Комплексным числом называется выражение вида a + ib, где a и b - любые действительные числа, i - специальное число, которое называется мнимой единицей. Для таких выражений понятия равенства и операции сложения и умножения вводятся следующим образом:
Два комплексных числа a + ib и c + id называются равными тогда и только тогда, когда
a = b и c = d.
Суммой двух комплексных чисел a + ib и c + id называется комплексное число
a + c + i (b + d).
Произведением двух комплексных чисел a + ib и c + id называется комплексное число
ac - bd + i (ad + bc).
Комплексные числа часто обозначают одной буквой, например, z = a + ib. Действительное число a называется действительной частью комплексного числа z, действительная часть обозначается a = Re z. Действительное число b называется мнимой частью комплексного числа z, мнимая часть обозначается b = Im z. Такие названия выбраны в связи со следующими особыми свойствами комплексных чисел.
Заметим, что арифметические операции над комплексными числами вида z = a + i · 0 осуществляются точно так же, как и над действительными числами.
Следовательно, комплексные числа вида a + i · 0 естественно отождествляются с действительными числами. Из-за этого комплексные числа такого вида и называют просто действительными. Итак, множество действительных чисел содержится в множестве комплексных чисел. Множество комплексных чисел обозначается.
В отличие от действительных чисел, числа вида 0 + ib называются чисто мнимыми. Часто просто пишут bi, например, 0 + i 3 = 3 i. Чисто мнимое число i 1 = 1 i = i обладает удивительным свойством.
1.Основные понятия и арифметические действия над комплексными числами.
Логически строгую теорию комплексных чисел построил в XIX в (1835 г) ирландский математик Вильям Роумен Гамильтон. По Гамильтону комплексные числа - это упорядоченные пары z=(x,y) действительных чисел, для которых следующим образом определены операции сложения и умножения:
(x1, y1) + (x2, y2) = (x1+x2, y1+y2); (1)
(x1, y1) * (x2, y2) = (x1*x2 - yiy2, xiy2 + x2y1). (2)
Действительные числа x и y называются при этом действительной и мнимой частями комплексного числа z=(x,y) и обозначаются символами Rez и Imz соответственно (real - действительный, imanginerum - мнимый).
Два комплексных числа z1 = (x1, y1) и z2 = (x2, y2) называются равными только в том случае, когда x1 = x2 и y1 = y2. Из определения следует, что всякое комплексное число (x,y) может быть представлено в следующем виде: (x,y)=(x,0)+(0,1)(y,0).
Числа вида (х,0) отождествляются с действительными числами х, т.е. (х, 0) = х, число (0,1), называемое мнимой единицей, обозначается символом i, т.е. (0, 1) = i, причем i2 = -1, равенство (3) принимает вид z=x+iy и называется алгебраической формой записи комплексного числа z=(x,y).
Операции сложения и умножения комплексных чисел имеют следующие свойства:
а) z1+z2=z2+z1 (переместительный закон или коммутативность сложения и умножения).
б) z1z2=z2z1
в) z1+(z2+z3) = (z1+z2) + z3 (сочетательный закон или ассоциативность).
г) z1(z2z3) = (z1z2) z3
д) (z1+z2) z3=z1z3+z2z3 (распределительный закон или дистрибутивность).
Вычитание и деление комплексных чисел z1=x1+iy1 и z2=x2+iy2 определяют, причем однозначно, их разность z1-z2 и частное z1/z2 как решения соответствующих уравнений z+z2=z1 и zz2=z1 (при z2?0). Отсюда следует, что разность и частное от деления z1 на z2 вычисляются по формулам:
z1-z2=(x1-x2) + i(y1-y2), (4)
z1/z2=(x1x2+y1y2)/(x22+y22) + i((y1x2-x1y2)/(x22+y22)) (5)
Данное определение можно выразить в других терминах, а именно, вычитание - как действие, обратное сложению: z=z1+(-z2), где число (-z2) называется противоположным z2; деление - как действие, обратное умножению: z=z1(z2-1), где z2-1 - число, обратное для z2 (z2?0). Таким образом, анализ определений и свойств арифметических операций над комплексными числами приводит к следующим выводам:
- множество комплексных чисел (С) является расширением множества R действительных чисел, т.е. действительные числа содержатся как частный случай, среди комплексных (точно так же как, например, целые числа содержатся среди действительных);
- комплексные числа можно складывать, вычитать, умножать и делить по правилам, которым подчиняются действительные числа, заменяя в итоге (или в процессе вычислений) i2=-1.
2. Геометрическое изображение комплексных чисел. Тригонометрическая и показательная формы.
Замечание. Понятия «больше» или «меньше» для комплексных чисел лишено смысла (не принято никакого соглашения).
Если на плоскости введена декартова система координат 0xy, то всякому комплексному числу z=x+iy может быть поставлена в соответствие некоторая точка М(х,у) с абсциссой «х» и ординатой «у», а также радиус - вектор 0М. При этом говорят, что точка М(х,у) (или радиус - вектор 0М) изображает комплексное число z=x+iy.
Плоскость, на которой изображаются комплексные числа называется комплексной плоскостью, ось 0у - мнимой осью.
Число r=vx2+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? = (0М,?0х) 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 2? и обозначаются единым символом Argz (для числа z=0 аргумент не определяется, не имеет смысла).
Каждое значение аргумента совпадает с величиной 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? > 0, если поворот совершается против часовой стрелки и <0 в противном случае). Таким образом, аргумент комплексного числа z=x+iy 0 есть всякое решение системы уравнений cos=x/vx2+y2; sin? = y/vx2+y2.
Значение Argz при условии 0Argz <2 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 - <???.
Между алгебраическими х, у и геометрическими r,? характеристиками комплексного числа существует связь, выражаемая формулами x=rcos, y=rsin?, следовательно, z=x+iy=r(cos+isin). Последнее выражение, т.е. z= r(cos+isin) называется тригонометрической формой комплексного числа. Любое число z?0 может быть представлено в тригонометрической форме.
Для практики число вида (cos+isin) удобнее записывать короче, с помощью символа ei=cos+isin. Доказанное для любых чисел (действительных или комплексных) это равенство называется формулой Эйлера. С ее помощью всякое комплексное число может быть записано в показательной форме z=rei
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.
Отсюда следует, что |z|=|z|, argz=-argz.
Квадратное сопряжение чисел, операции:
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:
va=v? + i? =±((v|a|+?)/2 ± i(v|a|-?)/2)), где знак «+» в скобках берется при?>0, «-» - при? <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. 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.