Комплексные числа: определение и основные понятия

При изучении свойств квадратного уравнения ставилось ограничение – для дискриминанта меньше нуля решения не существует. Сразу оговаривалось, что речь идет о множестве вещественных чисел. Пытливый ум математика заинтересуется – какой секрет содержится в оговорке о вещественных значениях?

Со временем математики ввели понятие комплексных чисел, где за единицу принимается условное значение корня второй степени из минус единицы.

Историческая справка

Математическая теория развивается последовательно, от простого к сложному. Разберемся, как возникло понятие, получившее название "комплексное число", и зачем оно нужно.

С незапамятных времен основу математики составлял обычный счет. Исследователям было известно только натуральное множество значений. Сложение и вычитание при этом производилось просто. По мере усложнения хозяйственных отношений вместо сложения одинаковых значений начали применять умножение. Появилась обратная операция к умножению – деление.

Понятие натурального числа ограничивало использование арифметических операций. На множестве целых значений невозможно решать все задачи деления. Работа с дробями привела сначала к понятию рациональных значений, а потом и к иррациональным значениям. Если для рационального можно указать точное расположение точки на линии, то для иррациональных такую точку указать невозможно. Можно только приблизительно указать интервал нахождения. Объединение рациональных и иррациональных числе образовали вещественное множество, которое можно представить как некоторую линию с заданным масштабом. Каждый шаг по линии - это натуральное число, а между ними располагаются рациональные и иррациональные значения.

Началась эпоха теоретической математики. Развитие астрономии, механики, физики требовало решения все более сложных уравнений. В общем виде были найдены корни квадратного уравнения. При решении более сложного кубического многочлена ученые столкнулись с противоречием. Понятие кубического корня из отрицательного имеет смысл, а для квадратного получается неопределенность. При этом квадратное уравнение - только частный случай кубического.

В 1545 году итальянец Дж. Кардано предложил ввести понятие мнимого числа.

Таким числом стал корень второй степени из минус единицы. Окончательно термин комплексного числа сформировался только через триста лет, в работах известного математика Гаусса. Он предложил формально распространить на мнимое число все законы алгебры. Вещественная прямая расширилась до плоскости. Мир стал больше.

Основные понятия

Вспомним ряд функций, которые имеют ограничения на вещественном множестве:

• y = arcsin(x), определена в интервале значений между отрицательной и положительной единицей.
• y = ln(x), десятичный логарифм имеет смысл при положительных аргументах.
• квадратный корень y = √x, рассчитывается только для x ≥ 0.

Обозначением i = √(-1), введем такое понятие, как мнимое число, это позволит снять все ограничения с области определения вышеприведенных функций. Выражения типа y = arcsin(2), y = ln(-4), y = √(-5) приобретают смысл в некотором пространстве комплексных чисел.

Алгебраическую форму можно записать в виде выражения z = x + i×y на множестве вещественных значений x и y, а i² = -1.

Новое понятие снимает все ограничения на использование любой алгебраической функции и своим видом напоминает график прямой в координатах вещественных и мнимых значений.

Комплексная плоскость

Геометрическая форма комплексных чисел наглядно позволяет представить многие их свойства. По оси Re(z) отмечаем вещественные значения x, по Im(z) - мнимые величины y, тогда точка z на плоскости будет отображать требуемое комплексное значение.

Определения:

• Re(z) - реальная ось.
• Im(z) – означает мнимую ось.
• z - условная точка комплексного числа.
• Численное значение длины вектора от нулевой точки до z, называется модулем.
• Реальная и мнимая оси разбивают плоскость на четверти. При положительном значении координат - I четверть. При аргументе реальной оси меньше 0, а мнимой больше 0 - II четверть. Когда координаты отрицательные - III четверть. Последняя, IV четверть содержит множество положительных реальных значений и отрицательных мнимых величин.

Таким образом на плоскости со значениями координат x и y всегда можно наглядно изобразить точку комплексного числа. Символ i вводится для отделения реальной части от мнимой.

