Комплексное число

Комплексные чи́сла — расширение множества вещественных чисел, обычно обозначается $\mathbb{C}$. Любое комплексное число может быть представлено как формальная сумма $x+iy$, где $x$ и $y$ — вещественные числа, $i$ — мнимая единица, то есть число, удовлетворяющее уравнению $i^2=-1$.

Комплексные числа образуют алгебраически замкнутое поле — это означает, что многочлен степени $n$ с комплексными коэффициентами имеет ровно $n$ комплексных корней, то есть верна основная теорема алгебры. Это одна из основных причин широкого применения комплексных чисел в математических исследованиях. Кроме того, применение комплексных чисел позволяет удобно и компактно сформулировать многие математические модели, применяемые в математической физике и в естественных науках — гидродинамике, картографии, квантовой механике, теории колебаний и многих других.

Определения

Поле комплексных чисел можно понимать как расширение поля вещественных чисел, в котором многочлен $z^2+1$ имеет корень. Следующие две элементарные модели показывают, что непротиворечивое построение такой системы чисел возможно. Оба приведенных определения приводят к изоморфным расширениям поля вещественных чисел $\R$, как и любые другие конструкции поля разложения многочлена $x^2+1$.

Стандартная модель

Формально, комплексное число $z$ — это упорядоченная пара вещественных чисел $(x,y)$ с введёнными на них следующим образом операциями сложения и умножения:

• $(x , y) + (x' , y') = (x + x' , y + y') \,$
• $(x , y) \cdot (x' , y') = (xx' - yy' , xy' + yx'). \,$

Вещественные числа представлены в этой модели парами вида $(x,0)$, причём операции с такими парами согласованы с обычными сложением и умножением вещественных чисел. Мнимая единица в такой системе представляется парой $i=(0,1) \,$.

Несложно показать, что определённые выше операции имеют те же свойства, что и аналогичные операции с вещественными числами. Исключением являются только свойства, связанные с отношением порядка (больше-меньше), потому что расширить порядок вещественных чисел, включив в него все комплексные числа и при этом сохранив обычные свойства порядка, невозможно.

Матричная модель

Комплексные числа можно также определить как семейство вещественных матриц вида

$\begin{pmatrix} x & y \\ -y & \;\; x \end{pmatrix}$

с обычным матричным сложением и умножением. Действительной единице будет соответствовать

$\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & \;\; 1 \end{pmatrix}$

, мнимой единице —

$\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -1 & \;\; 0 \end{pmatrix}$

Замечания

• Ошибочно определение числа $i$ как единственного числа, удовлетворяющего уравнению $i^2=-1$, так как число $(-i)$ также удовлетворяет этому уравнению.
• Следует также заметить, что часто используемое выражение $i=\sqrt{-1}$ не вполне корректно, так как алгебраический корень определяется над множеством неотрицательных чисел.

Действия над комплексными числами

• Сравнение

  $a + bi = c + di$ означает, что $a=c$ и $b=d$.

• Сложение

  $(a + bi) + (c + di) = (a + c) + (b + d)i$

• Вычитание

  $(a + bi) - (c + di) = (a - c) + (b - d)i$

• Умножение

  $(a + bi) (c + di) = ac + bci + adi + bd i^2 = (ac - bd) + (bc + ad)i$

• Деление

  $\,\frac{(a + bi)}{(c + di)} = \left({ac + bd \over c^2 + d^2}\right) + \left( {bc - ad \over c^2 + d^2} \right)i\,$

Связанные определения

Комплексная переменная обычно обозначается $z$. Пусть $x$ и $y$ суть вещественные числа, такие, что $z = x + iy$. Тогда

• Числа $x = \Re(z)$ или $\operatorname{Re}(z)$ и $y = \Im(z)$ или $\operatorname{Im}(z)$ называются соответственно вещественной (Real) и мнимой (Imaginary) частями $z$.
  • Если $x = 0$, то $z$ называется мнимым или чисто мнимым.
• Число $|z| = \sqrt{x^2+y^2}$ называется модулем числа $z$. Для вещественного числа модуль совпадает с его абсолютной величиной. Некоторые свойства модуля:

  $| z | \geqslant 0 \,$, причём $| z | = 0 \,$ тогда и только тогда, когда $z = 0 \,$

  $| z_1 + z_2 | \leqslant | z_1 | + | z_2 | \,$ (неравенство треугольника)

  $| z_1 \cdot z_2 | = | z_1 | \cdot | z_2 | \,$

  $| z_1 / z_2 | = | z_1 | / | z_2 | \,$

• Угол $\varphi$ такой, что: $\cos \varphi = \frac {x} {|z|}$ и $\sin \varphi = \frac {y} {|z|}~~$, называется аргументом $z$. Для комплексного нуля значение аргумента не определено, для ненулевого числа $z$ аргумент определяется с точностью до $2 k \pi$, где $k$ — любое целое число.

