background image

12. Liczby zespolone 

 
12.1. Równanie kwadratowe – przykład motywacyjny 

 

Równanie  kwadratowe 

0

2

=

+

+

c

bx

ax

,  w  przypadku,  gdy 

ac

b

4

2

=

  >  0,  ma  dwa  różne 

pierwiastki 

x

1

 , 

x

2

 i można je przedstawić w postaci 

0

)

)(

(

2

1

=

x

x

x

x

a

, gdzie  

 

                                            

a

a

b

x

2

2

1

=

     i     

a

a

b

x

2

2

1

+

=

.                                      (1) 

 

Jeśli  = 0, to równanie kwadratowe ma pierwiastek podwójny  x

1

 i można je przedstawić  w 

postaci 

0

)

(

2

1

=

x

x

a

, gdzie 

a

b

x

2

1

=

Jeśli  < 0, to równanie kwadratowe nie ma pierwiastków rzeczywistych.  
 
Rozwiązanie  równania  kwadratowego  (i  również  równań  trzeciego  i  czwartego  stopnia)  w 
ogólnym  przypadku  byłoby  możliwe,  gdyby  istniały  pierwiastki  parzystego  stopnia  z  liczb 
ujemnych. W tym celu rozszerzono zbiór liczb rzeczywistych przez wprowadzenie tzw. 

liczb 

zespolonych, których szczególnym przypadkiem są liczby rzeczywiste.  
 
12.2. Z historii liczb zespolonych 

Najwcześniejsze  wzmianki  o  pierwiastkach  kwadratowych  liczb  ujemnych  znalazły  się  w 
pracy  Herona  z  Aleksandrii  z  I  wieku  n.e.  Dopiero  w  XVI  wieku  pierwiastki  takie  stały  się 
naprawdę  istotne,  kiedy  odkryto,  że  ogólne  wzory  na  rozwiązania  równań  trzeciego  i 
czwartego stopnia dają się łatwo wyprowadzić, tylko jeśli dopuścimy pierwiastki kwadratowe 
z liczb ujemnych (wzory Cardano 1545 r.). 

Było to zaskakujące dla ówczesnych matematyków. Termin 

liczby urojone (łac. imaginaris

wprowadził  Kartezjusz  (1637),  który  chciał  zaakcentować  ich  "nierzeczywistość"  w  odróż-
nieniu  od  dobrze  znanych  liczb  „istniejących  w  rzeczywistości”  (rzeczywistych,  łac.  realis). 

Kolejne  zamieszanie  wprowadziła  równość 

1

1

)

1

(

)

1

(

1

1

)

1

(

1

2

=

=

=

=

=

która jest sprzeczna i niezgodna z zależnością

ab

b

a

=

, prawdziwą dla dodatnich liczb 

rzeczywistych.  W  końcu  Kartezjusz  wprowadził symbol 

1

=

i

  i  zdefiniował  liczbę  i  jako 

1

2

=

i

 . 

Istnienie  liczb  zespolonych  nie  zostało  powszechnie  zaakceptowane  aż  do  powstania  ich 
geometrycznej interpretacji jako płaszczyzny zespolonej Gaussa (1799).  

12.3. Definicja liczby zespolonej  
 
Liczba zespolona z ma postać 

 

bi

a

z

+

=

 

 gdzie a oraz b są liczbami rzeczywistymi, a symbol i nazywamy 

jednostką urojoną.  

 

Liczby rzeczywiste są włączone do zbioru liczb zespolonych przez umowę 

 

i

a

a

0

+

=

background image

 

Liczbę postaci 

bi

+

0

 zapisujemy krócej  bi  i nazywamy 

liczbą urojoną tj.  

