Комплексное число
Ко́мпле́ксные[K 1] чи́сла (от лат. complex — совокупный, тесно связанный[1]) — числа вида a+bi{displaystyle a+bi}, где a,b{displaystyle a,b} — вещественные числа, i{displaystyle i} — мнимая единица[2], то есть число, для которого выполняется равенство: i2=−1.{displaystyle i^{2}=-1.} Множество комплексных чисел обычно обозначается символом C.{displaystyle mathbb {C} .} Вещественные числа можно рассматривать как частный случай комплексных, они имеют вид a+0i{displaystyle a+0i}. Главное свойство C{displaystyle mathbb {C} } — в нём выполняется основная теорема алгебры, то есть любой многочлен n{displaystyle n}-й степени (n⩾1{displaystyle ngeqslant 1}) имеет n{displaystyle n} корней. Доказано.mw-parser-output .ts-Переход img{margin-left:.285714em} , что система комплексных чисел логически непротиворечива[K 2].
Так же как и для вещественных чисел, для комплексных чисел определены операции сложения, вычитанияa+bi{displaystyle a+bi} точками на комплексной плоскости ; например, для изображения сопряжённых чисел используется операция отражения относительно горизонтальной оси . Альтернативное представление комплексного числа в тригонометрической записи оказалось полезным для вычисления степеней и корней . Функции комплексного аргумента изучаются в комплексном анализе .
Первоначально идея о необходимости использования комплексных чисел возникла в результате формального решения кубических уравнений, при котором в формуле Кардано под знаком квадратного корня получалось отрицательное число[3]. Большой вклад в исследование комплексных чисел внесли такие математики, как Эйлер, который ввёл общепризнанное обозначение i{displaystyle i} для мнимой единицы, Декарт, Гаусс . Сам термин «комплексное число» ввёл в науку Гаусс в 1831 году[1].
Свойства комплексных чисел и функций нашли широкое применение для решения многих практических задач в различных областях математики, физики и техники: в обработке сигналов, теории управления, электромагнетизме, теории колебаний, теории упругости и многих других[4]
Известно также несколько обобщений комплексных чисел — например, кватернионы
Содержание
1 Комплексная арифметика
1.1 Связанные определения
1.2 Сложение и вычитание
1.3 Умножение
1.4 Деление
1.5 Другие операции
1.6 Основные отличия комплексных чисел от вещественных
1.7 Замечания о выражении √−1
2 Геометрическое представление
2.1 Комплексная плоскость
2.2 Модуль
2.3 Аргумент
2.4 Сопряжённые числа
2.4.1 Пример
3 Формы представления комплексного числа
3.1 Алгебраическая форма
3.2 Тригонометрическая форма
3.3 Показательная форма
4 Формула Муавра и извлечение корней
5 История
6 Комплексные функции
6.1 Аналитические функции
6.2 Преобразования комплексной плоскости
6.3 Аналитическая геометрия на комплексной плоскости
7 Место в общей алгебре, топологии и теории множеств
8 Некоторые практические применения
8.1 Математика
8.2 Конформное отображение
8.3 Квантовая механика
8.4 Электротехника
9 Логические основания
9.1 Аксиоматика комплексных чисел
9.2 Непротиворечивость и модели
9.2.1 Стандартная модель
9.2.2 Матричная модель
9.2.3 Модель фактор-кольца многочленов
9.3 Алгебраическая характеризация
10 Вариации и обобщения
11 Примечания
12 Литература
13 Ссылки
Комплексная арифметика |
Связанные определения |
Всякое комплексное число z=a+bi{displaystyle z=a+bi} состоит из двух компонентов[5]:
