Геометрическая интерпретация комплексных чисел

Любое комплексное число [latex] z=(a,b)[/latex] можно изобразить как точку на комплексной плоскости с координатами [latex]a[/latex] и [latex]b[/latex], где ось абсцисс называется вещественной, а ось ординат — мнимой.
Точка на плоскости

Определение 1:

Модулем комплексного числа называется корень суммы квадратов его действительной и мнимой частей. [latex]z=a+ib[/latex], [latex]|z|=\sqrt{a^2+b^2}=[/latex] [latex]\sqrt{(Re\;z)^{2}+(Im\;z)^{2}}[/latex],
[latex]|z|\ge 0,\; |z|= [/latex] [latex]0 \Leftrightarrow z=0.[/latex]

Определение 2:

Величина угла, который образует вектор изображающий данное число на комплексной плоскости с вещественной осью называется аргументом этого комплексного числа [latex](\arg z), z\ne 0.[/latex]
Угол, отсчитываемый от оси против часовой стрелки — отрицательный, по — положительный.
Углы, отличающиеся на [latex]2\pi k,k \in Z[/latex], соответствуют одному и тому же числу и записываются как:
[latex]\mathrm{Arg}\;z=[/latex] [latex]\arg z +2\pi k,k \in Z[/latex] , [latex]0\le \arg z < 2\pi[/latex].

Определение 3:

У комплексного числа существует тригонометрическая форма записи [latex]z=r(\cos \varphi + i\sin\varphi),[/latex] [latex] r=|z|.[/latex]

Примеры:

Найти геометрическое место точек (ГМТ):
  1. [latex]|z|\le 1[/latex]
  2. ex1

  3. [latex]|z+1|>1[/latex]

[latex]|z+1|=|x+iy+1|=[/latex] [latex]|(x+1)+iy|=[/latex] [latex]\sqrt{(x+1)^{2}+y{2}}=[/latex] [latex]\sqrt{(x+1)^{2}+(y+0)^{2}}>1[/latex]
ex2

Формула Муавра:

[latex]z^n=[/latex] [latex]r^n(\cos(n\varphi)+i\sin(n\varphi)).[/latex]

Лемма 1:

Для любых двух комлексных чисел [latex]z_1,z_2\;\in C[/latex] справедливо неравенство [latex]\left||z_1|-|z_2|\right|\le |z_1\pm z_2|[/latex] [latex]\le |z_1|+|z_2|[/latex]

Доказательство:

Пусть [latex]z_1\ne 0, z_2\ne 0[/latex],[latex]z_1=r_1(\cos\varphi_1+i\sin\varphi_1),[/latex] [latex]z_2=r_2(\cos\varphi_2+i\sin\varphi_2).[/latex]
[latex]|z_1+z_2|=[/latex] [latex]|r_1(\cos\varphi_1+i\sin\varphi_1)+r_2(\cos\varphi_2+i\sin\varphi_2)|=[/latex] [latex]|(r_1\cos\varphi_1+r_2\cos\varphi_2)+i(r_1\sin\varphi_1+r_2\sin\varphi_2)|=[/latex] [latex]\sqrt{r_1\cos\varphi_1+r_2\cos\varphi_2)^{2}+i(r_1\sin\varphi_1+r_2\sin\varphi_2)^{2}}=[/latex] [latex]\sqrt{r_{1}^{2}(\cos^{2}\varphi_1+\sin^{2}\varphi_1)+r_2^{2}(\cos^{2}\varphi_2+\sin^{2}\varphi_2)+2r_{1}r_{2}(\cos\varphi_1\cos\varphi_2+\sin\varphi_1\sin\varphi_2)}=[/latex](*)
[latex]\cos^{2}\varphi_1+\sin^{2}\varphi_1 = 1[/latex]
[latex]cos^{2}\varphi_2+\sin^{2}\varphi_2 = 1[/latex]
(*)=[latex]\sqrt{r_{1}^{2}+r_{2}^{2}+2r_1r_2\cos(\varphi_1-\varphi_2)}\le[/latex] [latex] \sqrt{r_{1}^{2}+r_{2}^{2}+2r_1r_2}=[/latex] [latex]\sqrt{(r_1+r_2)^2}=[/latex] [latex]r_1+r_2=|z_1|+|z_2|.[/latex]