 

bi

bi

+

=

0

 

a w szczególności umawiamy się, że  

 

i

i

i

1

0

1

+

=

=

 

Jeśli 

bi

a

z

+

=

, to 

a nazywamy częścią rzeczywistą, a b – częścią urojoną liczby zespolonej 

z, co zapisujemy

z

a

Re

=

 oraz 

z

b

Im

=

 

Dwie  liczby  zespolone  są  równe  wtedy  i  tylko  wtedy,  gdy  mają  równe  części  rzeczywiste  i 
równe części urojone, zatem równość 

di

c

bi

a

+

=

+

 oznacza, że 

c

a

=

 oraz 

d

b

=

 

Liczba zespolona 

bi

a

z

+

=

 równa się zeru wtedy i tylko wtedy, gdy 

a = 0 oraz b = 0. 

 
12.4. Działania na liczbach zespolonych 

 

Działania na liczbach zespolonych określamy następującymi wzorami: 

 

                                              

i

d

b

c

a

di

c

bi

a

)

(

)

(

)

(

)

(

+

+

+

=

+

+

+

,                                        (2) 

 

                                              

i

d

b

c

a

di

c

bi

a

)

(

)

(

)

(

)

(

+

=

+

+

,                                        (3) 

 

                                            

i

bc

ad

bd

ac

di

c

bi

a

)

(

)

(

)

)(

(

+

+

=

+

+

,                                      (4) 

 

                                                      

i

d

c

ad

bc

d

c

bd

ac

di

c

bi

a

2

2

2

2

+

+

+

+

=

+

+

.                                             (5) 

 

Dla  tak  określonych  działań  obowiązują  zwykłe  prawa  algebry,  tzn.  prawa  łączności,  prze-
mienności i rozdzielności.  

 

Iloczyn  liczb  zespolonych 

0

...

=

w

c

b

a

  wtedy  i  tylko  wtedy,  gdy  przynajmniej  jeden  z 

czynników 

w

c

b

a

,...,

,

,

 jest równy zeru.  

 
Z warunku (4) wynika  

 

1

)

0

0

(

)

1

0

(

)

1

0

)(

1

0

(

2

=

+

+

=

+

+

=

i

i

i

i

Stąd 

i

i

i

i

=

=

2

3

,     

1

2

2

4

=

=

i

i

i

     itd. 

oraz   

1

1

2

=

i

,  

1

1

4

=

i

,   

i

i

i

i

=

=

2

1

,   

i

i

i

i

=

=

4

3

1

  itd.    

 

Praktycznie można wykonywać działania na liczbach zespolonych, traktując je jako dwumia-
ny i pamiętając, że 

1

2

=

i

 

Liczby 

bi

a

z

+

=

bi

a

z

=

 nazywamy liczbami 

sprzężonymi. Dla liczb sprzężonych mamy 

 

a

bi

a

bi

a

2

)

(

)

(

=

+

+

 

2

2

)

)(

(

b

a

bi

a

bi

a

+

=

+

background image

 

Korzystając z pojęcia liczb sprzężonych dzielenie liczb zespolonych można wykonać mnożąc 
licznik i mianownik przez liczbę sprzężoną do mianownika 

 

i

d

c

ad

bc

d

c

ad

bc

di

c

di

c

di

c

bi

a

di

c

bi

a

2

2

2

2

)

)(

(

)

)(

(

+

+

+

=

+

+

=

+

+

 

Modułem lub wartością bezwzględną liczby zespolonej 

bi

a

z

+

=

 nazywamy liczbę 

2

2

b

a

z

+

=

. Można również napisać 

z

z

z

=

 lub  

z

z

z

=

2

 

 

Przykłady. 

 

1. 

i

i

i

i

i

2

8

2

5

4

3

)

2

5

(

)

4

3

(

+

=

+

+

=

+

+

 

 

2. 

i

i

i

i

i

4

2

5

2

4

)

5

2

(

)

4

(

=

+

=

+

+

 

 

3. 

i

i

i

i

i

i

i

17

6

12

17

6

12

8

9

6

)

4

3

)(

3

2

(

2

+

=

+

=

+

+

+

=

+

+

 

 

4. 