- Величина a{displaystyle a} называется вещественной частью числа z{displaystyle z} и в русскоязычной традиции обозначается Rez{displaystyle operatorname {Re} ,z} или Re(z).{displaystyle operatorname {Re} (z).} Также встречается готический символ[6]: ℜ(z).{displaystyle Re (z).}
- Если a=0{displaystyle a=0}, то z{displaystyle z} называется мнимым или чисто мнимым числом. Вместо 0+bi{displaystyle 0+bi} обычно пишут просто bi.{displaystyle bi.}
- Если a=0{displaystyle a=0}, то z{displaystyle z} называется мнимым или чисто мнимым числом. Вместо 0+bi{displaystyle 0+bi} обычно пишут просто bi.{displaystyle bi.}
- Величина b{displaystyle b} называется мнимой частью числа z{displaystyle z} и в русскоязычной традиции обозначается Imz{displaystyle operatorname {Im} ,z} или Im(z).{displaystyle operatorname {Im} (z).} Также встречается готический символ[7]: ℑ(z).{displaystyle Im (z).}
- Если b=0{displaystyle b=0}, то z{displaystyle z} является вещественным числом. Вместо a+0i{displaystyle a+0i} обычно пишут просто a.{displaystyle a.} Например, комплексный нуль 0+0i{displaystyle 0+0i} обозначается просто как 0.{displaystyle 0.}
- Если b=0{displaystyle b=0}, то z{displaystyle z} является вещественным числом. Вместо a+0i{displaystyle a+0i} обычно пишут просто a.{displaystyle a.} Например, комплексный нуль 0+0i{displaystyle 0+0i} обозначается просто как 0.{displaystyle 0.}
Противоположным для комплексного числа z=a+bi{displaystyle z=a+bi} является число −z=−a−bi.{displaystyle -z=-a-bi.} Например, для числа 1−2i{displaystyle 1-2i} противоположным будет число −1+2i.{displaystyle -1+2i.}
Четыре арифметические операции для комплексных чисел имеют те же свойства, что и аналогичные операции с вещественными числами. В отличие от последних, комплексные числа нельзя сравнивать на больше/меньше; доказано, что нет способа распространить порядок, заданный для вещественных чисел, на все комплексные так, чтобы порядок был согласован с арифметическими операциями (например, чтобы из a<b{displaystyle a<b} вытекало a+c<b+c{displaystyle a+c<b+c}). Однако комплексные числа можно сравнивать на равно/не равно)[5]:
a+bi=c+di{displaystyle a+bi=c+di} означает, что a=c{displaystyle a=c} и b=d{displaystyle b=d} (два комплексных числа равны между собой тогда и только тогда, когда равны их вещественные и мнимые части).
Сложение и вычитание |
Определение сложения и вычитания комплексных чисел[5]:
- (a+bi)+(c+di)=(a+c)+(b+d)i,{displaystyle left(a+biright)+left(c+diright)=left(a+cright)+left(b+dright)i,}
- (a+bi)−(c+di)=(a−c)+(b−d)i.{displaystyle left(a+biright)-left(c+diright)=left(a-cright)+left(b-dright)i.}
Следующая таблица[5] показывает основные свойства сложения для любых комплексных u,v,w.{displaystyle u,v,w.}
Свойство | Алгебраическая запись |
---|---|
Коммутативность (переместительность) | u+v=v+u{displaystyle u+v=v+u} |
Ассоциативность (сочетательность) | u+(v+w)=(u+v)+w{displaystyle u+(v+w)=(u+v)+w} |
Свойство нуля | u+0=u{displaystyle u+0=u} |
Свойство противоположного элемента | u+(−u)=0{displaystyle u+(-u)=0} |
Выполнение вычитания через сложение | u−v=u+(−v){displaystyle u-v=u+(-v)} |
Умножение |
Определим произведение[5] комплексных чисел a+bi{displaystyle a+bi} и c+di{displaystyle c+di}:
(a+bi)⋅(c+di)=ac+bci+adi+bdi2=(ac+bdi2)+(bc+ad)i=(ac−bd)+(bc+ad)i{displaystyle (a+bi)cdot (c+di)=ac+bci+adi+bdi^{2}=(ac+bdi^{2})+(bc+ad)i=(ac-bd)+(bc+ad)i}.
Следующая таблица[5] показывает основные свойства умножения для любых комплексных u,v,w{displaystyle u,v,w}.
