Processing math: 100%

Формула Муавра

Теорема. Допустим z=r(cosϕ+isinϕ) и n принадлежит множеству целых чисел. Тогда можно считать, что zn=rn(cos(nϕ)+isin(nϕ)).

Пусть n=2, где nZ — база индукции. Тогда z2=r(cosϕ+isinϕ)r(cosϕ+isinϕ)=r2(cos(2ϕ)+isin(2ϕ)).Допустим, что теорема верна nm,m2 и докажем, что она так же верна и для n=m+1. Тогда zm+1=zmz=rm(cos(mϕ)+isin(mϕ))r(cosϕ+isinϕ)= =rm+1(cos(m+1)ϕ+isin(m+1)ϕ). Для n=1 формула простая, а если n=0, то z=1, то есть z0=r0(cos(0ϕ)+isin(0ϕ))=1(cos0+isin0)=1. Следовательно, теорема справедлива n0. Докажем, что она так же справедлива n<0. Тогда zn=1zn=1(r(cosϕ+isinϕ))n= =1rn(cos(nϕ)+isin(nϕ))=rncos(nϕ)isin(nϕ)cos(nϕ)2+sin(nϕ)2= =r1cos(nϕ)+isin(nϕ)1=rn(cos(nϕ)+isin(nϕ)). Теорема доказана.

Следствие.|zn|=|z|nnZ,Arg(zn)=nArg(z)+2πk,kZ,nZ.

Примеры

Рассмотрим несколько примеров с использованием формулы Муавра.

  1. Вычислить 5(1+i)3(3+i)4i1323.
    Решение

    Найдём сначала r для (1+i)3: r=(1)2+12=2. Теперь найдём аргумент z для (1+i)3. Для этого нужно найти угол α: tanα=1,α=π4+kπ,kZ. Так как sinα<0 и cosα<0, то α=3π4.
    Теперь найдём r и z для (3+i)4: r=32+12=4=2. Найдём z:
    tanβ=13,β=π6+sπ,sZ. Так как sinβ>0 и cosβ>0, то β=π6. (1+i)3(3+i)4=(cos(9π4+4π6))+isin(9π4+4π6)= =cosπ12+isinπ12, i1323=i. По формуле ϕ+2πkn, где n=5, k=¯0,4 получаем:w0=52316(cos(π125)+isin(π125))=52316(cos(π60)+ +isin(π60)), w1=52316(cos(π12+2π5)+isin(π12+2π5))= =52316(cos(25π60)+isin(25π60)), w2=52316(cos(π12+4π5)+isin(π12+4π5))= =52316(cos(49π60)+isin(49π60)), w3=52316(cos(π12+6π5)+isin(π12+6π5))= =52316(cos(73π60)+isin(73π60)), w4=52316(cos(π12+8π5)+isin(π12+8π5))= =52316(cos(97π60)+isin(97π60)).

  2. Вычислить (3+i)2020.
    Решение

    tanα=33,α=π6+kπ,kZ. Так как sinβ>0 и cosβ>0, то β=π6. (3+i)2020=(2(cosπ6+isinπ6))2020= =22020(cos(2018+26π)+isin(2018+26π))= =22020(cosπ3+isinπ3)=22020(12+i32).

Смотрите также

  1. А.И. Кострикин Введение в алгебру. Основы алгебры. — Москва: Физматлит, 1994. -320с. (с. 201-202).
  2. Личный конспект, основанный на лекциях Г. С. Белозёрова.

Формула Муавра

Проверим как Вы усвоили материал.

Извлечение корней из комплексных чисел

Корень степени n из комплексного числа

Определение Пусть z=r(cosφ+isinφ). Тогда корнем степени n из комплексного числа z называется комплексное число w, для которого верно равенство wn=z.

Легко заметить, что при z=0w=0. Поэтому предположим, что z0
Пусть w=ρ(cosψ+isinψ), чему тогда равны ρ,ψ?

Распишем равенство wn=z,z=r(cosφ+isinφ) (ρ(cosψ+isinψ))n=r(cosφ+isinφ) Воспользуемся формулой Муавра:ρn(cosnψ+isinnψ)=r(cosφ+isinφ)Из равенства комплексных чисел следует равенство их аргументов и модулей. ρ=nr ψ=φn+2πkn,k=0,1,..,n1 Тогда: wk=nr(cos(φn+2πkn)+isin(φn+2πkn)) Пришли к зависимости корня от параметра k. Рассмотрим лемму.

