background image

1

COMPLEX FUNCTIONS AND POLYNOMIALS

 

Lecture 3

background image

2

COMPLEX FUNCTIONS

EXTRA

background image

3

Definition  of  THE EXPONENTIAL FUNCTION   

f(z)= e

z

For    

z = x + iy  0

           

                                  e

z

 = e

x

 (cos y + i∙sin y).

1.The function

 e

z

 is periodic:

                                 

z+2ki

 = e

z

      for   k  

Integer

2. For a real number 

z = x

 , we obtain  

                              

e

z

 = e

( cos 0 + i sin 0) = e

x

 

    - the classical exponential function.

3. The modulus and the  argument:   

 

                      

|e

z

| = e

x

,         arg(e

z

) = y.

EXTRA

background image

4

2

1

2

1

z

z

z

z

e

e

e

1

.

2

1

2

1

z

z

z

z

e

e

e

2

.

1

e

3

0

.

,  

.

PROPERTIES OF THE EXPONENTIAL FUNCTION

Examples: 
                   1)   

-1·i = e

i

· e

i/2 

= e

i3/2 

= -i

2)   Find the real and imaginary parts of  

z = e

-i

 :

      e

-i 

=cos(-1) + i sin(-1) = 0.540 + i 

0.841
                                               (

in radians)

background image

5

                                          

The Logarithm

 

The logarithm of a complex variable is of form:          

f(z) = log z

        and  

it is the inverse of the exponential function, i.e.
we   want to  have    
                              

log( e

z

) = z    

and

     e

log z 

= z

Definition
  

z = r e

i 

  , r > 0   (z0)

                                 

log z = { lnr + i ( + 2k):  k  Z  }

The logarithm  

log z

  is not in the strict sense a function 

because the argument of a complex number is not uniquely defined

The logarithm has infinitely many branches: every fixed has one branch 
which is a function in the strict meaning of the word. 

EXTRA

background image

6

The main branch is a function:

                    

Log z = lnr + i∙Arg z   (r > 0),       π  

Arg z  ≤ π 

                    Log z = lnr + i∙        for    z = r e

i

 

PROPERTIES

Log (z

1

∙z

2

) = Logz

1

 + 

Logz

2

,

Log1 = 0,

e

Logz

 = z.

Examples:

2

i

 = ?

 

i

i  

= ?

EXTRA

background image

7

2 = e

Log2

  

 (the main branch  of the logarithm  

Log z

)

2

= e

i Log 2 = 

cos(ln2) + i sin (ln2) ≈ 0.769239.. + i 0.638961..

The multivalued logarithm:

log i = ln 1 + i arg i = 0 + i (2k + ½ )π,             k = 0, ±1, ±2, ±3, ... 

The main branch:

Log i = ln 1 + i Arg i = 0 + i π/2, 

 

i

= e

ii

 

Log i

 = e

i

 

i

 

π/2

  = e 

– π/2 

≈  

0.20788....

FIND 

2

i

FIND 

i

i

i

i

 = e

ii log i

 = e

i

 

i (2k + ½) π 

 = e

-(2k + ½) π

,      

k = 0, ±1, ±2, ±3, ... 

                                      

ALL 

i

 ARE REAL !!!!!

EXTRA

background image

8

For complex quantities THE RULE:  

(x y)

= x

a

 y

a

  doesn't  always 

apply for complex numbers.
    
Example;
                                        

(2 z + z

2

)

a  

≠  z

a

 (2 + z)

a

e.g.      

z = -3,  a = i      

(2 (-3) + (-3)

2

)

i

  ≠  (-3)

i

 (2 + (-3))

i

LHS

:  

(-6 + 9)

i  

= 3

i  

= e

iln3 

 0.454832.. + i 1.09861...

RHS

:  

(-3)

(2-3)

i

 = (-3)

(-1)

= (3e

)

(e

)

i  

= e

i Log(-3)  

e

-π 

= e

(ln3+iπ

) e

-π 

               e

iln3 

·

 

0.00186744..  0.000849374.. + i 

0.0016631... 

        
                                                   

LHS  RHS

CAUTION !!!

background image

9

POLYNOMIALS

background image

10

Definitions

 (i) A 

polynomial in z

 with real coefficients is the function W

n

(z)

 

of 

the form:
 
                                     W

n

(z) = a

n

z

+... + a

1

z + a

0

,

defined for zC, when nN. 