Свойство | Алгебраическая запись |
---|---|
Коммутативность (переместительность) | u⋅v=v⋅u{displaystyle ucdot v=vcdot u} |
Ассоциативность (сочетательность) | u⋅(v⋅w)=(u⋅v)⋅w{displaystyle ucdot (vcdot w)=(ucdot v)cdot w} |
Свойство единицы | u⋅1=u{displaystyle ucdot 1=u} |
Свойство нуля | u⋅0=0{displaystyle ucdot 0=0} |
Дистрибутивность (распределительность) умножения относительно сложения | u⋅(v+w)=u⋅v+u⋅w{displaystyle ucdot (v+w)=ucdot v+ucdot w} |
Правила для степеней мнимой единицы:
i2=−1;i3=−i;i4=1;i5=i{displaystyle i^{2}=-1;;i^{3}=-i;;i^{4}=1;i^{5}=i} и т. д.
Деление |
Комплексное число z¯=x−iy{displaystyle {bar {z}}=x-iy} называется сопряжённым к комплексному числу z=x+iy{displaystyle z=x+iy} (см. подробнее ниже).
Для каждого комплексного числа a+bi{displaystyle a+bi}, кроме нуля, можно найти обратное к нему[8] комплексное число 1a+bi{displaystyle {frac {1}{a+bi}}}. Для этого умножим числитель и знаменатель дроби на число a−bi{displaystyle a-bi}, комплексно сопряжённое знаменателю
- 1a+bi=a−bi(a+bi)(a−bi)=a−bia2+b2=aa2+b2−ba2+b2i.{displaystyle {frac {1}{a+bi}}={frac {a-bi}{(a+bi)(a-bi)}}={frac {a-bi}{a^{2}+b^{2}}}={frac {a}{a^{2}+b^{2}}}-{frac {b}{a^{2}+b^{2}}}i.}
Определим результат деления[5] комплексного числа a+bi{displaystyle a+bi} на ненулевое число c+di{displaystyle c+di}:
- a+bic+di=(a+bi)(c−di)(c+di)(c−di)=ac+bdc2+d2+(bc−adc2+d2)i.{displaystyle {frac {a+bi}{c+di}}={frac {left(a+biright)left(c-diright)}{left(c+diright)left(c-diright)}}={frac {ac+bd}{c^{2}+d^{2}}}+left({frac {bc-ad}{c^{2}+d^{2}}}right)i.}
Как и для вещественных чисел, деление можно заменить умножением делимого на число, обратное к делителю.
Другие операции |
Для комплексных чисел определены также извлечение корня, возведение в степень и логарифмирование.
Основные отличия комплексных чисел от вещественных |
Уже упоминалось, что комплексные числа нельзя сравнивать на больше-меньше. Другое отличие: любой многочлен с вещественными или комплексными коэффициентами имеет, с учётом кратности, столько корней (вообще говоря, комплексных), какова его степень (основная теорема алгебры)[9].
В системе вещественных чисел из отрицательного числа нельзя извлечь корень чётной степени. Для комплексных чисел возможно извлечение корня из любого числа любой степени, однако результат неоднозначен — комплексный корень n{displaystyle n}-й степени из ненулевого числа имеет n{displaystyle n} различных комплексных значений[10]. См., например, корни из единицы.
Дополнительные отличия имеют функции комплексного переменного
Замечания о выражении √−1 |
Заметим, что число i{displaystyle i} не является единственным числом, квадрат которого равен −1{displaystyle -1}. Число −i{displaystyle -i} также обладает этим свойством.
Следует также заметить, что выражение −1{displaystyle {sqrt {-1}}}, ранее часто использовавшееся вместо i{displaystyle i}, не вполне корректно, так как арифметический корень определяется только для неотрицательных чисел. Во избежание ошибок, выражение с квадратными корнями из отрицательных величин в настоящее время принято записывать как 5+i3{displaystyle 5+i{sqrt {3}}}, а не 5+−3{displaystyle 5+{sqrt {-3}}}, несмотря на то, что даже в XIX веке второй вариант записи считался допустимым[11].
Пример возможной ошибки при неосторожном использовании устаревшей записи:
−3⋅−3=(−3)⋅(−3)=(−3)2=9=3{displaystyle {sqrt {-3}}cdot {sqrt {-3}}={sqrt {left(-3right)cdot left(-3right)}}={sqrt {left(-3right)^{2}}}={sqrt {9}}=3}.
