Во множестве действительных чисел нельзя решить уравнение . Расширяя действительные числа, введем число
- мнимая единица:
. Тогда, уравнение будет иметь решение
.
П.1. Алгебраическая форма комплексного числа
Определение. Комплексным числом называется число , где x -называется действительной частью комплексного числа и обозначается
;
называется мнимой частью комплексного числа и обозначается
. Такая запись комплексного числа называется алгебраической формой комплексного числа.
Пример. .
,
.
Определение. Модулем комплексного числа называется величина
.
Определение. Аргументом комплексного числа называется число:
. Главное значение аргумента обозначается: arg z=
или
.
Пример.
Определение. Два комплексных числа ,
называются равными
, если
,
.
Определение. Комплексное число равно 0, если
и
.
Определение. Число называется сопряженным комплексному числу
,причем
.
Пример. ;
.
П.2. Тригонометрическая форма записи комплексного числа.
Комплексное число однозначно определяется парой действительных чисел
поэтому можно установить взаимно однозначное соответствие между всевозможными точками плоскости и всевозможными комплексными числами.
Тогда, комплексное число можно изобразить с помощью точки плоскости, координаты которой - абсцисса,
- ордината. Это геометрическая, интерпретация комплексного числа.
Рис. 1.
Тогда ось OX – где откладываются действительные части числа называется действительной осью.
OY – где откладывают мнимые части числа называется мнимой осью.
Такую плоскость будем называть «комплексной плоскостью».
Действительной и мнимой частям комплексного числа можно также поставить в соответствие координаты радиус-вектора
.
Рис. 2.
Т.е. комплексное число можно изобразить с помощью вектора .
Тогда, длина вектора - есть модуль комплексного числа
; а угол
есть аргумент комплексного числа:
.
Из определения модуля и аргумента следует, что если , то
,
.
Тогда, любое комплексное число, отличное от нуля, можно представить в тригонометрической форме:
Пример. Представить комплексное число в тригонометрической форме:
1)
2)
П.3. Показательная форма комплексного числа.
и
связаны формулой Эйлера:
.
Тогда от тригонометрической формы комплексного числа можно перейти к показательной форме:
.
Тогда Складывая и вычитая, легко получить
.
Примеры. Записать комплексное число в показательной форме.
1)
2)
П.4. Алгебраические операции над комплексными числами.
Сложение и умножение комплексных чисел производится по правилам сложения и умножения алгебраических многочленов; учитывая при этом, что и т.д.
1) Рассмотрим операции над комплексными числами в алгебраической форме
Пусть
.
Замечание.
2) Рассмотрим операции над комплексными числами в тригонометрической форме:
Пусть
.
Формула Муавра: .
.
имеет
позиций в области комплексных чисел.
Из формулы для видно, что все
различных значений величины
имеют один и тот же модуль равный
. А так как
, то точки соответствующие значениям
, являются вершинами правильного
-угольника, вписанного в окружность радиуса
с центром в начале координат.
3) алгебраические операции в показательной форме:
.
Примеры.
1) - в алгебраической форме.
,
- тригонометрическая форма.
.
.
.
П.4. Линии и области в комплексной плоскости
Чтобы построить линию в комплексной плоскости нужно перейти к записи уравнения этой линии в действительных координатах: z=x+iy, x=Rez,y=Imz, IzI= .
Примеры.
1. Построить линию, заданную уравнением Re(z+2)=3. Перейдем к декартовым координатам, получим Re(x+iy+2)=3Þx+2=3Þx=1. Это уравнение прямой параллельной мнимой оси.
2. Построить линию, заданную уравнением Iz-3iI=2. Перейдем к декартовым координатам, получим Ix+iy-3iI=2Þ Это уравнение окружности с центром в точке (0; 3) и радиуса равного 2.
3. Записать уравнение линии в комплексной форме: . Выразим декартовы координаты через комплексную переменную, получим
или
Это уравнение прямой с выколотой точкой (0; 0) в комплексной форме.
Чтобы построить область в комплексной плоскости нужно в неравенстве, определяющем эту область заменить комплексную переменную zдействительными переменными x и y.
Примеры.
1. Определить область, заданную неравенствами: 2£ Im(z-i)£3. Перейдем к декартовым координатам, получим 2£ y-1£3Þ3£ y£ 4. Это область, заключенная в полосе между прямыми y=3 и y=4.
2. Определить область, заданную неравенством Iz-iI<Iz+3I. Перейдем к декартовым координатам, получим
Это часть плоскости, расположенная выше прямой y=-3x-4.
3. Определить область, заданную неравенством Iz-3+2iI>2. Это часть плоскости, расположенная вне круга