background image

http://chomikuj.pl/aligatorro

5

 

Rozdział I

  Liczby zespolone

§ 1.

  Wprowadzenie, (dodawanie liczb zespolonych)

Definicja 1.

 

   [6]

Niech 

(

)

{

}

R

: a, b

a,b

R

R

C

=

×

=

.

W zbiorze 

C

 wprowadzimy działanie 

+

,

(

) (

)

(

)

d

b

c

a

d

c

b

a

+

+

=

+

,

,

,

.

Twierdzenie 1.

 

   [6]

Działanie  +  jest ł

ą

czne tj. 

(

) (

)

(

) (

)

(

)

(

) (

)

(

)

e,f

c,d

a,b

e,f

c,d

a,b

+

+

=

+

+

dla ka

ż

dego 

(

)

a,b

(

)

c,d

(

)

C

e,f 

.

Dowód.

 

(

) (

)

(

) (

)

(

) (

)

e,f

d

c,b

a

e,f

c,d

a,b

L

+

+

+

=

+

+

=

(

)

(

)

(

)

=

+

+

+

+

=

f

d

,b

e

c

a

(

)

(

) (

)

(

)

P

e,f

c,d

a,b

=

+

+

.

Twierdzenie 2.

 

   [6]

Para uporz

ą

dkowana 

(

)

0

0 jest elementem neutralnym działania  + ,

(

) (

)

(

) (

)

(

)

a,b

a,b

,

,

a,b

=

+

=

+

0

0

0

0

 dla ka

ż

dego 

(

)

C

a,b 

.

Dowód.

 

(

) (

)

(

)

(

)

b

a

b

a

b

a

,

0

,

0

0

,

0

,

=

+

+

=

+

.

Twierdzenie 3.

 

   [6]

Elementem przeciwnym w sensie działania  + , do elementu

(

)

C

a,b 

 jest 

(

)

b

a, 

.

background image

http://chomikuj.pl/aligatorro

6

Dowód.

 

(

) (

)

(

)

(

)

(

)

(

)

0

,

0

,

,

=

+

+

=

+

b

b

a

a

b

a

a,b

.

Definicja 2.

 

   [6]

Par

ę

 

(

)

b

a, 

 b

ę

dziemy nazywa

ć

 elementem przeciwnym do elementu

(

)

a,b

 i b

ę

dziemy oznacza

ć

 przez 

(

)

a,b

.

Twierdzenie 4.

 

   [6]

Działanie  +  jest przemienne, 

(

) (

)

(

) (

)

b

a

d

c

d

c

b

a

,

,

,

,

+

=

+

dla 

(

)

b

a

,

(

)

C

d

c

,

.

Dowód.

 

(

) (

)

(

)

(

)

(

) (

)

b

a

d

c

b

d

a

c

d

b

c

a

d

c

b

a

,

,

,

,

,

,

+

=

+

+

=

+

+

=

+

.

Wniosek 5.

 

   [3]

Zbiór  wraz z działaniem  +  jest grup

ą

 przemienn

ą

.

§ 2.

  Mnożenie

W zbiorze  wprowadzamy działanie o  okre

ś

lone wzorem

(

) (

)

(

)

bc

ad

bd

ac

d

c

b

a

+

=

,

,

,

o

 dla 

(

)

b

a

,

(

)

C

d

c

,

.

W celu ułatwienia, znak  o , b

ę

dziemy zapisywa

ć

 tylko dla mno

ż

enia

przez liczby rzeczywiste zapisane za pomoc

ą

 cyfr oraz wyj

ą

tkowo

w twierdzeniu 21 i wniosku 51. W pozostałych przypadkach symbol ten

b

ę

dziemy opuszcza

ć

.

Twierdzenie 6.

 

  [6]

Działanie mno

ż

enia jest ł

ą

czne, 

(

) (

)(

)

(

)

(

)(

)

(

)(

)

f

e

d

c

b

a

f

e

d

c

b

a

,

,

,

,

,

,

=

.

background image

http://chomikuj.pl/aligatorro

7

Dowód.