При использовании современной записи такой ошибки не возникло бы:
- (i3)⋅(i3)=(i⋅3)2=i2⋅(3)2=−3.{displaystyle left(i{sqrt {3}}right)cdot left(i{sqrt {3}}right)=left(icdot {sqrt {3}}right)^{2}=i^{2}cdot left({sqrt {3}}right)^{2}=-3.}
Геометрическое представление |
Комплексная плоскость |
Комплексные числа можно представить на плоскости с прямоугольной системой координат: числу z=x+iy{displaystyle z=x+iy} соответствует точка плоскости с координатами {x,y}{displaystyle left{x,yright}} (а также радиус-вектор, соединяющий начало координат с этой точкой). Такая плоскость называется комплексной. Вещественные числа на ней расположены на горизонтальной оси, мнимая единица изображается единицей на вертикальной оси; по этой причине горизонтальная и вертикальная оси называются соответственно вещественной и мнимой осями[12].
Бывает удобно рассматривать на комплексной плоскости также полярную систему координат (см. рисунок справа), в которой координатами точки являются расстояние r{displaystyle r} до начала координат (модуль ) и угол φ{displaystyle varphi } радиус-вектора точки с горизонтальной осью (аргумент ).
В этом представлении сумма комплексных чисел соответствует векторной сумме соответствующих радиус-векторов, а вычитанию чисел соответствует вычитание радиус-векторов. При перемножении комплексных чисел их модули перемножаются, а аргументы складываются. Если модуль второго сомножителя равен 1, то умножение на него соответствует повороту радиус-вектора первого числа на угол, равный аргументу второго числа[13]. Этот факт объясняет широкое использование комплексного представления в теории колебаний, где вместо терминов «модуль» и «аргумент» используются термины «амплитуда» и «фаза»[14].
Пример: умножение на i{displaystyle i} поворачивает радиус-вектор числа на прямой угол в положительном направлении, а после умножения на −i{displaystyle -i} радиус-вектор поворачивается на прямой угол в отрицательном направлении.
Модуль |
Модулем (абсолютной величиной) комплексного числа называется длина радиус-вектора соответствующей точки комплексной плоскости (или, что то же самое, расстояние от точки комплексной плоскости до начала координат). Модуль комплексного числа z=x+iy{displaystyle z=x+iy} обозначается |z|{displaystyle left|zright|} (иногда r{displaystyle r} или ρ{displaystyle rho }) и определяется выражением[13]
|z|=x2+y2{displaystyle left|zright|={sqrt {x^{2}+y^{2}}}}.
Если z{displaystyle z} является вещественным числом, то |z|{displaystyle left|zright|} совпадает с абсолютной величиной этого числа в вещественном понимании термина.
Для любых z,z1,z2∈C{displaystyle z,z_{1},z_{2}in mathbb {C} } имеют место следующие свойства модуля[13][15]:
- 1) |z|⩾0{displaystyle left|zright|geqslant 0}, причём |z|=0{displaystyle left|zright|=0} тогда и только тогда, когда z=0{displaystyle z=0};
- 2) |z1+z2|⩽|z1|+|z2|{displaystyle left|z_{1}+z_{2}right|leqslant left|z_{1}right|+left|z_{2}right|} (неравенство треугольника);
- 3) |z1⋅z2|=|z1|⋅|z2|{displaystyle left|z_{1}cdot z_{2}right|=left|z_{1}right|cdot left|z_{2}right|};
- 4) |z1z2|=|z1||z2|{displaystyle left|{frac {z_{1}}{z_{2}}}right|={frac {|z_{1}|}{|z_{2}|}}}.
- 5) Для пары комплексных чисел z1{displaystyle z_{1}} и z2{displaystyle z_{2}} модуль их разности |z1−z2|{displaystyle left|z_{1}-z_{2}right|} равен расстоянию между соответствующими точками комплексной плоскости.
- 6) Модуль числа z{displaystyle z} связан с вещественной и мнимой частями этого числа соотношениями:
- −|z|⩽Re(z)⩽|z|;−|z|⩽Im(z)⩽|z|;|z|⩽|Re(z)|+|Im(z)|{displaystyle -|z|leqslant operatorname {Re} (z)leqslant |z|;quad -|z|leqslant operatorname {Im} (z)leqslant |z|;quad |z|leqslant |operatorname {Re} (z)|+|operatorname {Im} (z)|}
Аргумент |
Аргументом ненулевого комплексного числа называется угол между радиус-вектором соответствующей точки и положительной вещественной полуосью. Аргумент числа z{displaystyle z} измеряется в радианах и обозначается Arg(z){displaystyle operatorname {Arg} left(zright)}. Из этого определения следует, что[13]
tg φ=yx;cosφ=x|z|;sinφ=y|z|{displaystyle operatorname {tg} varphi ={frac {y}{x}};quad cos varphi ={frac {x}{left|zright|}};quad sin varphi ={frac {y}{left|zright|}}}.