Лемма. wk=wl(kl)n

wk=wl равные комплексные числа, а значит их аргументы равны φn+2πkn=φn+2πln+2πt 2π(kl)=2πntkl=nt(kl)n

W={w0,w1,,wn1} — множество корней степени n из z. В силу вышеизложенной леммы все корни попарно различны. Значит мы имеем только n различных значений аргумента, при этом модули корней равны |nz|=n|z| Argnz=Argz+2πkn,k=¯0,n1Общий вид корня степени n nz={nr(cos(φn+2πkn)+isin(φn+2πkn))}, где kN,k=¯0,n1

Замечание. φn называется фазой, 2πkn называется сдвигом по фазе.

Следствие. Так как все значения корня имеют одинаковый модуль, то есть одинаковое расстояние от начала координат (равное модулю этих корней), все они вписаны в окружность с центром в начале координат. Множество всех корней степени n из комплексного числа изображается как правильный n-угольник.

Квадратный корень из комплексного числа

Извлечь квадратный корень из комплексного числа можно и без перехода к тригонометрической форме. Рассмотрим теорему

Теорема. Если z=a+bi,(a2+b20), то существует ровно 2 корня

  1. b=0,a>0w=±a
  2. b=0,a<0w=±ia
  3. b0w=±(a2+b2+a2+isignba2+b2a2)

Пусть w=x+yi, где x,yR w2=z(x+yi)2=a+bi x2y2+2xyi=a+bi Получили x2y2=a 2xy=b Если b=0, тогда или x=0, или y=0.

  1. b=0,y=0. Тогда получим x2=ax±a
  2. b=0,x=0. Тогда получим y2=aa<0. Тогда y2=ay2=ai2y=±ai
  3. b0,x0.

    Выразим y из равенства y=b2xПодставим значение y в равенство, получим: x2b24x2=a Домножим обе части равенства на 4x2 4x44x2ab2=0

    Воспользуемся формулой дискриминанта, тогда x21,2=2a±4a2+4b24=a±a2+b22,x21,2R x21=a+a2+b22>0 x22=aa2+b22<0,так как x22R не имеет решений x=±a+a2+b22

    Выразим y2 из равенства y2=a+a2+b22a=a2+b2a2 Тогда y=±a2+b2a2 Из равенства следует, что signxy=signb. Значит, если signb>0 то signx=signy, если же signb<0, то signx=signy. Откуда следует: w=±(a2+b2+a2+isignba2+b2a2)

Примеры решения задач

  1. Найти общий вид корней третьей степени из z=3+i
    Решение
  2. Найти значения квадратных корней из z=34i
    Решение
  3. Решите уравнение z2=2i
    Решение
  4. Будет ли z1=42(cos14π24+isin14π24) корнем четвертой степени из z=3+i?
    Решение

Извлечение корней из комплексных чисел

Тест на знание темы «Извлечение корней из комплексных чисел»

Смотрите также

  1. Курош А.Г. Курс высшей алгебры М.: Наука, 1968, Глава 4, § 19, «Дальнейшее изучение комплексных чисел» (стр. 123-127)
  2. К. Д. Фадеев Лекции по алгебре М.: Наука, 1984, Глава 2, §3, «Обоснование комплексных чисел»(стр. 39-42)
  3. А. И. Кострикин Введение в алгебру М.: Наука, 1994, Глава 5, §1, «Обоснование комплексных чисел»(стр. 202-203)

Сопряженные числа и их свойства

Определение Пусть дано комплексное число z=a+bi, число имеющее противоположный знак при мнимой части называется сопряженным числом с z и обозначается ¯z. В общем случае, сопряженным к z=a+bi (где a,bR) является ¯z=abi

Геометрическая интерпретация

На комплексной плоскости сопряженные числа представлены точками, симметричными относительно действительной оси.

В полярной системе координат сопряженные числа имеют следующий вид — reiϕ и reiϕ, следует из формулы Эйлера

Корнями квадратного уравнения с действительными коэффициентами и отрицательным дискриминантом является пара сопряженных чисел.