 

(

) (

)(

)

(

)

(

)(

)

=

+

=

=

de

cf

df

ce

b

a

f

e

d

c

b

a

L

,

,

,

,

,

(

)

(

) (

)

(

)

(

)

=

+

+

+

=

df

ce

b

de

cf

a

de

cf

b

df

ce

a

,

(

)

bdf

bce

ade

acf

bde

bcf

adf

ace

+

+

=

,

 oraz

(

)(

)

(

)(

)

(

)(

)

=

+

=

=

f

e

bc

ad

bd

ac

f

e

d

c

b

a

P

,

,

,

,

,

(

)

(

) (

)

(

)

(

)

=

+

+

+

=

f

bd

ac

e

bc

ad

f

bc

ad

e

bd

ac

,

(

)

=

+

+

=

bdf

acf

bce

ade

bcf

adf

bde

ace

,

(

)

bdf

bce

ade

acf

bde

bcf

adf

ace

+

+

=

,

,

P

=

, wi

ę

c twierdzenie zostało udowodnione.

Twierdzenie 7.

 

   [6]

Element 

( )

0

,

1

 jest elementem neutralnym  (działania mno

ż

enia)  o ,

(

)( )

( )(

)

(

)

b

a

b

a

b

a

,

,

0

,

1

0

,

1

,

=

=

 dla ka

ż

dego 

(

)

C

b

a

,

.

Dowód.

 

(

)( )

(

)

(

)

b

a

b

a

b

a

b

a

,

1

0

,

0

1

0

,

1

,

=

+

=

o

o

o

o

.

Twierdzenie 8.

 

   [6]

Elementem  odwrotnym  w  sensie  działania  o   do  elementu 

(

)

C

b

a

,

,

gdzie 

(

)

(

)

0

,

0

,

b

a

 jest 

+

+

2

2

2

2

,

b

a

b

b

a

a

.

Dowód.

 

(

)

=

+

+

2

2

2

2

,

,

b

a

b

b

a

a

b

a

=

+

+

+

+

+

=

2

2

2

2

2

2

2

2

,

b

a

a

b

b

a

b

a

b

a

b

b

b

a

a

a

( )

0

,

1

,

2

2

2

2

2

2

=



+

+

+

+

=

b

a

ab

ab

b

a

b

a

.

background image

http://chomikuj.pl/aligatorro

8

Twierdzenie 9.

 

   [6]

Działanie 

o

 jest przemienne, 

(

)(

)

(

)(

)

b

a

d

c

d

c

b

a

,

,

,

,

=

dla 

(

)

b

a

,

(

)

C

d

c

,

.

Dowód.

 

(

)(

)

(

)

(

)

=

+

=

+

=

cb

da

db

ca

bc

ad

bd

ac

d

c

b

a

,

,

,

,

(

)

(

)(

)

b

a

d

c

da

cb

db

ca

,

,

,

=

+

=

.

Wniosek 10.

 

   [3]

Para 

(

)

{

}

(

)

o

,

0

,

0

\

C

 jest grupą przemienną.

§ 3.

  Rozdzielność mnożenia względem dodawania

Twierdzenie 11.

 

[6]

Działanie 

o

 jest rozdzielne względem  + ,

(

) (

) (

)

(

)

(

)(

)

(

)

(

)(

)

(

)

f

e

b

a

d

c

b

a

f

e

d

c

b

a

,

,

,

,

,

,

,

+

=

+

dla 

(

)

b

a

,

(

)

d

c

,

(

)

C

f

e

,

.

Dowód.

 

(

) (

) (

)

(

)

(

)(

)

=

+

+

=

+

f

d

e

c

b

a

f

e

d

c

b

a

,

,

,

,

,

(

)

(

) (

)

(

)

(

)

=

+

+

+

+

+

=

e

c

b

f

d

a

f

d

b

e

c

a

,

(

)

be

bc

af

ad

bf

bd

ae

ac

+

+

+

+

=

,

oraz

(

)(

)

(

)

(

)(

)

(

)

=

+

f

e

b

a

d

c

b

a

,

,

,

,

(

) (

)

=

+

+

+

be

af

bf

ae

bc

ad

bd

ac

,

,

(

)

=

+

+

+

+

=

be

af

bc

ad

bf

ae

bd

ac

,

(

)

be

bc

af

ad

bf

bd

ae

ac

+

+

+

+

=

,

.

Wniosek 12.

 

   [3]

Układ 

(

) (

)

(

)

1,0

 

,

0,0

 ,

 ,

 

C,

o

+

 jest ciałem.

background image

http://chomikuj.pl/aligatorro

9

Definicja 3.

 

Ciało 

(

) (

)

(

)

1,0

 

,

0,0

 ,

 ,

 

C,

o

+

  nazywamy  ciałem  liczb  zespolonych.

Elementy tego ciała nazywamy liczbami zespolonymi.

§ 4.