Для комплексного нуля значение аргумента не определено, для ненулевого числа z{displaystyle z} аргумент определяется с точностью до 2πk{displaystyle 2pi k}, где k{displaystyle k} — любое целое число. Главным значением аргумента называется такое значение φ{displaystyle varphi }, что −π<φ⩽π{displaystyle -pi <varphi leqslant pi }. Главное значение может обозначаться arg(z){displaystyle operatorname {arg} left(zright)}[16].
Некоторые свойства аргумента[15]:
- 1) Аргумент обратного числа отличается знаком от аргумента исходного:
- Arg(1z)=−Arg(z).{displaystyle operatorname {Arg} left({frac {1}{z}}right)=-operatorname {Arg} left(zright).}
- 2) Аргумент произведения равен сумме аргументов сомножителей:
- Arg(z1z2)=Arg(z1)+Arg(z2).{displaystyle operatorname {Arg} (z_{1}z_{2})=operatorname {Arg} (z_{1})+operatorname {Arg} (z_{2}).}
- 3) Аргумент частного от деления равен разности аргументов делимого и делителя:
- Argz1z2=Arg(z1)−Arg(z2).{displaystyle operatorname {Arg} {frac {z_{1}}{z_{2}}}=operatorname {Arg} (z_{1})-operatorname {Arg} (z_{2}).}
Сопряжённые числа |
Если комплексное число z=x+iy{displaystyle z=x+iy}, то число z¯=x−iy{displaystyle {bar {z}}=x-iy} называется сопряжённым (или комплексно-сопряжённым) к z{displaystyle z} (обозначается также z∗{displaystyle z^{*}}). На комплексной плоскости сопряжённые числа получаются друг из друга зеркальным отражением относительно вещественной оси. Модуль сопряжённого числа такой же, как исходного, а их аргументы различаются знаком[17]:
- |z¯|=|z|;Arg(z¯)=−Arg(z){displaystyle left|{bar {z}}right|=left|zright|;quad operatorname {Arg} ({bar {z}})=-operatorname {Arg} (z)}
Переход к сопряжённому числу можно рассматривать как одноместную операцию; она имеет следующие свойства[17]:
z=z¯{displaystyle z={bar {z}}} тогда и только тогда, когда z{displaystyle z} — вещественное число.
z¯¯=z{displaystyle {bar {bar {z}}}=z} (сопряжённое к сопряжённому есть исходное).
Произведение комплексно-сопряжённых чисел — неотрицательное вещественное число, равное нулю только для нулевого z[15]:
- z⋅z¯=|z|2=x2+y2{displaystyle zcdot {bar {z}}=left|zright|^{2}=x^{2}+y^{2}}
Сумма комплексно-сопряжённых чисел — вещественное число[15]:
- z+z¯=2Re(z)=2x{displaystyle z+{bar {z}}=2operatorname {Re} left(zright)=2x}
Другие соотношения[15]:
- z1+z2¯=z¯1+z¯2{displaystyle {overline {z_{1}+z_{2}}}={bar {z}}_{1}+{bar {z}}_{2}}
- z1−z2¯=z¯1−z¯2{displaystyle {overline {z_{1}-z_{2}}}={bar {z}}_{1}-{bar {z}}_{2}}
- z1⋅z2¯=z¯1⋅z¯2{displaystyle {overline {z_{1}cdot z_{2}}}={bar {z}}_{1}cdot {bar {z}}_{2}}
- z1/z2¯=z¯1/z¯2{displaystyle {overline {z_{1}/z_{2}}}={bar {z}}_{1}/{bar {z}}_{2}}
- Rez=z+z¯2;Imz=z−z¯2i.{displaystyle operatorname {Re} ,z={frac {z+{bar {z}}}{2}};quad operatorname {Im} ,z={frac {z-{bar {z}}}{2i}}.}
Обобщение: p(z)¯=p(z¯){displaystyle {overline {pleft(zright)}}=pleft({bar {z}}right)}, где p(z){displaystyle pleft(zright)} — произвольный многочлен с вещественными коэффициентами. В частности, если комплексное число z{displaystyle z} является корнем многочлена с вещественными коэффициентами, то сопряжённое число z¯{displaystyle {overline {z}}} тоже является его корнем. Из этого следует, что комплексные корни такого многочлена, не являющиеся вещественными числами (имеющие ненулевую мнимую часть), разбиваются на пары комплексно-сопряжённых[15].