Литература:

Геометрическая интерпретация комплексных чисел

Тест на тему «Геометрическая интерпретация комплексных чисел»:

Понятие о множествах


Понятие множества

Множество — это совокупность определенных объектов, которые могут иметь конкретные свойства.
Георг Кантор, который создал данную теорию давал следующее определение — «Под «множеством» мы понимаем соединение в некое целое $M$ определённых хорошо различимых предметов $m$ нашего созерцания или нашего мышления (которые будут называться «элементами» множества $M$).».

Множество состоит из отдельных объектов — элементов множества.

Множество обозначается большими буквами латинского алфавита, а его элементы — маленькими буквами латинского алфавита. Множества записываются в фигурных скобках $(X=\left\{a,b\right\})$.

Принято использовать следующие обозначения:

  • $a\in\ X$ — символ принадлежности, читается как «элемент $a$ принадлежит множеству $X$»;
  • $a\notin\ X$ — символ отрицания принадлежности, читается как«элемент $a$ не принадлежит множеству $X$»;
  • $\forall$ — квантор произвольности, общности, читается как «любой» или «какой бы не был», или «для всех»;
  • $\exists$ — квантор существования, например, $\exists\ y\in\ B$ — «существует (найдется) элемент $y$ из множества $B$»;
  • $\exists!$ — квантор существования и единственности, например, $\exists!\ b\in\ C$ — «существует единственный элемент $b$ из множества $C$»;
  • $:$ — символ пояснения, читается как «такой, что« или «обладающий свойством»;
  • $\Rightarrow$ — символ следствия, читается как «отсюда следует« или «отсюда вытекает«;
  • $\Leftrightarrow$ — квантор эквивалентности, равносильности, читается как «тогда и только тогда».

Существует два типа множеств — конечные и бесконечные.
Конечное множество — это множество, которое состоит из конечного числа элементов. Например, множество букв английского алфавита — представляет собой конечное множество.
Бесконечное множество — множество, которое состоит из бесконечного числа элементов. Например, множество рациональных чисел — представляет собой бесконечное множество.

Мощность множества — это число элементов, которое содержится в конечном множества $A$. Мощность обозначается как $\left|A\right|$.
Пустое множество — это множество, которое не содержит ни одного элемента — $\varnothing$.
Равные множества — это множества, которые включают в себя одни и те же элементы, то есть являются эквивалентными по отношению друг к другу.
Множества $X$ и $Y$ называются не равными ($X\ne\ Y$), если множество $X$ содержит в себе элементы, которые не содержит в себе множество $Y$. Другими словами — множество $X$ имеет элементы, которые не принадлежат множеству $Y$.

Символ равенства множеств имеет следующие свойства:

  • $X=X$; — рефлексивность;
  • если $X=Y$, $Y=X$ — симметричность;
  • если $X=Y$, $Y=Z$, то $X=Z$ — транзитивность.

Согласно такому определению равенства множеств следует, что все пустые множества равны между собой или что существует только одно пустое множество.

Литература:

  • Конспект лекций Г.С. Белозерова
  • Линейная алгебра. Воеводин В.В. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980, с.9-13
  • Лекции по общей алгебре (издание второе). Курош А.Г. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1973, с.14-17

Отношение порядка

Пусть дано множество [latex]A\ne\oslash[/latex]. Бинарное отношение [latex]R[/latex] на множестве [latex]A[/latex] называется отношением частичного порядка тогда и только тогда, когда:

  • [latex]R[/latex]-рефлексивно, т.е. [latex]\forall a \in A: aRa[/latex].
  • [latex]R[/latex]-антисимметрично [latex]\forall a,b \in A: aRb \cap bRa \Rightarrow a=b[/latex].
  • [latex]R[/latex]-транзитивно [latex]\forall a,b,c \in A: aRb \cap bRc \Rightarrow aRc [/latex].