  Ciało liczb rzeczywistych jako podciało

ciała liczb zespolonych

Twierdzenie 13.

 

Dla dowolnych 

R

b

a

,

 mamy

(

) (

) (

)

0

,

0

,

0

,

b

a

b

a

+

=

+

(

)(

)

(

)

0

,

0

,

0

,

ab

b

a

=

.

Dowód.

 

(

) (

) (

) (

)

0

,

0

0

,

0

,

0

,

b

a

b

a

b

a

+

=

+

+

=

+

,

(

)(

) (

) (

)

0

,

0

0

,

0

0

0

,

0

,

ab

b

a

ab

b

a

=

+

=

o

o

o

.

Z twierdzenia 13 wynikają dwa ważne wnioski.

Wniosek 14.

 

   [3]

Zbiór 

(

)

{

}

R

a

a

R

=

:

0

,

~

 jest podciałem ciała   ze względu na działania

+

o

 dziedziczone z  .

Wniosek 15.

 

   [3]

Ciało 

R

  liczb  rzeczywistych  i  ciało  R

~

  są  izomorficzne.  Izomorfizmem

R

R

f

~

:

 jest odwzorowanie określone wzorem 

( ) (

)

0

,

a

a

f

=

 dla 

R

.

Dowód.

 

(

) (

) (

) (

)

( )

( )

b

f

a

f

b

a

b

a

b

a

f

+

=

+

=

+

=

+

0

,

0

,

0

,

,

( ) (

) (

)(

)

( ) ( )

b

f

a

f

b

a

ab

ab

f

=

=

=

0

,

0

,

0

,

 dla dowolnych  

R

.

background image

http://chomikuj.pl/aligatorro

10

Ponadto 

( ) ( )

0

,

1

1 =

f

( ) (

)

0

,

0

0 =

f

.

Uwaga. Odpowiadające sobie przy izomorfizmie elementy ciał

R

 i  R

~

 będziemy identyfikować.

§ 5.

  Liczba 

i

Twierdzenie 16.

 

[6]

Element 

( )

1

,

0

=

i

, nazywamy jednostką urojoną, spełniającą warunki:

1. 

1

2

=

i

,

2. 

1

=

i

,

3. 

( )

1

2

=

i

.

Dowód.

 

(

)(

)

(

)

(

)

1

0

,

1

0

1

1

0

,

1

1

0

0

1

,

0

1

,

0

2

=

=

+

=

=

o

o

o

o

i

,

(

)

(

)(

)

(

) (

)

(

) (

)

(

)

=

+

=

=

0

1

1

0

,

1

1

0

0

1

,

0

1

,

0

2

o

o

o

o

i

(

)

1

0

,

1

=

=

.

Wniosek 17.

 

   [6]

Dla dowolnej liczby zespolonej 

(

)

C

b

a

,

 zachodzi równo

ść

(

)

bi

a

b

a

+

=

,

.

Dowód.

 

(

)

(

) (

)

(

) (

)( )

bi

a

b

a

b

a

b

a

+

=

+

=

+

=

1

,

0

0

,

0

,

,

0

0

,

,

.

background image

http://chomikuj.pl/aligatorro

11

§ 6.

  Moduł, część rzeczywista i część urojona

liczby zespolonej

Definicja 4.

 

   [6]

Modułem  liczby  zespolonej 

bi

+

,  nazywamy  liczb

ę

  rzeczywist

ą

nieujemn

ą

 

2

2

b

+

 i oznaczamy j

ą

 przez 

bi

+

.

Definicja 5.

 

   [6]

Niech 

(

)

a

bi

a

re 

=

+

(

)

b

bi

a

im 

=

+

.  Wówczas    nazywamy  cz

ęś

ci

ą

rzeczywist

ą

 za

ś

  cz

ęś

ci

ą

 urojon

ą

 liczby zespolonej 

bi

+

.

Wniosek 18.

 

   [6]

Dla ka

ż

dego 

(

)

bi

a

z

+

=

 mamy 

z

re z 

z

im z 

.

Dowód.

 

z

b

a

a

a

re z

=

+

=

2

2

,

z

b

a

b

b

im z

=

+

=

2

2

.

Twierdzenie 19.

 

[6]

Dla dowolnych 

C

z

z

2

1

,

 mamy 

2

1

2

1

  z

z

z

z

=

.

Dowód.

 

Niech 

i

b

a

z

1

1

1

+

=

i

b

a

z

2

2

2

+

=

.