If a

n

 ≠ 0  and a

= 0 for  m>n  then  W

n

 is a polynomial  

of degree  

n,

 

and the number n is called the degree of the polynomial W

n

.

e.g.   W

(z) = 5 z

+ 1.05 z

3

 + 2 z

2

 – 7 z + 0.5 

 (ii) The complex number  x  is called 

the root

  (zero) of the 

polynomial W

n

(x)    

iff     W

n

(x) = 0,  which   means that

                                              a

n

 x

n

 +... +  a

1

x + a

0

 = 0.

background image

11

Example

a = -1 is the root of the polynomial   W(x) = 3x

5

 - 9x

2

 - 2

10,

because  W(-1) = 3(-1)

5

  9(-1)

2

  2(-1) + 10 = 0.

Please notice that polynomials 

do not always have real 

roots.
e.g.

                     

W(x) = x

2

 + 1       and      W(x) = x

4

+ x

2

 + 2 

 

The theorem of  Niels Abel and Evarist Galois tels us that there can 
be no general algorithm (finite and involving only arithmetical 
operations and radicals) to determine the roots of a polynomial of 
degree  n  5.

background image

12

POLYNOMIALS WITH INTEGER

COEFFICIENTS

background image

13

RATIONAL ROOT TEST

Consider a polynomial in x  R,  with only integer coefficients

                                                    f(x) = a

x

n

 + ... + a

o

The Rational Root Test tells you that if  the polynomial has a rational root x

R

 

then it must be a fraction   x

=

 

p

/

q

,

 where 

q

 is a factor of the leading coefficient a

n

 and 

p

 is a factor of the  constant a

o

.

p(x) = 2x

4

 − 11x

3

 − 6x

2

 + 64x + 32

The factors of the leading coefficient '2'  are 2 and 1   (the  q 's).
The factors of the constant term '32'    are 1, 2, 4, 8, 16, and 32   (the p 's). 

Therefore the possible rational roots are ±1, 2, 4, 8, 16, or 32 divided by 2 or 1:
±1/2, 1/1, 2/2, 2/1, 4/2, 4/1, 8/2, 8/1, 16/2, 16/1, 32/2, 32/1
reduced: ± ½, 1, 2, 4, 8, 16, 32

Example:

background image

14

Caution

1. Don’t make the Rational Root Test out to be more than it is.

2. It doesn’t say that those rational numbers are roots, just that no other 
rational
    numbers can be roots. 

3. And it doesn’t tell you anything about whether some irrational or even 
complex roots
    exist. 

4. The Rational Root Test is only a starting point

background image

15

POLYNOMIALS WITH COMPLEX COEFFICIENTS

background image

16

Theorem (dividing polynomials)

For every pair of polynomials Q(z) and P(z,) where the degree of  Q(z) > 0,
there exist polynomials S(z) and R(z) such that

                                          P(z) = S(z) ∙ Q(z) + R(z), 

for z  C and the degree of R is smaller that the degree of Q.

The polynomials S(z) and R(z) are uniquely determined by   Q(z) and P(z).  

Example:    (2x

+ 2x

- x

- 1) : (x

– x + 2) = (2x

+ 4x

- 9)(x

– x + 2) - 9x+17

background image

17

Theorem
Let the coeffincients of the polynomial   W(x)
                   W(z) = a

n

  z

n

  +  a

n-1

  z

n-1

  + ..... + a

0

,

be real and the  complex number  z

R

 = x + i y  be a root of 

it,

                                               W(z

R

) = 0,

then the conjugate of    z

= x - i y,  is also a root of this 

polynomial

                                               W( z

R  

) = 0

 

The Bezout Theorem

The value  a  is a root of the polynomial P(z) iff: 
                          P(z) = (z – a)S(z).

Thus the fact that a is  a root of the polynomial  P(z)
 is equivalent to the fact that  the binomial (z – a) divides P(z).

background image

18

Example
Let us assume that you know one of the roots        of the polynomial
l

,

)

(

10

z

10

z

7

z

2

z

z

W

2

3

4

.

i

5

z

1

which  is 

.

 

1

z

background image

19

Fundamental Theorem of Algebra

Every polynomial W

n

(z) of degree n  has exactly  n  complex roots 

(taking into account the multiplicity of the roots)

Conclusion I
If the degree of the  polynomial is odd, then it always has a real 
root. 

This is true because the number of 

complex roots is even, (they 

always appear in pairs          ), 

only real roots

 

can have an odd number.

)

,

z

z

Example

background image

20

Conclusion II

Let  z

1

,......,z

m

   be  all the roots of  W

n

(z) of order 

respectively  
k

1

, k

2

,......, k

m

  (k

1

+k

2

+......+k

m

 = n). 

Then:

m

2

1

k

m

k

2

k

1

n

z

z

z

z

z

z

z

W

)

(

)

(

)

(

)

(

monomials


Document Outline