Комплексное число | это... Что такое Комплексное число? (original) (raw)
Запрос «Мнимая величина» перенаправляется сюда; см. также другие значения.
Запрос «Re» перенаправляется сюда; см. также другие значения.
Запрос «Im» перенаправляется сюда; см. также другие значения.
Ко́мпле́ксные[1] чи́сла (устар. Мнимые числа[2]), — расширение поля вещественных чисел, обычно обозначается . Любое комплексное число может быть представлено как формальная сумма
, где
и
— вещественные числа,
— мнимая единица[3].
Комплексные числа образуют алгебраически замкнутое поле — это означает, что многочлен степени с комплексными коэффициентами имеет ровно
комплексных корней (основная теорема алгебры). Это одна из главных 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 — электротехнике, гидродинамике, картографии, квантовой механике, теории колебаний и многих других.
Содержание
- 1 Определения
- 2 Действия над комплексными числами
- 3 Геометрическая модель
- 4 Связанные определения
- 5 Представление комплексных чисел
- 6 История
- 7 Вариации и обобщения
- 8 Функции комплексного переменного
- 9 См. также
- 10 Примечания
- 11 Литература
- 12 Ссылки
Определения
Поле комплексных чисел можно понимать как расширение поля вещественных чисел, в котором многочлен имеет корень. Следующие две элементарные модели показывают, что непротиворечивое построение такой системы чисел возможно. Оба приведенных определения приводят к изоморфным расширениям поля вещественных чисел
, как и любые другие конструкции поля разложения многочлена
.
Стандартная модель
Комплексное число можно определить как упорядоченную пару вещественных чисел
. Введём операции сложения и умножения таких пар следующим образом:
Вещественные числа являются в этой модели подмножеством множества комплексных чисел и представлены парами вида , причём операции с такими парами согласованы с обычными сложением и умножением вещественных чисел. Ноль представляется парой
единица —
а мнимая единица —
На множестве комплексных чисел ноль и единица обладают теми же свойствами, что и на множестве вещественных, а квадрат мнимой единицы, как легко проверить, равен
, то есть
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 так, чтобы операции по-прежнему были согласованы с порядком, невозможно.
Матричная модель
Комплексные числа можно также определить как семейство вещественных матриц вида
с обычным матричным сложением и умножением. Действительной единице будет соответствовать
мнимой единице —
Замечания
Ошибочно определение числа как единственного числа, удовлетворяющего уравнению
, так как число
также удовлетворяет этому уравнению.
Следует также заметить, что выражение , ранее часто использовавшееся вместо
, не вполне корректно, так как алгебраический корень определяется над множеством неотрицательных чисел. Вплоть до конца XIX века запись вроде
считалась допустимой, но в настоящее время, во избежание ошибок, принято записывать это выражение как
. Пример возможной ошибки при неосторожном использовании устаревшей записи:
в то время как правильная запись приводит к иному ответу:
Действия над комплексными числами
Геометрическая модель
Геометрическое представление комплексного числа
Рассмотрим плоскость с прямоугольной системой координат. Каждому комплексному числу сопоставим точку плоскости с координатами
(а также радиус-вектор, соединяющий начало координат с этой точкой). Такая плоскость называется комплексной. Вещественные числа на ней занимают горизонтальную ось, мнимая единица изображается единицей на вертикальной оси; по этой причине горизонтальная и вертикальная оси называются соответственно вещественной и мнимой осями.
Часто бывает удобно рассматривать на комплексной плоскости также полярную систему координат, в которой координатами точки являются расстояние до начала координат (модуль) и угол радиус-вектора точки (показанного синей стрелкой на рисунке) с горизонтальной осью (аргумент). Подробнее см. ниже.
В этом наглядном представлении сумма комплексных чисел соответствует векторной сумме соответствующих радиус-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, где вместо терминов «модуль» и «аргумент» используются термины «амплитуда» и «фаза».
Геометрическая модель комплексных чисел широко используется в планиметрии: многие планиметрические теоремы можно доказать как некоторые комплексные тождества. Часто этот метод даёт наиболее простое доказательство.
Связанные определения
Модуль, аргумент, вещественная и мнимая части
Пусть — комплексное число, где
и
— вещественные числа. Числа
или
и
или
называются соответственно вещественной и мнимой (аналогично англ. real, imaginary) частями
.
Модуль и аргумент
Модулем (абсолютной величиной) комплексного числа называется длина радиус-вектора соответствующей точки комплексной плоскости (или, что то же, расстояние между точкой комплексной плоскости, соответствующей этому числу, и началом координат).
Модуль комплексного числа обозначается
и определяется выражением
. Часто обозначается буквами
или
. Если
является вещественным числом, то
совпадает с абсолютной величиной этого вещественного числа.
Для любых имеют место следующие свойства модуля. :
, причём
тогда и только тогда, когда
;;
;
.
Из третьего свойства следует , где
. Данное свойство модуля вместе с первыми двумя свойствами вводят на множестве комплексных чисел структуру двумерного нормированного пространства над полем
.
- Для пары комплексных чисел
и
модуль их разности
равен расстоянию между соответствующими точками комплексной плоскости.
Угол (в радианах) радиус-вектора точки, соответствующей числу
, называется аргументом числа
и обозначается
.