Свойства

1. При нулевом значении мнимого аргумента получаем просто число (z = x), которое располагается на реальной оси и принадлежит вещественному множеству.
2. Особый случай, когда значение реального аргумента становится нулевым, выражение z = i×y соответствует расположению точки на мнимой оси.
3. Общий вид z = x + i×y будет при ненулевых значениях аргументов. Означает расположение точки, характеризующей комплексное число, в одной из четвертей.

Тригонометрическая запись

Вспомним полярную систему координат и определение тригонометрических функций sin и cos. Очевидно, что с помощью этих функций можно описать расположение любой точки на плоскости. Для этого достаточно знать длину полярного луча и угол наклона к вещественной оси.

Определение. Запись вида ∣z ∣, умноженное на сумму тригонометрических функций cos(ϴ) и мнимой части i ×sin(ϴ), называется тригонометрическим комплексным числом. Здесь применяется обозначение угол наклона к вещественной оси

ϴ = arg(z), а r = ∣z∣, длина луча.

Из определения и свойств тригонометрических функций, следует очень важная формула Муавра:

zⁿ = rⁿ × (cos(n × ϴ) + i × sin(n × ϴ)).

Используя эту формулу, удобно решать многие системы уравнений, содержащие тригонометрические функции. Особенно когда возникает задача возведения в степень.

Модуль и фаза

Для завершения описания комплексного множества предложим два важных определения.

Зная теорему Пифагора, легко вычислить длину луча в полярной системе координат.

r = ∣z∣ = √(x² + y²), такая запись на комплексном пространстве носит название "модуль" и характеризует расстояние от 0 до точки на плоскости.

Угол наклона комплексного луча к вещественной прямой ϴ принято называть фазой.

Из определения видно, что реальная и мнимая части описываются с помощью циклических функций. А именно:

• x = r × cos(ϴ);
• y = r × sin(ϴ);

Обратно, фаза имеет связь с алгебраическими значениями через формулу:

ϴ = arctan(x / y) + µ, поправка µ вводится для учета периодичности геометрических функций.

Формула Эйлера

Математики часто употребляют показательную форму. Числа комплексной плоскости записывают в виде выражения

z = r × e^i×ϴ , которая вытекает из формулы Эйлера.

Такая запись получила широкое распространение для практического вычисления физических величин. Форма представления в виде показательных комплексных чисел особенно удобна для инженерных расчетов, где возникает необходимость рассчитать цепи с синусоидальными токами и необходимо знать значение интегралов функций с заданным периодом. Сами расчеты служат инструментом при конструировании различных машин и механизмов.

Определение операций

Как уже отмечалось, на комплексные числа распространяются все алгебраические законы работы с основными математическими функциями.

Операция суммы

При сложении комплексных значений их реальная и мнимая части также складываются.

z = z₁ + z₂, где z₁ и z₂ - комплексные числа общего вида. Преобразуя выражение, после раскрытия скобок и упрощения записи, получим реальный аргумент х=(x₁ + x₂), мнимый аргумент y = (y₁ + y₂).

На графике это выглядит как сложение двух векторов, по известному правилу параллелограмма.

Операция вычитания

Рассматривается как частный случай сложения, когда одно число положительное, другое отрицательное, то есть находящееся в зеркальной четверти. Алгебраическая запись выглядит как разность реальных и мнимых частей.

z = z₁ - z₂, или, учитывая значения аргументов, аналогично операции сложения, получаем для реальных значений х = (x₁ - x₂) и мнимых y = (y₁ - y₂).

Умножение на комплексной плоскости

Используя правила работы с многочленами, выведем формулу для решения комплексных чисел.

Следуя общим алгебраическим правилам z=z₁×z₂, расписываем каждый аргумент и приводим подобные. Реальную и мнимую части можно записать так:

• х = х₁ × x₂ - y₁ × y₂,
• y = x₁ × y₂ + x₂ × y_1.

Красивее смотрится, если будем использовать показательные комплексные числа.