Перейдем к рассмотрению свойств комплексно сопряженных чисел

Свойства

  1. ¯¯z=z

    Пусть z=a+bi. ¯z=¯a+bi=abi ¯¯z=¯abi=a+bi=z

  2. ¯(z1+z2)=¯z1+¯z2

    z1=a+bi,z2=c+di
    ¯(z1+z2)=¯(a+c+(b+d)i)=a+c(b+d)i ¯z1+¯z2=¯(a+bi)+¯(c+di)=abi+cdi=a+c(b+d)i=¯(z1+z2)

  3. ¯z1¯z2=¯z1z2

    z1=a+bi,z2=c+di
    ¯z1¯z2=¯(a+bi)¯(c+di)=(abi)(cdi)=acbd(bc+ad)i ¯z1z2=¯(a+bi)(c+di)=¯(acbd)+(bc+ad)i= =acbd(bc+ad)i=¯z1¯z2

  4. ¯(z1z2)=¯z1¯z2

    z1=a+bi,z2=c+di ¯(z1z2)=¯(a+bic+di)=¯((a+bi)(cdi)c2+d2)=¯(ac+bd+(bcad)i)c2+d2)= =ac+bd(bcad)ic2+d2 ¯z1¯z2=¯a+bi¯c+di=abicdi=(abi)(c+di)c2+d2=ac+bd(bcad)ic2+d2=¯(z1z2)

  5. z=¯zzR

    z=a+bi,¯z=abi z=¯zz¯z=0 (a+bi)(abi)=0 2bi=0b=0zR

  6. z+¯zR

    z=a+bi,¯z=abi z+¯z=(a+bi)+(abi)=2a 2aR

  7. z¯ziR

    z=a+bi,¯z=abi z¯z=(a+bi)(abi)=2biiR

  8. z¯z0

    z=a+bi,¯z=abi z¯z=(a+bi)(abi)=a2+abiabibi2=a2+b20

  9. ¯ki=1zi=ki=1¯zi

    Докажем ММИ предполагая, что свойство 2 доказано, оно и будет базой индукции. Предположим, что справедливо для km,m2. Докажем, что оно справедливо для k=m+1 ¯m+1i=1zi=¯mi=1zi+zm+1=¯mi=1zi+¯zm+1=mi=1¯zi+¯zm+1=m+1i=1¯zi

  10. ¯ki=1zi=ki=1¯zi

    Докажем ММИ предполагая, что свойство 3 доказано, оно и будет базой индукции. Предположим, что справедливо для km,m2. Докажем, что оно справедливо для k=m+1 ¯m+1i=1zi=¯mi=1zi+zm+1=¯mi=1zi+¯zm+1=mi=1¯zi+¯zm+1=m+1i=1¯zi

Примеры решения задач

  1. Решить квадратное уравнение 2x22x+5=0
    Решение
  2. Вычислить: Re2(z1+¯z2)z1z2, при z1=2+i,z2=42i
    Решение
  3. Найти число сопряженное данному z=(5+7i)(7+5i)
    Решение
  4. К какой координатной четверти принадлежит ¯z, если z=23i?
    Решение
  5. Выписать действительную и мнимую части для сопряженного заданному комплексному числу z1=5+i
    Решение

Сопряженные числа

Тест на знание темы «Сопряженные числа»

Смотрите также

  1.  Курош А.Г. Курс высшей алгебры М.: Наука, 1968, Глава 4, § 18, «Дальнейшее изучение комплексных чисел» (стр. 121-123)
  2. А. И. Кострикин Введение в алгебру М.: Наука, 1994, Глава 5, §1, «Геометрическое истолкование действий с комплексными числами»(стр. 197-198)
  3. К. Д. Фадеев Лекции по алгебре М.: Наука, 1984, Глава 2, §1, «Обоснование комплексных чисел» (стр. 30)

Построение поля комплексных чисел

Спойлер

Спойлер
Расширение числовых множества Необходимость в комплексных числах появилась, когда стало понятно, что не каждый многочлен имеет вещественные корни. Например, уравнение latexx2+1=0 не имеет корней среди вещественных чисел, так как еще в школе учили, что извлечь квадратный корень из отрицательного числа невозможно.

Для построения поля комплексных чисел — расширения множества вещественных, в котором уравнение разрешимо, — необходимо доказать следующее:

  1. latexC — поле;
  2. latexRC;
  3. latexx2+1=0 — разрешимо в latexC (1);
  4. latexC минимально по включениям.
Спойлер

Спойлер

Спойлер

Спойлер

Список источников:

Тест на знание теории о построении поля комплексных чисел.