Бинарное отношение [latex]R[/latex] на множестве [latex]A[/latex] называется строгим отношением частичного порядка тогда и только тогда, когда:

  • [latex]R[/latex]-рефлексивно, т.е. [latex]\forall a \in A: aRa[/latex]-не выполняется.
  • [latex]R[/latex]-антисимметрично [latex]\forall a,b \in A: aRb \cap bRa \Rightarrow a=b[/latex].
  • [latex]R[/latex]-транзитивно [latex]\forall a,b,c \in A: aRb \cap bRc \Rightarrow aRc [/latex].

Бинарное отношение [latex]R[/latex] на множестве [latex]A[/latex] называется отношением линейного порядка тогда и только тогда, когда:

  • [latex]R[/latex] является отношением частичного порядка.
  • [latex]\forall a,b \in A: aRb \oplus bRa[/latex].

Бинарное отношение [latex]R[/latex] на множестве [latex]A[/latex] называется отношением полного порядка тогда и только тогда, когда:

  • [latex]R[/latex] является отношением линейного порядка.
  • [latex]\forall\, B \in A \;\exists a \in B\; \forall b \in B: aRb[/latex].

Пример:

Доказать, что «[latex]\le[/latex]» является отношением частичного порядка:
«[latex]\le[/latex]» [latex]\subseteq R^2[/latex]:

  1. Рефлексивно,т.к. [latex]a\le a\; \forall a \in R[/latex].
  2. Антисимметрично,т.к.[latex] a\le b \cap b\le a \Rightarrow a=b[/latex].
  3. Транзитивно,т.к.[latex] a\le b \cap b \le c \Rightarrow a\le c[/latex].

Из вышеизложенного следует, что «[latex]\le[/latex]» на [latex]R[/latex]- отношение частичного порядка.
Литература:

  • Конспект лекций С.В. Федоровского
  • Отношение частичного порядка
  • Кострикин А. И. Введение в алгебру. Часть I. Основы алгебры: Учебник для вузов. — 3-е изд. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. — 44-45 c.

Отношение порядка

Тест на тему «Отношение порядка»:

Корни многочлена. Выявление кратных корней многочлена

Спойлер

Пусть $f(x)\in\mathbb{P}[x]$ и $f(x)=a_n x^n+a_{n-1}x^{n-1}+…+a_1x+a_0$.
Значением многочлена на элементе $\alpha$ $(\alpha\in\mathbb{P})$ называется
$f(\alpha)=a_n\alpha^n+a_{n-1}\alpha^{n-1}+…+a_1\alpha+a_0\in\mathbb{P}$.

Если значение многочлена на элементе $\alpha$ равно нулю, т.е. $f(\alpha)=0$, то
$\alpha$ называется корнем многочлена $f(x)$.

Число $\alpha$ называется $k$ кратным корнем многочлена $f(x)$ если многочлен делится на
$(x-\alpha)^k$, $k>1$ ($k$ — натуральное число), но не делится на $(x-\alpha)^{k+1}.$

[свернуть]

Задача

Является ли число 2 корнем многочлена $f(x)=x^5-5x^4+3x^3+22x^2-44x+24$, и если является — то какой кратности?

Решение

С помощью схемы Горнера определим делится ли $f(x)$ на $(x-2)$. Имеем:

1 -5 3 22 -44 24
2 1 -3 -3 16 -12 0

Остаток при делении $f (x)$ на $(х-2)$ равен 0, а значит мы можем ответить на первый вопрос поставленной задачи: да, число 2 является корнем многочлена $f (x)$. Осталось выяснить, какой кратности этот корень. Продолжим деление многочлена по схеме Горнера:

1 -5 3 22 -44 24
2 1 -3 -3 16 -12 0
2 1 -1 -5 6 0
2 1 1 -3 0
2 1 3 3

Видно, что $f (x)$ делится на $(х-2)^ 3$, т.е. $f (x) = (x-2)^ 3 (x^2+x-3)$, но не делится на $(х-2)^ 4$. А это значит, что 2 — корень третей кратности многочлена $f(x)$.