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

25

1

25

18

25

18

9

16

6

12

9

16

6

9

8

12

3

4

3

4

3

4

2

3

3

4

2

3

2

2

=

=

+

+

=

+

=

+

+

=

+

+

 

 

5. 

i

i

i

i

12

5

9

12

4

)

3

2

(

2

2

+

=

+

=

 

 
12.5. Równanie kwadratowe o wyróżniku ujemnym 

 

Jeśli w równaniu kwadratowym 

0

2

=

+

+

c

bx

ax

 wyróżnik  jest ujemny, tj.

ac

b

4

2

=

 < 0, 

to 

i

=

 i wzory (1) można napisać w postaci 

 

i

a

a

b

x

2

2

1

=

     i     

i

a

a

b

x

2

2

1

+

=

 

Widać, że pierwiastki równania kwadratowego są liczbami zespolonymi sprzężonymi. 

 

Przez podstawienie można sprawdzić, że 

c

bx

ax

x

x

x

x

a

+

+

=

2

2

1

)

)(

(

 

   

=



+



+

+

=

i

a

a

b

x

i

a

a

b

x

a

x

x

x

x

a

2

2

2

2

)

)(

(

2

1

 

 

                          

=

+

+

+

=





+

+



+

=

2

2

2

2

2

4

4

2

2

2

2

a

a

b

x

a

b

x

a

i

a

a

b

x

a

a

b

x

a

 

 

                              

c

bx

ax

a

ac

b

a

b

bx

ax

+

+

=

+

+

=

2

2

2

2

4

4

4

 

Przykład. Równanie 

0

5

2

2

=

+

x

x

ma wyróżnik  = 4 – 20= –16 < 0, zatem jego pierwiast-

kami są 
 

i

i

x

2

1

2

16

2

2

1

=

=

  oraz  

i

x

2

1

2

+

=

 

Równanie to można również zapisać w postaci 

0

)

2

1

)(

2

1

(

=

+

i

x

i

x

background image

 

12.6. Interpretacja geometryczna liczb zespolonych 
 
Liczbę zespoloną 

bi

a

z

+

=

 można interpretować jako punkt o współrzędnych x = a, y = b  na 

płaszczyźnie xy  

 

 

 

Płaszczyzna Gaussa. Liczby zespolone sprzężone 

 

Płaszczyznę, której punktom przypisano liczby zespolone nazywamy płaszczyzną Gaussa.  

 

Liczbę  zespoloną 

bi

a

z

+

=

  można  też  interpretować  jako  wektor  o  początku  w  punkcie  0  i 

końcu  w  punkcie 

)

,

b

a

.  Wtedy  dodawanie  liczb  zespolonych  jest  równoważne  dodawaniu 

wektorów.  

 

 

Liczby zespolone jako wektory 

 

12.7. Przedstawienie trygonometryczne liczb zespolonych 

 

Dla danej liczby zespolonej 

bi

a

z

+

=

 oznaczamy 

ϕ

cos

z

a

=

,  

ϕ

sin

z

b

=

, gdzie  

 

2

2

cos

b

a

a

z

a

+

=

=

ϕ

,         

2

2

sin

b

a

b

z

b

+

=

=

ϕ

 

Wtedy  
                                                         

)

sin

(cos

ϕ

ϕ

i

z

z

+

=

.                                                      (6)

 

 

Jest to postać trygonometryczna liczby zespolonej. 

= a + ib  

ib

a

z

=

 

a + 

b + 

a + ib  

id  

(c) + i(b + d ) 

background image

 

 

Trygonometryczna postać liczby zespolonej 

bi

a

z

+

=

 

 

Kąt φ nazywamy argumentem liczby zespolonej 

)

sin

(cos

ϕ

ϕ

i

z

z

+

=

 i oznaczamy φ = Arg z

Jeśli φ jest argumentem liczby zespolonej z, to także każda liczba φ +2 jest argumentem tej 
liczby zespolonej. Wartość argumentu spełniająca warunek  0 ≤ φ ≤ 2π nazywamy wartością 
główną argumentu
. Argumentem liczby 0 jest każda liczba rzeczywista φ
 
Przykład. Wyznaczyć postać trygonometryczną liczby 

i

z

=

1

.  