Пример |
Тот факт, что произведение zz¯{displaystyle z{bar {z}}} есть вещественное число, можно использовать, чтобы выразить комплексную дробь в канонической форме, то есть избавиться от мнимости в знаменателе. Для этого надо умножить числитель и знаменатель на сопряжённое к знаменателю выражение[18], например:
- 2+5i3−4i=(2+5i)(3+4i)(3−4i)(3+4i)=−14+23i25=−1425+2325i.{displaystyle {frac {2+5i}{3-4i}}={frac {(2+5i)(3+4i)}{(3-4i)(3+4i)}}={frac {-14+23i}{25}}=-{frac {14}{25}}+{frac {23}{25}}i.}
Формы представления комплексного числа |
Алгебраическая форма |
Выше использовалась запись комплексного числа z{displaystyle z} в виде x+iy{displaystyle x+iy}; такая запись называется алгебраической формой комплексного числа. Две другие основные формы записи связаны с представлением комплексного числа в полярной системе координат.
Тригонометрическая форма |
Если вещественную x{displaystyle x} и мнимую y{displaystyle y} части комплексного числа выразить через модуль r=|z|{displaystyle r=left|zright|} и аргумент φ{displaystyle varphi } (то есть x=rcosφ{displaystyle x=rcos varphi }, y=rsinφ{displaystyle y=rsin varphi }), то всякое комплексное число z{displaystyle z}, кроме нуля, можно записать в тригонометрической форме[13]:
- z=r(cosφ+isinφ){displaystyle z=rleft(cos varphi +isin varphi right)}
Как уже сказано выше, для нуля аргумент φ{displaystyle varphi } не определён; для ненулевого числа φ{displaystyle varphi } определяется с точностью до целого кратного 2π{displaystyle 2pi }.
Показательная форма |
Фундаментальное значение в комплексном анализе имеет формула Эйлера[18]:
- eiφ=cosφ+isinφ,{displaystyle e^{ivarphi }=cos varphi +isin varphi ,}
где e{displaystyle e} — число Эйлера, cos,sin{displaystyle cos ,sin } — функции косинуса и синуса, eiφ{displaystyle e^{ivarphi }} — комплексная экспонента, продолжающая вещественную на случай комплексного показателя степени.
Применяя эту формулу к тригонометрической форме, получим показательную форму комплексного числа[18]:
- z=reiφ{displaystyle z=re^{ivarphi }}
Следствия
- (1) Модуль выражения eiφ,{displaystyle e^{ivarphi },} где φ{displaystyle varphi } вещественно, равен 1.
- (2) cosφ=eiφ+e−iφ2;sinφ=eiφ−e−iφ2i{displaystyle cos varphi ={frac {e^{ivarphi }+e^{-ivarphi }}{2}};quad sin varphi ={frac {e^{ivarphi }-e^{-ivarphi }}{2i}}} — при комплексном φ{displaystyle varphi } эти равенства могут служить определением косинуса и синуса.
Пример[19]. Представим в тригонометрической и показательной форме число z=−1−3i:{displaystyle z=-1-{sqrt {3}}i:}
|z|=(−1)2+(−3)2=1+3=2{displaystyle |z|={sqrt {(-1)^{2}+(-{sqrt {3}})^{2}}}={sqrt {1+3}}=2};
φ=−π+arctg(−3−1)=−π+arctg(3)=−2π3{displaystyle varphi =-pi +operatorname {arctg} {Bigl (}{frac {-{sqrt {3}}}{-1}}{Bigr )}=-pi +operatorname {arctg} ({sqrt {3}})=-{frac {2pi }{3}}} (поскольку z{displaystyle z} находится в III координатной четверти).