Спойлер

Число $\alpha$ является корнем кратности $k$ многочлена $f(x)$
тогда и только тогда, когда выполняются равенства:
$$f(x)=0, \;
\frac{df}{dx}(\alpha)=0,…,
\frac{d^{k-1}f}{dx^{k-1}}(\alpha)=0, \;
\frac{d^kf}{dx^k}(\alpha)\ne0.
$$

[свернуть]

Задача

Найти все значения параметра $m$, при которых многочлен $f(x)=x^4-4m^3x+48$ имеет корень кратности 2.

Решение

$$
\left\{
\begin{array}{l l}
f(x)=x^4-4m^3+48=0, \\
\frac{df}{dx}=4x^3-4m^3=0, \\
\frac{d^2f}{dx^2}=12x^2\ne0.
\end{array}
\right.
$$

$$\left\{
\begin{array}{}
x^4-4m^3+48=0, \\
x=m,\\
x\ne0,
\end{array}
\right.$$

$$\left\{
\begin{array}{}
x^4-4m^3+48=0, \\
m\ne0,
\end{array}
\right.$$

$$\left\{
\begin{array}{}
m=2, \\
m=-2.
\end{array}
\right.
$$
Ответ: $\pm$2.

Литература

  • Курош А.Г. Курс высшей алгебры. М.:Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1968, с.143-147.

Тест

Необходимо определить при каком условии число является корнем заданной кратности.

Таблица лучших: Кратность корней

максимум из 1 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных


Решение задач на делимость многочленов. Применение алгоритма Горнера


Определим ключевые понятие для решения задач.

Определение 1

$ f(x), g(x) \in \mathbb{P} { [ x ] },\quad g(x) \neq 0 $. $ f(x)$ делится на $ g(x)$
$\Big( f(x)$ $\vdots$ $ g(x)\Big)$ , если $f$ представимо в следующем виде: $$ f(x)=g(x) \cdot h(x),\quad где \quad h(x) \in \mathbb{P} [x].$$

Определение 2

Пусть $ f(x), g(x),h(x) \in \mathbb{P} { [ x ] }$, если $h(x)$ $|$ $f(x)$ и $h(x)$ $ |$ $g(x)$, то $h(x)$ называется общим делителем $ f(x)$, $g(x)$.

Алгоритм Горнера

Алгоритм вычисления значения многочлена, записанного в виде суммы мономов, при заданном значении переменной.
$f(x)=a_{n}x^n+a_{n-1}x^{n-1}+\dots+a_1x+a_0$
$q(x)=b_{n-1}x^{n-1}+b_{n-2}x^{n-2}+\dots+b_1x+b_0$
$f(x)=(x-\alpha)q(x)+f(\alpha)$
Умножаем $q(x)$ на $x-\alpha$ и приравниваем:

$\large f(x)=(x-\alpha)q(x)+f(\alpha)$
$\large n$ $\large a_n=b_{n-1}$ $\large b_{n-1}=a_n$
$\large n-1$ $\large a_{n-1}=b_{n-2}-\alpha b_{n-1}$ $\large b_{n-2}=a_{n-1}+\alpha b_{n-1}$
$\large n-2$ $\large a_{n-2}=b_{n-3}-\alpha b_{n-2}$ $\large b_{n-3}=a_{n-2}+\alpha b_{n_2} $
$\large \vdots$ $\large \dots$ $\large \dots$
$\large 1$ $\large a_1=b_0-\alpha b_1$ $\large b_0=a_1+\alpha b_1$
$\large 0$ $\large a_0=f(\alpha)-\alpha b_0 $ $\large f(\alpha)=a_0+\alpha b_0 $

Схема Горнера

$\large a_n$ $\large a_{n-1}$ $\large a_{n-2}$ $\large \dots$ $\large a_1$ $\large a_0$
$\large \alpha$ $\large b_{n-1}$ $\large b_{n-2}$ $\large b_{n-3}$ $\large \dots$ $\large b_0$ $\large f(\alpha)$

Комбинируя алгоритм Горнера и занося результаты в схему Горнера получаем простой алгоритм нахождения остатка и частного, при делении на заданный линейный двухчлен.