Сопряжённые числа
Геометрическое представление сопряжённых чисел
Если комплексное число , то число
называется сопряжённым (или комплексно сопряжённым) к
(обозначается также
). На комплексной плоскости сопряжённые числа получаются зеркальным отражением друг друга относительно вещественной оси. Модуль сопряжённого числа такой же, как у исходного, а их аргументы отличаются знаком.
Переход к сопряжённому числу можно рассматривать как одноместную операцию; перечислим её свойства.
(сопряжённое к сопряжённому есть исходное).
Обобщение: , где
— произвольный многочлен с вещественными коэффициентами.
Значимость сопряжения объясняется тем, что оно является образующей группы Галуа .
Представление комплексных чисел
Алгебраическая форма
Запись комплексного числа в виде
,
, называется алгебраической формой комплексного числа.
Сумма и произведение комплексных чисел могут быть вычислены непосредственным суммированием и перемножением таких выражений, как обычно раскрывая скобки и приводя подобные, чтобы представить результат тоже в стандартной форме (при этом надо учесть, что ):
Тригонометрическая и показательная формы
Если вещественную и мнимую
части комплексного числа выразить через модуль
и аргумент
(
,
), то всякое комплексное число
, кроме нуля, можно записать в тригонометрической форме
Также может быть полезна показательная форма записи комплексных чисел, тесно связанная с тригонометрической через формулу Эйлера:
где — расширение экспоненты для случая комплексного показателя степени.
Отсюда вытекают следующие широко используемые равенства:
Формула Муавра и извлечение корней из комплексных чисел
Эта формула позволяет возводить в целую степень ненулевое комплексное число, представленное в тригонометрической форме. Формула Муавра имеет вид:
где — модуль, а
— аргумент комплексного числа. В современной символике она опубликована Эйлером в 1722 году. Приведенная формуле справедлива при любом целом n, не обязательно положительном.
Аналогичная формула применима также и при вычислении корней -ой степени из ненулевого комплексного числа:
Отметим, что корни -й степени из ненулевого комплексного числа всегда существуют, и их количество равно
. На комплексной плоскости, как видно из формулы, все эти корни являются вершинами правильного
-угольника, вписанного в окружность радиуса
с центром в начале координат (см. рисунок).
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 , 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 нашёл 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».[5]
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 из данного числа была решена в работах Муавра (1707) и Котса (1722).
Символ предложил Эйлер (1777, опубл. 1794), взявший для этого первую букву слова лат. 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 (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 Ж. Р. Аргана, повторявшей независимо выводы Весселя. Термины «модуль», «аргумент» и «сопряжённое число» ввёл Коши.
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.
Вариации и обобщения
Функции комплексного переменного
- Гамма-функция
- Гиперболические функции
- Дзета-функция Римана
- Комплексный анализ
- Комплексный логарифм
- Показательная функция
- Степенная функция
- W-функция Ламберта
См. также
Примечания
- ↑ Двойное ударение указано согласно следующим источникам.
- Большая советская энциклопедия, 3-е изд. (1973), том 12, стр. 588, статья Ко́мпле́ксные числа.
- Советский энциклопедический словарь (1982), стр. 613, статья Ко́мпле́ксное число.
- Последнее издание «Словаря трудностей русского языка» (Розенталь Д. Э., Теленкова М. А., Айрис-пресс, 2005, стр. 273) указывает оба варианта: «ко́мплексные (компле́ксные) числа».
- В Большой российской энциклопедии (том 14, 2010 год) по необъяснённым причинам предлагаются одновременно ударения Компле́ксное число (стр. 691), но Ко́мплексный анализ (стр. 695).
В следующих источниках указан единственный вариант ударения (на второй слог) для чисел. - Орфографический словарь русского языка (6-е издание, 2010), Грамматический словарь русского языка (6-е издание, 2009), Русский орфографический словарь Российской академии наук под ред. В. В. Лопатина (2-е издание, 2004).
- ↑ «Математическая энциклопедия» / Главный редактор И. М. Виноградов. — М.: «Советская энциклопедия», 1979. — 1104 с. — (51[03] М34). — 148 800 экз.
- ↑ В теории электрических цепей, символ
иногда заменяют на
, чтобы не путать со стандартным обозначением электрического тока (
).
- ↑ Свешников А. Г., Тихонов А. Н. Теория функций комплексной переменной. — М.: Наука, 1967. — С. 14-15.
- ↑ Клайн М. Математика. Утрата определённости. — М.: Мир, 1984. — С. 139.
Литература
![]() |
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.
- 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.
Ссылки
- Простой калькулятор комплексных чисел.
- CaRevol Jet — Формульный калькулятор комплексных чисел под Windows.
![]() |
|
---|---|
Счётныемножества | Натуральные числа (![]() ![]() ![]() ![]() |
Вещественные числаи их расширения | Вещественные (![]() ![]() ![]() ![]() ![]() |
Другиечисловые системы | Кардинальные числа • Порядковые числа (трансфинитные, ординал) • p-адические • Супернатуральные числа |
См. также | Двойные числа • Иррациональные числа • Трансцендентные • Числовой луч • Бикватернион |
![]() |
|
---|---|
Математика | |
2-мерная | Элементы: Комплексные числа |
4-мерная | Элементы: Кватернионы |
8-мерная | Элементы: Числа Кэли (октонионы или октавы) |
16-мерная | Элементы: Седенионы |
См. также | Гиперкомплексное число • Алгебра • Тело (алгебра) • Число • мнимая единица |
Теория множеств |