если поворот совершается против часовой стрелки и φ <0 в противном случае). Таким образом, аргумент комплексного числа z=x+iy ≠0 есть всякое решение φ системы уравнений cosφ=x/√x²+y²; sinφ=y/√x²+y².

Значение Argz при условии 0≤Argz<2π называется главным значением аргумента и обозначается символом argz. В некоторых случаях главным значением аргумента считают наименьшее по абсолютной величине его значения, т.е. значение, выделяемое неравенством -π<φ≤π.

Между алгебраическими х, у и геометрическими r, φ характеристиками комплексного числа существует связь, выражаемая формулами x=rcosφ, y=rsinφ, следовательно, z=x+iy=r(cosφ+isinφ). Последнее выражение, т.е. z= r(cosφ+isinφ) (6) называется тригонометрической формой комплексного числа. Любое число z≠0 может быть представлено в тригонометрической форме.

Для практики число вида (cosφ+isinφ) удобнее записывать короче, с помощью символа e^iφ=cosφ+isinφ (7). Доказанное для любых чисел φ (действительных или комплексных) это равенство называется формулой Эйлера. С ее помощью всякое комплексное число может быть записано в показательной форме z=re^iφ (8)

3. Операция сопряжения и ее свойства.

Для данного комплексного числа z=x+iy число x-iy (отличающееся от z лишь знаком при мнимой части) называется сопряженным и обозначается символом z. Переход от числа z к числу z называется сопряжением, а сами эти числа сопряженными (друг к другу), т.к. (z)=z. Из определения следует, что только действительное число сопряжено самому себе. Геометрически сопряженные числа изображаются точками, симметричными относительно действительной оси (рис.2).

Отсюда следует, что |z|=|z|, argz=-argz. Кроме того,

z+z=2x=2Rez;

z-z=2iy=2iImz;

zz=x²+y²=|z|²,

а также: z₁+z₂=z₁+z₂; z₁z₂=z₁z₂; (z₁/z₂)=z₁/z₂; P(z)=P(z), где Р (z) – любой многочлен с действительными коэффициентами; (P(z)/Q(z))=(P(z)/Q(z)), где P и Q– многочлены с действительными коэффициентами.

4. Извлечение корней.

Извлечение корня из комплексного числа есть действие, обратное возведению в степень. С его помощью по данной степени (подкоренное число) и данному показателю степени (показатель корня) находят основание (корень). Иначе говоря, это действие равносильно решению уравнения zⁿ=a для нахождения z. В множестве комплексных чисел действие извлечения корня всегда выполнимо, хотя причем и неоднозначно: в результате получается столько значений, каков показатель корня. В частности, квадратный корень имеет ровно два значения, которые можно найти по формуле:

√a=√α+iβ=±((√|a|+α)/2 ± i(√|a|-α)/2)), где знак «+» в скобках берется при β>0, «-» - при β<0.

5. Геометрический смысл алгебраических операций.

Пусть даны два комплексных числа z₁ и z₂. В результате сложения этих чисел получается число z₃, изображаемое вектором 0С диагонали параллелограмма 0АСВ (по правилу параллелограмма сложения векторов): z₁+z₂=0A+0B=0C=z₃.

Рис.3

Разность (z₁-z₂) данных чисел, соответствующая их вычитанию, можно рассматривать как сумму вектора 0А, изображающего число z₁ и вектора 0D=--0В, противоположного вектору 0В (симметричного ему относительно начала координат): z₁-z₂=z₁+(-z₂)=0A+0D=0E=BA. Таким образом, разности (z₁-z₂) данных чисел соответствует вектор ВА другой диагонали параллелограмма 0АСВ.

Для иллюстрации остальных алгебраических действий над комплексными числами более удобна тригонометрическая форма.

Умножение. Пусть даны два комплексных числа z₁=r₁(cosφ₁+isinφ₁) и z₂=r₂(cosφ₂+isinφ₂). Перемножая их получим z₁z₂=r₁r₂(cos(φ₁+φ₂)+isin(φ₁+φ₂)). Следовательно, при умножении комплексных чисел их модули перемножаются, а аргументы складываются. Это правило верно и для любого числа сомножителей.

Деление. Если требуется разделить z₁ на z₂, то выполняем следующие преобразования: z₁/z₂=(z₁z₂)/(z₂z₂)=(r₁(cosφ₁+isinφ₁)r₂(cosφ₂-isinφ₂))/ (r₂(cosφ₂+isinφ₂)r₂(cosφ₂-isinφ₂))=(r₁/r₂)(cos(φ₁-φ₂)+isin(φ₁-φ₂)), т.е. при делении двух комплексных чисел их модули делятся, а аргументы вычитаются.