Выражение выглядит так: z = z₁ × z₂ = r₁ × e^iϴ1 × r₂ × e^iϴ2 = r₁ × r₂ × e^i(ϴ1+ϴ2).

Далее просто, модули перемножаются, а фазы складываются.

Деление

При рассмотрении операции деления, как обратной к операции умножения, в показательной форме записи получаем простое выражение. Деление значения z₁ на z₂ есть результат деления их модулей и разности фаз. Формально, при использовании показательной формы комплексных чисел это выглядит так:

z = z₁ / z₂ = r₁ × e^iϴ1 / r₂ × e^iϴ2 = r₁ / r₂ × e^i(ϴ1-ϴ2).

В виде алгебраической записи операция деления чисел комплексной плоскости записывается немного сложнее:

z = z₁ / z_2.

Расписывая аргументы и проводя преобразования многочленов, легко получить значения х = x₁ × x₂ + y₁ × y₂, соответственно y = x₂ × y₁ - x₁ × y₂, правда, в рамках описываемого пространства это выражение имеет смысл, если z₂ ≠ 0.

Извлекаем корень

Все вышеописанное можно применять при определении более сложных алгебраических функций – возведение в любую степень и обратную к ней - извлечение корня.

Пользуясь общим понятием возведения в степень n, получаем определение:

zⁿ = (r × e^iϴ)ⁿ.

Используя общие свойства, перепишем в виде:

zⁿ = rⁿ × e^{iϴ n}.

Получили простую формулу возведения в степень комплексного числа.

Из определения степени получаем очень важное следствие. Четная степень мнимой единицы всегда равна 1. Любая нечетная степень мнимой единицы всегда равно -1.

Теперь изучим обратную функцию – извлечение корня.

Для простоты записи примем n = 2. Квадратным корнем w комплексного значения z на комплексной плоскости C принято считать выражение z = ±, справедливое для любого вещественного аргумента большего или равного нулю. При w ≤ 0 решения не существует.

Посмотрим на самое простое квадратное уравнение z² = 1. Используя формулы комплексных чисел, перепишем r² × e^i2ϴ = r² × e^i2ϴ = eⁱ⁰ . Из записи видно, что r² = 1 и ϴ = 0, следовательно, имеем единственное решение, равное 1. Но это противоречит понятию, что z = -1, тоже соответствует определению квадратного корня.

Разберемся, что мы не учитываем. Если вспомним тригонометрическую запись, то восстановим утверждение – при периодическом изменении фазы ϴ комплексное число не меняется. Обозначим символом p значение периода, тогда справедлива запись r² × e^i2ϴ = e^i(0+p), откуда 2ϴ = 0 + p, или ϴ = p / 2. Следовательно, справедливо eⁱ⁰ = 1 и e^ip/2 = -1. Получили второе решение, что соответствует общему пониманию квадратного корня.

Итак, чтобы найти произвольный корень из комплексного числа, будем действовать по процедуре.

• Запишем показательную форму w= ∣w∣ × e^{i(arg (w) + pk)}, k - произвольное целое число.
• Искомое число тоже представим по форме Эйлера z = r × e^iϴ.
• Воспользуемся общим определением функции извлечения корня rⁿ*e^inϴ = ∣w∣ × e^{i(arg (w) + pk)}.
• Из общих свойств равенства модулей и аргументов, запишем rⁿ = ∣w∣ и nϴ = arg (w) + p×k.
• Итоговая запись корня из комплексного числа описывается формулой z = √∣w∣ × e^{i (arg (w) + pk) / n}.
• Замечание. Значение ∣w∣, по определению, является положительным вещественным числом, значит, корень любой степени имеет смысл.

Поле и сопряжение

В завершение дадим два важных определения, которые оказывают мало значения для решения прикладных задач с комплексными числами, но существенны при дальнейшем развитии математической теории.