Отсюда:
- z=2(cos−2π3+isin−2π3)=2ei−2π3{displaystyle z=2left(cos {frac {-2pi }{3}}+isin {frac {-2pi }{3}}right)=2e^{i{frac {-2pi }{3}}}}
Формула Муавра и извлечение корней |
Эта формула помогает возводить в целую степень ненулевое комплексное число, представленное в тригонометрической форме. Формула Муавра имеет вид[10]:
zn=[r(cosφ+isinφ)]n=rn(cosnφ+isinnφ){displaystyle z^{n}=left[rleft(cos varphi +isin varphi right)right]^{n}=r^{n}left(cos nvarphi +isin nvarphi right)},
где r{displaystyle r} — модуль, а φ{displaystyle varphi } — аргумент комплексного числа. В современной символике она опубликована Эйлером в 1722 году. Приведённая формула справедлива при любом целом n{displaystyle n}, не обязательно положительном.
Аналогичная формула применима также и при вычислении корней n{displaystyle n}-й степени из ненулевого комплексного числа[18]:
z1/n=[r(cos(φ+2πk)+isin(φ+2πk))]1/n={displaystyle z^{1/n}=left[rleft(cos left(varphi +2pi kright)+isin left(varphi +2pi kright)right)right]^{1/n}=}
- =rn(cosφ+2πkn+isinφ+2πkn),k=0,1,…,n−1.{displaystyle ={sqrt[{n}]{r}}left(cos {frac {varphi +2pi k}{n}}+isin {frac {varphi +2pi k}{n}}right),quad k=0,;1,;ldots ,;n-1.}
Это значит, что корни n{displaystyle n}-й степени из ненулевого комплексного числа всегда существуют, и их количество равно n{displaystyle n}. На комплексной плоскости, как видно из формулы, все эти корни являются вершинами правильного n{displaystyle n}-угольника, вписанного в окружность радиуса rn{displaystyle {sqrt[{n}]{r}}} с центром в начале координат (см. рисунок).
Для извлечения квадратного корня из комплексного числа, записанного в стандартном формате a+bi,{displaystyle a+bi,} можно преобразовать это число в тригонометрическую форму и воспользоваться вышеприведённой формулой для n=2.{displaystyle n=2.} Но существует и чисто алгебраическое представление для двух значений корня: ±(c+di),{displaystyle pm (c+di),} где[20]:
- c=a+a2+b22{displaystyle c={sqrt {frac {a+{sqrt {a^{2}+b^{2}}}}{2}}}}
- d=sgn(b)−a+a2+b22{displaystyle d=operatorname {sgn}(b){sqrt {frac {-a+{sqrt {a^{2}+b^{2}}}}{2}}}}
Здесь sgn{displaystyle operatorname {sgn} } — функция «знак», а радикалы обозначают обычный арифметический корень из неотрицательного вещественного числа. Формула легко проверяется возведением c+di{displaystyle c+di} в квадрат.
Пример: для квадратного корня из 3+4i{displaystyle 3+4i} формулы дают два значения: 2+i;−2−i.{displaystyle 2+i;;-2-i.}
История |
Впервые, по-видимому, мнимые величины были упомянуты в труде Кардано «Великое искусство, или об алгебраических правилах» (1545), в рамках формального решения задачи по вычислению двух чисел, сумма которых равна 10, а произведение — 40. Он получил для этой задачи квадратное уравнение, корни которого: 5+−15{displaystyle 5+{sqrt {-15}}} и 5−−15{displaystyle 5-{sqrt {-15}}}. В комментарии к решению он написал: «эти сложнейшие величины бесполезны, хотя и весьма хитроумны», и «арифметические соображения становятся всё более неуловимыми, достигая предела столь же утончённого, сколь и бесполезного»[21].