Wtedy

(

)(

)

=

+

+

=

+

+

=

2

1

1

2

2

1

2

1

2

2

1

1

2

1

b

b

i

b

a

i

b

a

a

a

i

b

a

i

b

a

z

z

(

) (

)

(

)

(

)

=

+

+

=

+

+

=

2

1

2

2

1

2

2

1

2

1

1

2

2

1

2

1

2

1

 

b

a

b

a

b

b

a

a

i

b

a

b

a

b

b

a

a

=

+

+

+

+

=

2

1

2

2

1

2

2

1

2

2

2

1

2

2

2

1

2

1

2

1

2

2

2

1

2

2

b

a

b

a

b

a

b

a

b

b

b

b

a

a

a

a

background image

http://chomikuj.pl/aligatorro

12

(

)

(

)

(

)(

)

=

+

+

=

+

+

+

=

2

2

2

2

2

1

2

1

2

2

2

2

2

1

2

2

2

2

2

1

b

a

b

a

b

a

b

b

a

a

2

1

2

2

2

2

2

1

2

1

  z

z

b

a

b

a

=

+

+

=

.

Twierdzenie 20.

 

[6]

Dla dowolnych liczb zespolonych 

1

z

2

z

, gdzie 

0

2

z

, mamy

2

1

2

1

z

z

z

z

=

.

Dowód.

 

2

2

1

1

z

z

z

=

.

2

2

1

2

2

1

1

  z

z

z

z

z

z

z

=

=

.

St

ą

2

1

2

1

z

z

z

z

=

.

Z twierdzenia 20 wynika

Twierdzenie 21.

 

[6]

Dla dowolnych liczb zespolonych 

n

z

z

,...,

1

n

n

z

z

z

z

o

o

o

o

...

...

1

1

=

.

Twierdzenie 22.

 

[6]

(

)

2

1

2

1

re z

re z

z

z

re 

+

=

+

(

)

2

1

2

1

im z

im z

z

z

im 

+

=

+

.

Dowód.

 

Niech 

i

b

a

z

1

1

1

+

=

i

b

a

z

2

2

2

+

=

.

Wtedy 

(

)

(

)

(

) (

)

(

)

=

+

+

+

=

+

+

+

=

+

i

b

b

a

a

re 

i

b

a

i

b

a

re 

z

z

re 

2

1

2

1

2

2

1

1

2

1

2

1

2

1

re z

re z

a

a

+

=

+

=

,

background image

http://chomikuj.pl/aligatorro

13

(

)

(

)

(

) (

)

(

)

=

+

+

+

=

+

+

+

=

+

i

b

b

a

a

im 

i

b

a

i

b

a

im 

z

z

im 

2

1

2

1

2

2

1

1

2

1

2

1

2

1

im z

im z

b

b

+

=

+

=

.

Twierdzenie 23.

 

[6]

Dla dowolnej liczby zespolonej 

z

 mamy 

z

re z 

 i 

z

im z 

.

Twierdzenie 24.

 

[6]

Dla dowolnych liczb zespolonych 

1

z

2

z

 mamy 

2

1

2

1

z

z

z

z

+

+

.

Dowód.

 

Mo

ż

emy zało

ż

y

ć

ż

0

2

1

+

z

z

.

Wtedy 

2

1

2

2

1

1

2

1

2

1

1

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

+

+

+

=

+

+

=

, wi

ę

c zgodnie z twierdzeniem 22





+

+





+

=





+

+

+

=

2

1

2

2

1

1

2

1

2

2

1

1

1

z

z

z

re 

z

z

z

re 

z

z

z

z

z

z

re 

i na mocy wniosku 18   





+

+





+

2

1

2

2

1

1

z

z

z

re 

z

z

z

re 

2

1

2

2

1

1

2

1

2

2

1

1

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

+

+

+

=

+

+

+

,

2

1

2

2

1

1

1

z

z

z

z

z

z

+

+

+

,

2

1

2

1

z

z

z

z

+

+

.

Twierdzenie 25.

 

[6]

Dla dowolnych liczb zespolonych 

1

z

2

z

 mamy 

2

1

2

1

z

z

 

z

z

 

+

.

Dowód.

 

(

)

(

)

2

2

1

2

2

1

1

z

z

z

z

z

z

z

+

+

+

=

. Na mocy twierdzenia 24 mamy

background image

http://chomikuj.pl/aligatorro

14

(

)

2

2

1

2

2

1

z

z

z

z

z

z

+

+

+

+

.

St

ą

2

2

1

1

z

z

z

z

+

+

,

2

1

2

1

z

z

z

z

+

.

