Математика Вычислить несобственный интеграл Дифференциальные уравнения Степенные ряды Неопределенный интеграл Основные методы интегрирования Метод интегрирования по частям

Типовой расчет по высшей математике

Комплексные числа.

Понятие о комплексных числах.

 Определение. Комплексным числом z называется выражение , где a и b – действительные числа, i – мнимая единица, которая определяется соотношением:

 При этом число a называется действительной частью числа z (a = Re z), а b- мнимой частью (b = Im z).

 Если a =Re z =0, то число z будет чисто мнимым, если b = Im z = 0, то число z будет действительным.

 Определение. Числа  и называются комплексно – сопряженными.

 Определение. Два комплексных числа  и  называются равными, если соответственно равны их действительные и мнимые части:

 Определение. Комплексное число равно нулю, если соответственно равны нулю действительная и мнимая части.

 Понятие комплексного числа имеет геометрическое истолкование. Множество комплексных чисел является расширением множества действительных чисел за счет включения множества мнимых чисел. Комплексные числа включают в себя все множества чисел, которые изучались ранее. Так натуральные, целые, рациональные, иррациональные, действительные числа являются, вообще говоря, частными случаями комплексных чисел.

 Если любое действительное число может быть геометрически представлено в виде точки на числовой прямой, то комплексное число представляется точкой на плоскости, координатами которой будут соответственно действительная и мнимая части комплексного числа. При этом горизонтальная ось будет являться действительной числовой осью, а вертикальная - мнимой осью.

 


 

 Таким образом, на оси ОХ располагаются действительные числа, а на оси ОY – чисто мнимые.

 С помощью подобного геометрического представления можно представлять числа в так называемой тригонометрической форме.

 

5.2. Тригонометрическая форма числа.

 Из геометрических соображений видно, что . Тогда комплексное число можно представить в виде:

 Такая форма записи называется тригонометрической формой записи комплексного числа.

 При этом величина r называется модулем комплексного числа, а угол наклона j - аргументом комплексного числа.

.

 Из геометрических соображений видно:

Очевидно, что комплексно – сопряженные числа имеют одинаковые модули и противоположные аргументы.

5.3. Действия с комплексными числами.

 Основные действия с комплексными числами вытекают из действий с многочленами.

 1) Сложение и вычитание.

 2) Умножение.

В тригонометрической форме:

,

С случае комплексно – сопряженных чисел:

 3) Деление.

В тригонометрической форме:

 4) Возведение в степень.

Из операции умножения комплексных чисел следует, что

В общем случае получим:

,

где n – целое положительное число.

 Это выражение называется формулой Муавра.

(Абрахам де Муавр (1667 – 1754) – английский математик)

 Формулу Муавра можно использовать для нахождения тригонометрических функций двойного, тройного и т.д. углов.

 Пример. Найти формулы sin2j и cos2j.

Рассмотрим некоторое комплексное число

Тогда с одной стороны .

По формуле Муавра:

Приравнивая, получим

Т.к. два комплексных числа равны, если равны их действительные и мнимые части, то

Получили известные формулы двойного угла.

 5) Извлечение корня из комплексного числа.

Возводя в степень, получим:

Отсюда:

 Таким образом, корень n – ой степени из комплексного числа имеет n различных значений.

5.4. Показательная форма комплексного числа.

Рассмотрим показательную функцию

Можно показать, что функция w может быть записана в виде:

 Данное равенство называется уравнением Эйлера. Вывод этого уравнения будет рассмотрен позднее. (См. ).

 Для комплексных чисел будут справедливы следующие свойства:

1)

2)

3)  где m – целое число.

 Если в уравнении Эйлера показатель степени принять за чисто мнимое число (х=0), то получаем:

 Для комплексно – сопряженного числа получаем:

 Из этих двух уравнений получаем:

 Этими формулами пользуются для нахождения значений степеней тригонометрических функций через функции кратных углов.

 Если представить комплексное число в тригонометрической форме:

и воспользуемся формулой Эйлера:

 Полученное равенство и есть показательная форма комплексного числа.


На главную