Возведение в степень. Умножая число z=r(cosφ+isinφ) само на себя «n» раз, получаем согласно правилу умножения zⁿ=rⁿ(cosφ+isinφ)ⁿ=rⁿ(cosnφ+isinnφ). Таким образом, при возведении комплексного числа в степень «n» в ту же степень возводимся его модуль, а аргумент умножается на «n» (на показатель степени). В частном случае, если r=1, то предыдущее равенство принимаем вид (cosφ+isinφ)ⁿ= cosnφ+isinnφ (9). Полученная формула называется формулой Муавра (1667-1754).

Извлечение корня. Пусть а=re^iφ, z=ρe^iσ. Решаем уравнение zⁿ=a для вычисления ⁿ√a: ρⁿe^inσ=re^iφ. Отсюда с учетом того, что аргументы чисел отличаются на целое кратное числу 2π, получаем: ρⁿ=r, nσ-φ=2πK, или ρ=ⁿ√r; σ_K+1=(φ+2πK)/n (причем К=0,1,2…n-1). Таким образом, z_k=ⁿ√r(cosφ+isinφ)=ⁿ√r((cosφ+2Kπ)/n+isin(φ+2Kπ)/n)) (10), где ⁿ√r , - арифметический корень, а К=0,1,2,…,n-1; т.е. корень степени n в множестве комплексных чисел имеет “n” различных значений z_k (исключение представляет z=0. В этом случае все значения корня равны между собой и равны нулю).

Заметим также, что разность между аргументами соседних чисел z_k+1 и z_k постоянна и равна 2π/n: σ_k+1-σ_k=(φ+2π(K+1))/n-(φ+2πK)/n=2π/n. Отсюда следует, что все значения ⁿ√a располагаются на комплексной плоскости в вершинах некоторого правильного n-угольника с центром в начале координат.

IV. Применение комплексных чисел к решению алгебраических уравнений 3-ей и 4-ой степеней.

1. Формула Кардано.

Рассмотрим приведенное алгебраическое уравнение 3-ей степени: x³+ax²+bx+c=0 (11).

(общее уравнение 3-ей степени сводится к приведенному делением на коэффициент при старшей степени). С помощью замены x=y-a/3 это уравнение примет вид y³+py+q=0 (11’), где p и q – новые коэффициенты, зависящие от a,b,c. Пусть у₀ – какой либо корень уравнения (11’). Представим его в виде у₀=α+β, где α и β – неизвестные пока числа, и подставим в уравнение. Получим α³+β³+( α+β)(3αβ+p)+q=0 (12). Выберем теперь α и β так, чтобы 3αβ+р=0. Такой выбор чисел α и β возможен, т.к. они (вообще говоря комплексные) удовлетворяют системе уравнений

α+β=у₀;

αβ=-р/3, а значит, существуют.

При этих условиях уравнение (12) примет вид α³+β³+q=0, а т.к. еще α³β³=-р³/27, то получаем систему

α³+β³=-q;

α³β³=-р³/27,

из которой по теореме Виета следует, что α³ и β³ являются корнями уравнения t²+qt-p³/27=0. Отсюда находим: α³=-q/2+√q²/4+p³/27; β³=-q/2-√q²/4+p³/27, где √q²/4+p³/27 означает одно из возможных значений квадратного корня. Отсюда следует, что корни уравнения (11’) выражаются формулой D=(q/2)²+(p/3)³.

y_1.2.3=ⁿ√-q/2+√q²/4+p³/27+³√-q/2-√q²/4+p³/27, причем для каждого из трех значение первого корня ³√α соответствующие значения второго корня ³√β нужно брать так, чтобы было выполнено условие αβ=-р/3. Полученная формула называется формулой Кардано (ее можно записать в более компактном виде у=³√α+³√β, где α=-q/2+√q²/4+p³/27; β=-q/2-√q²/4+p³/27. Подставив в нее вместо р и q их выражения через a,b,c и вычитая а/3, получим формулу для уравнения (11).

2. Метод Феррари для уравнения 4-ой степени.

Рассмотрим приведенное уравнение 4-ой степени x⁴+ax³+bx²+cx+d=0 (13). Сделав замену переменной х=у-а/4, получим уравнение у⁴+ру²+qy+r=0 (14) c коэффициентами p,q,r, зависящими от a,b,c,d. Преобразуем это уравнение к виду (y²+p/2)²+qy+(r-p²/4)=0, а затем, введя произвольное пока число α, представим его левую часть в равносильной форме (y²+p/2+α)²-[2α(y²+p/2)+α²-qy+p²/4-r]=0 (15)