 

Rozwiązanie. Moduł liczby 

z jest równy 

2

1

1

2

2

=

+

=

z

. Ponadto 

 

2

1

cos

=

ϕ

,  

2

1

sin

=

ϕ

 

Kąt φ spełniający powyższe równości jest równy 

π

ϕ

4

1

=

. Przedstawienie trygonometrycz-

ne liczby 

i

z

=

1

 jest następujące:  

+

=

=

π

π

4

1

sin

4

1

cos

2

1

i

i

z

 
 

12.8. Wykładnicza postać liczby zespolonej 
 
Mając rozwinięcie w szereg funkcji wykładniczej 

x

e

 

...

!

...

!

3

!

2

!

1

1

3

2

+

+

+

+

+

+

=

n

x

x

x

x

e

n

x

 

 
definiujemy funkcję wykładniczą argumentu urojonego 

xi

e

 

 

                                          

...

!

)

(

...

!

3

)

(

!

2

)

(

!

1

1

3

2

+

+

+

+

+

+

=

n

xi

xi

xi

xi

e

n

xi

                                     (7) 

 

Wstawiając do (7) wyrażenia 

1

2

=

i

i

i

=

3

1

4

=

i

 itd. i łącząc wyrazy rzeczywiste i urojo-

ne w dwie grupy, otrzymamy  

φ

 

)

sin

(cos

ϕ

ϕ

i

z

+

 

z

background image

 





+

+

+





+

+

=

...

!

7

!

5

!

3

!

1

...

!

8

!

6

!

4

!

2

1

7

5

3

8

6

4

2

x

x

x

x

i

x

x

x

x

e

xi

 

Wyrażenia w nawiasach są rozwinięciami funkcji 

x

cos

 oraz 

x

sin , zatem 

 

                                                           

x

i

x

e

xi

sin

cos

+

=

.                                                        (8) 

 
Ze wzorów (6) i (8) wynika, że każdą liczbę zespoloną można przedstawić w postaci wykład-
niczej 
 
                                                     

i

e

z

i

z

z

ϕ

ϕ

ϕ

=

+

=

)

sin

(cos

,                                               (9) 

 

gdzie φ = Arg 

z.  

Funkcję wykładniczą dowolnego argumentu zespolonego 

yi

x

z

+

=

 określamy wzorem 

 

                                             

)

sin

(cos

y

i

y

e

e

e

e

e

x

yi

x

yi

x

z

+

=

=

=

+

.                                       (10) 

 

Ze wzoru (8) mamy 

 

( )

nx

i

nx

e

e

x

i

x

nxi

n

xi

n

sin

cos

)

sin

(cos

+

=

=

=

+

 

Stąd otrzymujemy ważny dla zastosowań 

wzór Moivre’a  

 

                                                

nx

i

nx

x

i

x

n

sin

cos

)

sin

(cos

+

=

+

.                                         (11) 

 
Przykład. Wyrazić funkcje 

x

3

sin

 oraz  

x

3

cos

 przez funkcje 

x

sin  oraz 

x

cos

 
Rozwiązanie. Stosując wzór Moivre’a mamy 
 

=

+

+

+

=

+

=

+

x

i

x

x

i

x

x

i

x

x

i

x

x

i

x

3

3

2

2

2

3

3

sin

sin

cos

3

sin

cos

3

cos

)

sin

(cos

3

sin

3

cos

 

 

)

sin

sin

cos

3

(

)

sin

cos

3

(cos

sin

sin

cos

3

sin

cos

3

cos

3

2

2

3

3

2

2

3

x

x

x

i

x

x

x

x

i

x

x

x

x

i

x

+

=

+

=

 

