liczby zespolone teoria, Matematyka


Liczby zespolone - teoria

Historia liczb zespolonych

Wiek XVI, który dał początek współczesnemu rozwojowi nauki, zaznaczył się silnym rozwojem algebry. Między innymi zostały w tym czasie podane wzory wyrażające pierwiastki równań stopni 3 i 4 przez współczynniki tych równań za pomocą pierwiastków drugiego i trzeciego stopnia.

Wówczas pojawiło się zjawisko paradoksalne: Rozwiązać można tymi wzorami równanie stopnia trzeciego, które ma trzy różne pierwiastki rzeczywiste, tylko wtedy, gdy umie się obliczyć 0x01 graphic
. Oczywiście w zakresie liczb do tego okresu znanych pierwiastek kwadratowy z -1 nie istniał. Nie kłopocząc się tym zbytnio, niektórzy z matematyków założyli jego istnienie i nazwali go liczbą urojoną, a poprzednio znane liczby nazwali rzeczywistymi.

Wprowadzenie tych liczb w wieku XVI nie miało żadnego uzasadnienia logicznego, ani oparcia o bezpośrednią intuicję kierowaną przez zjawiska przyrodnicze. Wskutek tego powstały kontrowersje między matematykami, z których jedni używali tych liczb bez skrępowania, inni zaś zaprzeczali ich istnieniu.

Zwolennicy istnienia tych liczb działali nimi tak jak liczbami rzeczywistymi, dodając, odejmując, mnożąc i dzieląc. Oznaczali 0x01 graphic
przez i przyjmując , że 0x01 graphic
.

Swobodnie dodając i mnożąc liczby rzeczywiste i "urojone" tworzyli nowe "liczby" a+bi, które dziś nazywamy liczbami zespolonymi.

Arytmetyka tych liczb nie doprowadziła do sprzeczności. W 1748 roku Euler wprowadził je do analizy w swym fundamentalnym dziele "Introductio in analysin infinitorum", nie tylko nie dochodząc do sprzeczności, lecz powodując tym istotny postęp analizy.

Wkrótce stało się jasne, że liczby zespolone - mimo że brak im uzasadnienia logicznego - są jednym z najważniejszych narzędzi matematycznych dla badań zjawisk przyrodniczych, wskutek czego używanie ich jest w tej samej mierze słuszne, co używanie liczb rzeczywistych.

Początek wieku XIX zdarł wszelką mistykę z tych liczb, gdyż przyniósł ściśle ich uzasadnienie. Pierwsze z nich - Gaussa - wykazało, że liczby zespolone są to właściwie punkty płaszczyzny euklidesowej, w której wprowadzono pewne działania zwane dodawaniem i mnożeniem punktów czyli liczb zespolonych. Drugie uzasadnienie - Hamiltona - wprowadza liczby zespolone jako pary liczb rzeczywistych, z tym że określa się specjalny sposób mnożenia i dodawania par.

Z całej mistyki pozostała używana jeszcze do dziś nazwa liczby urojone, lecz w istocie rzeczy, są one równie rzeczywiste jak liczby rzeczywiste.

Obecnie liczby zespolone są codziennym narzędziem nie tylko matematyka czy fizyka zajmującego się działami teoretycznymi, lecz również inżyniera, któremu oddają ogromne korzyści w elektrotechnice, aerodynamice itd..

Liczby zespolone i ich interpretacja geometryczna

Liczbą zespoloną nazywamy parę uporządkowaną liczb rzeczywistych (a,b). Często taka parę zapisuje się w postaci sumy

0x01 graphic
, gdzie 0x01 graphic
.

Tą postać liczby zespolonej nazywamy postacią kanoniczną. Liczbę (rzeczywistą) a nazywamy częścią rzeczywistą, zaś liczbę b częścią urojoną liczby zespolonej z. Część rzeczywista oznaczamy Re z, a część urojoną symbolem Im z, mamy więc:

Re z = a
Im z = b.

Liczby zespolone postaci a + 0i zapisujemy jako a i utożsamiamy z liczbami rzeczywistymi. Liczba zespolona jest równa zero, wtedy i tylko wtedy, gdy Re z = 0 i Im z = 0. Zauważmy również, że kolejność liter w zapisie 0x01 graphic
nie gra roli:

a + bi = a + ib = bi + a = ib + a.