Говорят, что выражения сложения и умножения образуют поле, если удовлетворяют аксиомам для любых элементов комплексной плоскости z:

1. От перемены мест комплексных слагаемых комплексная сумма не меняется.
2. Верно утверждение - в сложном выражении любую сумму двух чисел можно заменить на их значение.
3. Существует нейтральное значение 0, для которого верно z + 0 = 0 + z = z.
4. Для любого z существует противоположность – z, сложение с которым дает ноль.
5. При перемене мест комплексных множителей комплексное произведение не меняется.
6. Умножение двух любых чисел можно заменить на их значение.
7. Существует нейтральное значение 1, умножение на которое не меняет комплексное число.
8. Для каждого z ≠ 0, есть обратное значение z^-1, умножение на которое дает в результате 1.
9. Умножение суммы двух чисел на третье равносильно операции умножение каждого их них на это число и сложение результатов.
10. 0 ≠ 1.

Числа z₁ = x + i×y и z₂ = x - i×y называются сопряженными.

Теорема. Для сопряжения верно утверждение:

• Сопряжение суммы равно сумме сопряженных элементов.
• Сопряжение произведения равно произведению сопряжений.
• Сопряжение сопряжения равно самому числу.

В общей алгебре такие свойства принято называть автоморфизмом поля.

Примеры

Следуя приведенным правилам и формулам комплексных чисел, легко можно ими оперировать.

Рассмотрим простейшие примеры.

Задача 1. Используя равенство 3y +5 x i= 15 - 7i, определить x и y.

Решение. Вспомним определение комплексных равенств, тогда 3y = 15, 5x = -7. Следовательно, x = -7 / 5, y = 5.

Задача 2. Вычислить значения 2 + i²⁸ и 1 + i¹³⁵.

Решение. Очевидно, 28 - четное число, из следствия определения комплексного числа в степени имеем i²⁸ = 1, значит, выражение 2 + i²⁸ = 3. Второе значение, i¹³⁵ = -1, тогда 1 + i¹³⁵ = 0.

Задача 3. Вычислить произведение значений 2 + 5i и 4 + 3i.

Решение. Из общих свойств умножения комплексных чисел получаем (2 + 5i)Х( 4 + 3i) = 8 - 15 + i(6 + 20). Новое значение будет -7 + 26i.

Задача 4. Вычислить корни уравнения z³ = -i.

Решение. Вариантов, как найти комплексное число, может быть несколько. Рассмотрим один из возможных. По определению, ∣ - i∣ = 1, фаза для -i равна -р / 4. Исходное уравнение можем переписать в виде r³*e^i3ϴ = e^-p/4+pk, откуда z = e^{-p / 12 + pk/3}, для любого целого k.

Множество решений имеет вид (e^-ip/12, e^ip/4, e^i2p/3).

Зачем нужны комплексные числа

История знает множество примеров, когда ученые, работая над теорией, даже не задумываются о практическом применении своих результатов. Математика - это прежде всего игра ума, жесткое следование причинно-следственным связям. Почти все математические построения сводятся к решению интегральных и дифференциальных уравнений, а те, в свою очередь, с некоторым приближением, решаются нахождением корней многочленов. Здесь мы впервые встречаемся с парадоксом мнимых чисел.

Ученые естествоиспытатели, решая совершенно практические задачи, прибегая к решениям различных уравнением, обнаруживают математические парадоксы. Интерпретация этих парадоксов приводит к совершенно удивительным открытиям. Двойственная природа электромагнитных волн один из таких примеров. Комплексные числа в понимании их свойств играют решающую роль.

Это, в свою очередь, нашло практическое применение в оптике, радиоэлектронике, энергетике и многих других технологических сферах. Еще один пример, гораздо более тяжелый для понимания физических явлений. Антиматерия была предсказана на кончике пера. И только через много лет начинаются попытки ее физического синтезирования.

Не надо думать, что только в физике существуют такие ситуации. Не менее интересные открытия совершаются в живой природе, при синтезировании макромолекул, во время изучения искусственного разума. И все это благодаря расширению нашего сознания, уходу от простого сложения и вычитания натуральных величин.