 

Porównując części rzeczywiste i urojone podkreślonych wyrażeń mamy wzory 
 

x

x

x

x

3

2

sin

sin

cos

3

3

sin

=

 

x

x

x

x

2

3

sin

cos

3

cos

3

cos

=

 

Przykład. Stosując wzór (8) można wyprowadzić wzory dla 

)

sin(

y

x

+

 oraz  

)

cos(

y

x

+

 

=

+

+

=

=

=

+

+

+

+

)

sin

)(cos

sin

(cos

)

sin(

)

cos(

)

(

y

i

y

x

i

x

e

e

e

y

x

i

y

x

i

y

i

x

i

y

x

 

 

)

cos

sin

cos

(sin

)

sin

sin

cos

(cos

x

y

y

x

i

y

x

y

x

+

+

=

 

Porównując części rzeczywiste i urojone podkreślonych wyrażeń mamy 

 

y

x

y

x

y

x

sin

sin

cos

cos

)

cos(

=

+

,    

x

y

y

x

y

x

cos

sin

cos

sin

)

sin(

+

=

+

background image

 

Analogicznie wyprowadzamy wzory dla 

)

sin(

y

x

 oraz  

)

cos(

y

x

 

=

+

+

=

=

=

=

+

y

i

y

x

i

x

e

e

e

e

e

y

x

i

y

x

i

y

i

x

i

y

i

x

i

y

x

sin

cos

sin

cos

)

sin(

)

cos(

)

(

 

 

=

+

+

+

=

+

+

=

y

y

y

x

y

x

i

y

x

y

x

y

i

y

y

i

y

y

i

y

x

i

x

2

2

cos

sin

)

sin

cos

cos

(sin

sin

sin

cos

cos

)

sin

)(cos

sin

(cos

)

sin

)(cos

sin

(cos

 

 

)

sin

cos

cos

(sin

sin

sin

cos

cos

y

x

y

x

i

y

x

y

x

+

+

=

 

Porównując części rzeczywiste i urojone podkreślonych wyrażeń mamy 

 

y

x

y

x

y

x

sin

sin

cos

cos

)

cos(

=

,    

x

y

y

x

y

x

cos

sin

cos

sin

)

sin(

+

=

 
 
Przykład. Wykonać działanie 

+

+

π

π

π

π

20

11

sin

20

11

cos

25

5

4

sin

5

4

cos

100

i

i

 

Rozwiązanie.  Liczby  zespolone  w  liczniku  i  w  mianowniku  przedstawiamy  w  postaci  wy-
kładniczej.  

=

=

=

=

=

+

+

i

i

i

i

i

i

e

e

e

e

e

i

i

π

π

π

π

π

π

π

π

π

π

4

1

20

5

20

11

5

4

20

11

5

4

4

4

4

25

100

20

11

sin

20

11

cos

25

5

4

sin

5

4

cos

100

 

 

)

1

(

2

2

2

2

2

2

4

4

1

sin

4

1

cos

4

i

i

i

+

=



+

=

+

=

π

π

 

Przykład. Obliczyć 

100

)

1

(

i

+

.  

 

Rozwiązanie. Dla liczby zespolonej 1 + i mamy a = 1, b = 1, zatem 

2

=

z

 oraz  

2

1

cos

=

ϕ

,  

2

1

sin

=

ϕ

. Stąd 

π

ϕ

4

1

=

. Liczba 1 + 

i ma postać trygonometryczną 

+

=

+

π

π

4

1

sin

4

1

cos

2

1

i

i

 

Stosując wzór Moivre’a mamy  
 

=

+

=

+

=

+

π

π

π

π

4

100

sin

4

100

cos

2

4

1

sin

4

1

cos

2

)

1

(

50

100

100

i

i

i

 

 

50

50

50

2

)

0

1

(

2

)

25

sin

25

(cos

2

=

+

=

+

=

i

i

π

π