Сопряжённые числа

Если комплексное число $z = x + iy$, то число $\bar z=x-iy$ называется сопряжённым (или комплексно сопряжённым) к $z$.

Переход к сопряжённому числу можно рассматривать как одноместную операцию; перечислим её свойства.

• $\bar{\bar{z}}=z$ (сопряжённое к сопряжённому есть исходное)
• $z \cdot \bar z = |z|^2$
• $\overline {z_1 \pm z_2} = \bar {z_1} \pm \bar {z_2}$
• $\overline {z_1 \cdot z_2} = \bar z_1 \cdot \bar z_2$
• $\overline {z_1 / z_2} = \bar z_1 / \bar z_2$

Обобщение: $\overline {p(z)} = p(\bar z)$, где $p(z)$ — произвольный комплексный многочлен.

• $|\bar{z}| = |z|$ (модуль сопряжённого числа такой же, как у исходного)

Представление комплексных чисел

Алгебраическая форма

Запись комплексного числа $z$ в виде $x+iy$, $x, y \in \R$, называется алгебраической формой комплексного числа.

Сумма и произведение комплексных чисел может быть вычислена непосредственным суммированием и перемножением таких выражений, с учётом тождества $i^2=-1$.

Тригонометрическая и показательная формы

Если вещественную $x$ и мнимую $y$ части комплексного числа выразить через модуль $r = |z|$ и аргумент $\varphi$ ($x=r\cos\varphi$, $y=r\sin\varphi$), то всякое комплексное число $z$, кроме нуля, можно записать в тригонометрической форме

$z=r(\cos\varphi+i \sin\varphi)$.

Также может быть полезна показательная форма записи комплексных чисел, тесно связанная с тригонометрической через формулу Эйлера

$z=r e^{i\varphi}$,

где $e^{i \varphi}$ — расширение экспоненты для случая комплексного показателя степени.

Геометрическое представление

Файл:Complex number illustration.svg

Геометрическое представление комплексного числа

Файл:Complex number.svg

Модуль, аргумент, вещественная и мнимая части

Если на плоскости по оси абсцисс расположить действительную часть, а по оси ординат — мнимую, то комплексному числу будет соответствовать точка с декартовыми координатами $x$ и $y$ (или её радиус-вектор, что то же самое), а модуль и аргумент будут полярными координатами этой точки. Такая плоскость называется комплексной.

Отметим, что для пары комплексных чисел $z_1$ и $z_{2}$ модуль их разности $|~z_1~-~z_2~|$ равен расстоянию между соответствующими точками комплексной плоскости.

Файл:Complex conjugate picture.svg

Геометрическое представление сопряжённых чисел

Сопряжённые комплексные числа получаются зеркальным отражением друг друга относительно вещественной оси.

В геометрическом представлении сумма комплексных чисел соответствует векторной сумме соответствующих векторов. При перемножении комплексных чисел их модули перемножаются, а аргументы складываются. Если модуль второго сомножителя равен 1, то умножение на него геометрически означает поворот радиус-вектора первого числа на угол, равный аргументу второго числа. Этот факт объясняет широкое использование комплексного представления в теории колебаний.

Формула Муавра

Эта формула позволяет возводить в степень ненулевое комплексное число, представленное в тригонометрической форме. Формула Муавра имеет вид:

$z^n=[r(\cos \varphi +i\sin \varphi)]^n = r^n(\cos n\varphi +i\sin n\varphi)$,

где $r$ — модуль, а $\varphi$ — аргумент комплексного числа. В современной символике она опубликована Эйлером в 1722 году.