Liczby zespolone interpretujemy geometrycznie jako punkty płaszczyzny. Liczbie zespolonej a + bi odpowiada punkt o współrzędnych (a,b) płaszczyzny zaopatrzonej w prostokątny układ współrzędnych. Punktom osi OX odpowiadają liczby rzeczywiste. Płaszczyznę, na której umieściliśmy liczby zespolone, nazywamy płaszczyzną Gaussa.

0x01 graphic

Liczbą przeciwną do 0x01 graphic
nazywamy

0x01 graphic
.

Natomiast liczbę

0x01 graphic

nazywamy liczbą sprzężoną do z lub sprzężeniem liczby z. Zauważmy, że podwójne sprzężenie liczby z jest równe dokładnie liczbie z.

0x01 graphic

Natomiast modułem liczby zespolonej 0x01 graphic
nazywamy liczbę

0x01 graphic

Istniej pewien związek między modułem liczby z a jej sprzężeniem 0x01 graphic
:

0x01 graphic

Działania na liczbach zespolonych

Niech teraz 0x01 graphic
, 0x01 graphic
. Liczby zespolone są równe, gdy mają jednakowe zarówno części rzeczywiste i części urojone:

0x01 graphic

Dodajemy, odejmujemy i mnożymy liczby zespolone tak, jak wyrażenia algebraiczne pamiętając, że 0x01 graphic
. Tak więc:

0x01 graphic

Trochę trudniej jest z dzieleniem, a dokładniej do doprowadzenia ilorazu do postaci Re z + Im z i. Zastosujemy tu wzór:

0x01 graphic

Obliczmy teraz iloraz 0x01 graphic
oczywiście zakładając, że 0x01 graphic
:

0x01 graphic

Działania arytmetyczne na liczbach zespolonych są rozszerzeniem działań na liczbach rzeczywistych, tzn. w przypadku liczb rzeczywistych jest obojętne czy np. mnożymy je jako liczby rzeczywiste czy zespolone z częścią urojoną równą zero. (Powyższe wzory można przyjąć za definicję działań.) Wynika z nich, że działania dodawania i mnożenia liczb zespolonych są łączne i przemienne oraz mnożenie jest rozdzielne względem dodawania. Zachowane są również znane własności odejmowania i dzielenia. Powyższe stwierdzenia powodują, że dla liczb zespolonych prawdziwe są wzory skróconego mnożenia, wzór dwumianowy Newtona, twierdzenie Bezout itd.. Nie określamy natomiast nierówności liczb zespolonych innych niż rzeczywiste. Więc mówiąc, że liczba jest dodatnia nie musimy dodawać, że jest ona rzeczywista.

Postać trygonometryczna liczby zespolonej

Liczbę zespoloną możemy przedstawić w postaci trygonometrycznej:

0x01 graphic
, gdzie 0x01 graphic

Liczbę 0x01 graphic
nazywamy modułem 0x01 graphic
, a kąt skierowany 0x01 graphic
(dokładniej jego miarę) argumentem liczby 0x01 graphic
i oznaczamy arg z. Wartość argumentu liczby z czyli 0x01 graphic
określamy na podstawie wartości funkcji cosinus i sinus dla 0x01 graphic
, które są dane wzorami:

0x01 graphic
i 0x01 graphic
.

Ta postać liczby zespolonej także ma interpretację geometryczną:

0x01 graphic

Wygodniej jest nie ograniczać zakresu zmienności argumentu 0x01 graphic
, ale tracimy przez to jednoznaczność. Liczbie zespolonej różnej od zera odpowiada nieskończenie wiele argumentów. Jeżeli 0x01 graphic
jest argumentem liczby 0x01 graphic
, to każdy inny argument tej liczby wyraża się wzorem

0x01 graphic
, gdzie k jest liczbą całkowitą.

Dwie liczby zespolone są sobie równe, wtedy i tylko, gdy mają równe moduły i argumenty różniące się o całkowitą wielokrotność liczby 0x01 graphic
. Jeżeli 0x01 graphic
to nazywamy argumentem głównym i oznaczamy Arg 0x01 graphic
.(Niektóre podręczniki nieco inaczej definiują argument główny: Argumentem głównym nazywają 0x01 graphic
, gdy 0x01 graphic
.)

Trygonometryczna postać liczby zespolonej bardzo ułatwia mnożenie i dzielenie, natomiast niezbyt nadaje się do dodawania i odejmowania.
Jeżeli 0x01 graphic
i 0x01 graphic
, to

0x01 graphic

0x01 graphic
, gdzie 0x01 graphic
.