Podobnie 

(

)

(

)

1

2

1

1

2

1

1

2

1

2

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

+

+

+

+

+

=

,

2

1

1

2

z

z

z

z

+

,

(

)

2

1

2

1

z

z

z

z

+

,

 

z

z

 

z

z

2

1

2

1

+

.

§ 7.

  Sprzężenie liczby zespolonej

Definicja 6.

 

   [6]

Niech 

bi

a

z

+

=

. Liczb

ę

 

bi

a

z

=

 nazywamy liczb

ą

 sprz

ęż

on

ą

 do 

z

.

Wniosek 26.

 

    [6]

Je

ż

eli 

C

z

z

2

1

,

 i 

0

2

z

, to 

2

2

2

1

2

1

z

z

z

z

z

=

.

Dowód.

 

2

2

2

1

2

2

2

1

2

1

z

z

z

z

z

z

z

z

z

=

=

 dla 

0

2

z

.

Przykład 1.

 

  [1]

Dane s

ą

 liczby 

i

z

3

2

1

+

=

,

i

z

=

1

2

.

Obliczymy 

2

1

z

+

2

1

z

2

1

z

z

2

1

z

z

.

Mamy 

(

) (

)

i

i

i

i

i

z

z

2

3

3

1

2

1

3

2

2

1

+

=

+

+

=

+

+

=

+

;

(

) (

) (

)

i

i

i

i

i

z

z

4

1

3

1

2

1

3

2

2

1

+

=

+

+

=

+

=

;

background image

http://chomikuj.pl/aligatorro

15

(

)(

)

i

i

i

i

i

z

z

+

=

+

+

=

+

=

5

3

1

3

2

1

2

1

3

2

2

1

o

o

;

(

)(

)

(

)(

)

i

i

i

i

i

i

z

z

z

z

z

z

2

5

2

1

2

5

1

1

1

1

3

2

2

2

2

1

2

1

+

=

+

=

+

+

+

=

=

.

Twierdzenie 27.

 

 [6]

Dla dowolnej liczby zespolonej 

spełnione jest równanie

z

=

.

Dowód.

 

(

)

z

b

a

i

b

a

bi

a

z

=

+

=

+

=

=

2

2

.

Twierdzenie 28.

 

 [6]

Dla dowolnej liczby zespolonej 

zachodzi równo

ść

 

( )

z

=

.

Dowód.

 

( ) (

)

(

)

z

bi

a

i

b

a

bi

a

z

=

+

=

=

=

 

.

Twierdzenie 29.

 

 [6]

Dla dowolnych liczb zespolonych 

1

z

2

z

 mamy:

1. 

(

)

2

1

2

1

z

z

z

z

+

=

+

.

2. 

(

)

2

1

2

1

z

z

z

z

=

.

3. 

(

)

2

1

2

1

z

z

z

z

=

.

Dowód.

 

Niech 

i

b

a

z

1

1

1

+

=

i

b

a

z

2

2

2

+

=

.

1. 

(

) (

)

(

) (

)

=

+

+

+

=

+

+

+

=

+

i

b

b

a

a

i

b

a

i

b

a

z

z

2

1

2

1

2

2

1

1

2

1

(

) (

)

=

+

=

+

+

=

i

b

i

b

a

a

i

b

b

a

a

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

2

1

1

z

z

i

b

a

i

b

a

+

=

+

=

.

2. 

(

)(

)

=

+

+

=

+

+

=

2

1

1

2

2

1

2

1

2

2

1

1

2

1

b

b

i

b

a

i

b

a

a

a

i

b

a

i

b

a

z

z

(

) (

)

(

) (

)

=

+

=

+

=

i

b

a

a

b

b

b

a

a

i

b

a

b

a

b

b

a

a

 

 

2

1

2

1

2

1

2

1

1

2

2

1

2

1

2

1

background image

http://chomikuj.pl/aligatorro

16

(

)(

)

2

1

2

2

1

1

z

z

i

b

a

i

b

a

=

=

.

3. 

(

) (

) (

) (

)

=

+

=

+

+

=

i

b

b

a

a

i

b

a

i

b

a

z

z

2

1

2

1

2

2

1

1

2

1

(

) (

)

=

+

=

=

i

b

i

b

a

a

i

b

b

a

a

2

1

2

1

2

1

2

1

(

) (

)

2

1

2

2

1

1

2

2

1

1

z

z

i

b

a

i

b

a

i

b

a

i

b

a

=

=

+

=

.