Аналогичная формула применима также и при вычислении корней n-ой степени из ненулевого комплексного числа:

$z^{1/n}=[r(\cos (\varphi+2\pi k) +i\sin (\varphi+2\pi k))]^{1/n} =$
$= r^{1/n}\left(\cos \frac{\varphi+2\pi k}{n} +i\sin \frac{\varphi+2\pi k}{n}\right),$
$\quad k=0,1...n-1$

Отметим, что корни n-ой степени из комплексного числа всегда существуют, и их количество равно n. Геометрически, как видно из формулы, все эти корни располагаются на одной окружности радиуса $\sqrt[n]{r}$, деля её на n равных частей.

История

Впервые, по-видимому, мнимые величины появились в известном труде «Великое искусство, или об алгебраических правилах» Кардано (1545), который счёл их непригодными к употреблению. Пользу мнимых величин, в частности, при решении кубического уравнения, в так называемом неприводимом случае (когда вещественные корни многочлена выражаются через кубические корни из мнимых величин), впервые оценил Бомбелли (1572). Он же дал некоторые простейшие правила действий с комплексными числами.

Выражения вида $a+b\sqrt{-1}$, появляющиеся при решении квадратных и кубических уравнений, стали называть «мнимыми» в XVI-XVII веках, однако даже для многих крупных ученых XVII века алгебраическая и геометрическая сущность мнимых величин представлялась неясной. Лейбниц, например, писал: «Дух божий нашел тончайшую отдушину в этом чуде анализа, уроде из мира идей, двойственной сущности, находящейся между бытием и небытием, которую мы называем мнимым корнем из отрицательной единицы».

Долгое время было неясно, все ли операции над комплексными числами приводят к комплексным результатам, или, например, извлечение корня может привести к открытию какого-то нового типа чисел. Задача о выражении корней степени $n$ из данного числа была решена в работах Муавра (1707) и Котса (1722).

Символ $i=\sqrt{-1}$ предложил Эйлер (1777, опубл. 1794), взявший для этого первую букву слова imaginarius. Он же распространил все стандартные функции, включая логарифм, на комплексную область. Эйлер также высказал в 1751 году мысль об алгебраической замкнутости поля комплексных чисел. К такому же выводу пришел Д’Аламбер (1747), но первое строгое доказательство этого факта принадлежит Гауссу (1799). Гаусс и ввёл в широкое употребление термин «комплексное число» в 1831 году, хотя этот термин ранее использовал в том же смысле французский математик Лазар Карно в 1803 году.

Геометрическое истолкование комплексных чисел и действий над ними появилось впервые в работе Весселя ([[::en:Caspar Wessel|англ.]]), (1799). Первые шаги в этом направлении были сделаны Валлисом (Англия) в 1685 году. Современное геометрическое представление, иногда называемое «диаграммой Аргана», вошло в обиход после опубликования в 1806-м и 1814-м годах работы (Аргана (фр.)), повторявшей независимо выводы Весселя.

Арифметическая модель комплексных чисел как пар вещественных чисел была построена Гамильтоном (1837); это доказало непротиворечивость их свойств. Гамильтон предложил и обобщение комплексных чисел — кватернионы, алгебра которых некоммутативна.

Функции комплексного переменного

• Гамма-функция
• Гиперболические функции
• Дзета-функция Римана
• Комплексный анализ
• Комплексный логарифм
• Показательная функция
• Степенная функция
• W-функция Ламберта

См. также

• Кватернионы
• Гиперкомплексные числа — конечномерные алгебры над полем вещественных чисел.
• Комплексная функция
• Комплексный анализ

Ссылки

Файл:Wikibooks-logo.svg	Комплексные числа в Викиучебнике?
	Комплексные числа на Викискладе?

• Арнольд В. И. Геометрия комплексных чисел, кватернионов и спинов, МЦНМО, 2002
• Елисеев В. И. «Введение в методы теории функций пространственного комплексного переменного», Центр научно-технического творчества молодежи Алгоритм. — М.:, НИАТ. — 1990. Шифр Д7-90/83308
• Понтрягин Л. Комплексные числа, Квант, № 3, 1982.
• Простой калькулятор комплексных чисел
• CaRevol Jet — Формульный калькулятор комплексных чисел под Windows.
• Фихтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. — Т. II. — 680 с. — ISBN 5-9221-0156-0, 5-9221-0155-2, 5-9221-0436-5

eml:Nómmer cumplês

---

Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Комплексное число. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .

---