Potęga i pierwiastek z liczby zespolonej

Postać trygonometryczna liczby zespolonej jest również wykorzystywana do liczenia potęg i pierwiastków liczb zespolonych. Gdy weźmiemy wzór na mnożenie liczb zespolonych w postaci trygonometrycznej dla 0x01 graphic
i rozszerzymy na dowolną ilość liczb zespolonych, to otrzymamy wzór na n-tą potęgę liczby zespolonej zwany wzorem Moivre'a:

0x01 graphic
.

Natomiast pierwiastki z liczby zespolonej są dane wzorem:

0x01 graphic
, gdzie 0x01 graphic
.

Zauważmy, że liczba różnych pierwiastków liczby 0x01 graphic
jest równa dokładnie stopniowi pierwiastka, który liczymy. Są to pierwiastki dla 0x01 graphic
. Możemy liczyć wartości pierwiastków dla innych całkowitych k, ale otrzymamy wtedy wartości, które już wyliczyliśmy dla 0x01 graphic
.

Jeżeli się przyglądniemy wartościom pierwiastków liczby zespolonej, to zauważymy, że ich moduły są takie same i argumenty różnią się o wielokrotność 0x01 graphic
. Z tej obserwacji wnioskujemy, że pierwiastki leżą na jednym okręgu o środku w punkcie 0 i promieniu równym modułowi pierwiastka oraz że pierwiastki dzielą okręg na n równych części. Jest to bardzo użyteczny wniosek przy zaznaczaniu pierwiastków na płaszczyźnie Gaussa, ponieważ wystarczy narysować okręg o promieniu 0x01 graphic
, policzyć i zaznaczyć jeden pierwiastek danej liczby oraz podzielić okrąg na n równych części tak, aby policzony pierwiastek był jednym z punktów podziału. W ten sposób otrzymujemy wszystkie pierwiastki liczby 0x01 graphic
.

0x01 graphic

Pierwiastki szóstego stopnia z 1 - x0 ... x5.

Rozwiązywanie równań w zbiorze liczb zespolonych

Zasadnicze twierdzenie algebry
W zbiorze liczb zespolonych każdy wielomian stopnia n posiada dokładnie n pierwiastków (licząc z krotnościami pierwiastków) i rozkłada się na iloczyn wielomianów stopnia pierwszego.

W zbiorze liczb rzeczywistych mogliśmy rozłożyć wielomian na czynniki stopnia pierwszego i na nierozkładalne czynniki stopnia drugiego. Stąd też wynika, że w zbiorze liczb rzeczywistych wiemy tylko, że pierwiastków jest conajwyżej n. Wnioskiem z zasadniczego twierdzenia algebry jest fakt, że w zbiorze liczb zespolonych nie ma nierozkładalnych wielomianów stopnia drugiego. I rzeczywiście: gdy wyróżnik jest większy lub równy 0, to nic się nie zmienia, natomiast gdy wyróżnik jest mniejszy od zera, to istnieją dwa różne pierwiastki.

Postępujemy w następujący sposób: Liczymy wyróżnik i jeżeli jest on mniejszy od zera, to liczymy pierwiastki z wyróżnika - wystarczy wybrać jeden z nich - i podstawiamy do wzoru na pierwiastki wielomianu.

Uwaga. W przypadku niektórych równań w których występuje moduł liczby z, warto liczbę z przedstawić w postaci 0x01 graphic
i rozwiązać równanie jako równanie z dwoma niewiadomymi.



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
liczby zespolone zadania, Matematyka
LICZBY ZESPOLONEee, Teoria Pola
Liczby zespolone, Matematyka
Matematyka (rok I i II), Zespolone, Liczby zespolone:
Matematyka - Liczby zespolone i Szeregi liczbowe, AM SZCZECIN, MATEMATYKA, Matematyka
Matematyka - pochodne + całki + liczby zespolone, STUDIA
liczby zespolone -- ogolna teoria
word, teoria na egz, LICZBY ZESPOLONE
Matematyka III (Ćw) Lista 01 Liczby zespolone Odpowiedzi
Matematyka (rok I i II), ZESPOLKI, Liczby zespolone:
Matematyka (rok I i II), SCIAGA, Liczby zespolone:
Liczby zespolon1, Matematyka

więcej podobnych podstron