Задача 1

Указать делит ли многочлен $g(x)$ многочлен $f(x). $

Алгоритм:

  1. Делим первый элемент делимого на старший элемент делителя, помещаем результат под чертой.
  2. Умножаем делитель на полученный выше результат деления. Записываем результат под первыми двумя элементами делимого.
  3. Вычитаем полученный после умножения многочлен из делимого, записываем результат под чертой.
  4. Если степень полученного многочлена в пункте 3 меньше степени делителя – завершаем процесс, в противном случае – перейти к пункту 5.
  5. Повторяем предыдущие 4 шага, используя в качестве делимого многочлен, записанный под чертой.
  • $$ \large f(x)=x^3-12x^2-42 \quad g(x)=x-3$$
    $\large x^3$ $\large — $ $\large 12x^2$ $\large +$ $\large 0x$ $\large -$ $\large 42$ $\large x$ $\large -$ $\large 3$ $\large $ $\large $
    $\large x^3$ $\Large -$ $\large 3x^2$ $\large $ $\large $ $\large $ $\large $ $\large x^2$ $\large -$ $\large 9x$ $\large -$ $\large 27$
    $\large $ $\large -$ $\large 9x^2$ $\large +$ $\large 0x$ $\large -$ $\large 42$ $\large $ $\large $ $\large $ $\large $ $\large $
    $\large $ $\large -$ $\large 9x^2$ $\large +$ $\large 27x$ $\large $ $\large $ $\large $ $\large $ $\large $ $\large $ $\large $
    $\large $ $\large $ $\large $ $\large -$ $\large 27x$ $\large -$ $\large 42$ $\large $ $\large $ $\large $ $\large $ $\large $
    $\large $ $\large $ $\large $ $\large -$ $\large 27x$ $\large +$ $\large 81$ $\large $ $\large $ $\large $ $\large $ $\large $
    $\large $ $\large $ $\large $ $\large $ $\large $ $\large -$ $\large 123$ $\large $ $\large $ $\large $ $\large $ $\large $

    Ответ: $r(x)=-123 \Rightarrow g(x)$ не делит $f(x)$.

  • $$\large f(x)=x^2+3x+2 \quad g(x)=x+2 $$
    $\large x^2$ $\large +$ $\large 3x$ $\large +$ $\large 2$ $\large x$ $\large +$ $\large2$
    $\large x^2$ $\large +$ $\large x$ $\large x$ $\large +$ $\large 1$
    $\large 2x$ $\large +$ $\large 2$
    $\large 2x$ $\large +$ $\large 2$
    $\Large 0$

    Ответ: $r(x)=0 \Rightarrow g(x) $ делит $f(x)$.

 

Задача 2

Найти частное и остаток от деления на линейный двучлен используя метод Горнера.
$$\large f(x)=2x^4-3x^3-x^2+4x+13$$ $$\large Линейный \quad двучлен:\quad x-1$$
Применим предложенный выше алгоритм:

$\large a_4=2$ $\large a_3=-3$ $\large a_2=-1$ $\large a_1=4$ $\large a_0=13$
$\large \alpha=1$ $\large b_3=a_4$
$b_3=2$
$\large b_2=a_3+\alpha b_3$
$b_2=-1$
$\large b_1=a_2+\alpha b_2$
$b_1=-2$
$\large b_0=a_1+\alpha b_1$
$b_0=2$
$\large f(\alpha)=15$

Ответ: $ q(x)=2x^3-x^2-2x+2, \quad f(\alpha)=15$.

Список литературы:

  1. Конспект по линейной алгебре и геометрии. 1 курс. Геннадий Сергеевич Белозеров. Глава 3.
  2. Сканави М. И. Элементарная математика. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Наука, 1972. — 142—147 c.
  3. Волков Е. А. § 2. Вычисление значений многочлена. Схема Горнера — Учеб. пособие для вузов. — 2-е изд., испр. — М.: Наука, 1987. — 248 с.

Тест на тему: Решение задач на делимость многочленов. Применение алгоритма Горнера.