Действия над комплексными числами в алгебраической и тригонометрической форме. Сопряженность

Действия над комплексными числами в алгебраической форме

Спойлер

Сложение

Пусть [latex]z_1,z_2\in C[/latex], [latex]z_1=a_1+b_1i[/latex] и [latex]z_2=a_2+b_2i[/latex].
Тогда [latex]z=[/latex] [latex]z_1 + z_2[/latex] получается простым приведением подобных:
[latex]z_1 + z_2=[/latex] [latex]z_1 + z_2=[/latex] [latex]a_1+b_1i+a_2+b_2i=[/latex] [latex](a_1+a_2)+(b_1+b_2)i[/latex]

Спойлер

Вычитание

Пусть [latex]z_1,z_2\in C[/latex], [latex]z_1=a_1+b_1i[/latex] и [latex]z_2=a_2+b_2i[/latex].
Тогда [latex]z=[/latex] [latex]z_1 — z_2[/latex] получается аналогично со сложением:
[latex]a_1+b_1i — (a_2+b_2i)=[/latex] [latex](a_1-a_2)+(b_1-b_2)i[/latex]

Спойлер

Умножение

Пусть [latex]z_1,z_2\in C[/latex], [latex]z_1=a_1+b_1i[/latex] и [latex]z_2=a_2+b_2i[/latex].
Тогда [latex]z=[/latex] [latex]z_1 \times z_2=[/latex] [latex](a_1+b_1i) \times (a_2+b_2i)[/latex].
Что делать на этом шаге? Все довольно просто, как Вы наверно и подумали, надо всего лишь раскрыть скобки и привести подобные:
[latex](a_1+b_1i) \times (a_2+b_2i)=[/latex] [latex](a_1a_2-b_1b_2)+(a_1b_2+a_2b_1)i[/latex]

Спойлер

Определение комплексно сопряженного числа

Пусть [latex]z_1,z_2\in C[/latex], [latex]z_1=a_1+b_1i[/latex] и [latex]z_2=a_2+b_2i[/latex].
[latex]z_1[/latex] называют комплексно сопряженным к [latex]z_2[/latex], если [latex]a_1 = a_2[/latex] и [latex]b_1 = -b_2[/latex], т.е. [latex]z_1=a_1+b_1i[/latex] и [latex]z_2=a_1-b_1i[/latex].
И при перемножении [latex]z_1 \times z_2=[/latex] [latex]{a_1}^2-{b_1}^2[/latex]
Это потребуется для нашего следующего действия.

Деление

Пусть [latex]z_1,z_2\in C[/latex], [latex]z_1=a_1+b_1i[/latex] и [latex]z_2=a_2+b_2i[/latex].
Тогда [latex]z=[/latex] [latex]\frac{z_1}{z_2}=[/latex] [latex]\frac{a_1+b_1i}{a_2+b_2i}[/latex]
На этом шаге обычно все и остановилось бы, но мы сможем еще упростить выражение благодаря знанию комплексно сопряженных чисел. Умножим числитель и знаменатель на комплексно сопряженное число к знаменателю, получим:
[latex]\frac{(a_1+b_1i)(a_2-b_2i)}{(a_2+b_2i)(a_2-b_2i)}=[/latex] [latex]\frac{(a_1a_2+b_1b_2)+(a_2b_1-a_1b_2)i}{{a_2}^2+{b_2}^2}[/latex]

Спойлер

Действия над комплексными числами в тригонометрической форме

Спойлер

Умножение

Произведением двух комплексных чисел [latex]z_1=r_1(cos\phi_1+isin\phi_1)[/latex] и [latex]z_2=r_2(cos\phi_2+isin\phi_2)[/latex] будет комплексное число вида [latex]z=z_1z_2=r_1r_2(\cos(\phi_1+\phi_2)+i\sin(\phi_1+\phi_2)[/latex]

Спойлер

Деление

Частным двух комплексных чисел [latex]z_1=r_1(cos\phi_1+isin\phi_1)[/latex] и [latex]z_2=r_2(cos\phi_2+isin\phi_2)[/latex] будет комплексное число вида [latex]z=z_1z_2=\frac{r_1}{r_2}(\cos(\phi_1-\phi_2)+i\sin(\phi_1-\phi_2)[/latex]

Возведение в степень

[latex]\forall z \in C[/latex] [latex]z^n=[/latex] [latex]{r(\cos\phi+i\sin\phi)}^n=[/latex] [latex]r^n(\cos(n\phi)+i\sin(n\phi))[/latex]

Спойлер

Извлечение корня

[latex]\forall z \in C[/latex] [latex]\sqrt[n]{z}=[/latex] [latex]\sqrt[n]{r(\cos\phi+i\sin\phi)}=[/latex] [latex]\sqrt[n]{r}(\cos\frac{\phi+2\pi k}{n}+i\sin\frac{\phi+2\pi k}{n})[/latex], [latex]k=\overline{0,n-1}[/latex]

Спойлер

Тест поможет Вам проверить, как Вы усвоили материал

Литература

  1. Курош А.Г. Курс высшей алгебры. М.: Наука, 1968,cтр 115-123
  2. Кострикин А.И. Введение в алгебру. М.: Наука, 1977, стр 194-210