Возможность использования мнимых величин при решении кубического уравнения впервые описал Бомбелли (1572), он же дал правила сложения, вычитания, умножения и деления комплексных чисел. Уравнение x3=15x+4{displaystyle x^{3}=15x+4} имеет вещественный корень x=4{displaystyle x=4}, однако по формулам Кардано получаем: x=2+11i3+2−11i3{displaystyle x={sqrt[{3}]{2+11i}}+{sqrt[{3}]{2-11i}}}. Бомбелли обнаружил, что 2±11i3=2±i{displaystyle {sqrt[{3}]{2pm 11i}}=2pm i}, так что сумма этих величин даёт нужный вещественный корень. Он отметил, что в подобных (неприводимых) случаях комплексные корни уравнения всегда сопряжены, поэтому в сумме и получается вещественное значение. Разъяснения Бомбелли положили начало успешному применению в математике комплексных чисел[22][21].
Выражения, представимые в виде a+b−1{displaystyle a+b{sqrt {-1}}}, появляющиеся при решении квадратных и кубических уравнений, стали называть «мнимыми» в XVI—XVII веках с подачи Декарта, который называл их так, отвергая их реальность. Для многих других крупных учёных XVII века природа и право на существование мнимых величин представлялись весьма сомнительными. Лейбниц, например, в 1702 году 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». Несмотря на эти сомнения, математики уверенно применяли к комплексным числам привычные для вещественных величин алгебраические правила и получали корректные результаты[21].
Долгое время было неясно, все ли операции над комплексными числами приводят к комплексным или вещественным результатам, или, например, извлечение корня может привести к открытию ещё какого-то нового типа чисел. Задача о выражении корней степени n{displaystyle n} из данного числа была решена в работах Муавра (1707) и Котса (1722)[23].
Символ i{displaystyle i} для обозначения мнимой единицы предложил Эйлер (1777, опубл. 1794), взявший для этого первую букву латинского слова imaginarius — «мнимый». Он же распространил все стандартные функции, включая логарифм, на комплексную область. Эйлер также высказал в 1751 году мысль, что в системе комплексных чисел любой многочлен имеет корень (основная теорема алгебры, до Эйлера сходные предположения высказывали Альбер Жирар и Рене Декарт)[24]. К такому же выводу пришёл д’Аламбер (1747), но первое строгое доказательство этого факта принадлежит Гауссу (1799)[22]. Гаусс и ввёл в широкое употребление термин «комплексное число» в 1831 году (ранее термин использовал в том же смысле французский математик Лазар Карно в 1803 году, но тогда он не получил распространения)[25].
Геометрическое представление комплексных чисел, немало способствовавшее их легализации, предложили в конце XVIII — начале XIX веков сначала Вессель и Арган (их работы не привлекли внимания), а затем Гаусс[26]. Арифметическая (стандартная) модель комплексных чисел как пар вещественных чисел была построена Гамильтоном («Теория алгебраических пар», 1837); это доказало непротиворечивость их свойств. Термины «модуль», «аргумент» и «сопряжённое число» ввёл в начале XIX века Коши, значительно продвинувший комплексный анализ. С XIX века началось бурное и чрезвычайно плодотворное развитие исследований функций комплексного переменного.[2][27].
С учётом этого успешного подхода начались поиски способа представления векторов в трёхмерном пространстве, аналогичное комплексной плоскости. В результате пятнадцатилетних поисков Гамильтон предложил в 1843 году обобщение комплексных чисел — кватернионы, которые он был вынужден сделать не трёхмерными, а четырёхмерными (трёхмерные векторы изображала мнимая часть кватернионов); также Гамильтону пришлось отказаться от коммутативности операции умножения[2].
Комплексные функции |
Аналитические функции |
Комплексная функция одной переменной — это функция w=f(z){displaystyle w=f(z)}, которая определена на некоторой области комплексной плоскости и ставит в соответствие точкам z{displaystyle z} этой области комплексные значения w{displaystyle w}[28]. Примеры:
- w=z2+z+1;w=z+1z{displaystyle w=z^{2}+z+1;quad w=z+{frac {1}{z}}}
Каждая комплексная функция w=f(z)=f(x+iy){displaystyle w=f(z)=f(x+iy)} может рассматриваться как пара вещественных функций от двух переменных: f(z)=u(x,y)+iv(x,y){displaystyle f(z)=u(x,;y)+iv(x,;y)}, определяющих её вещественную и мнимую часть соответственно. Функции u{displaystyle u}, v{displaystyle v} называются компонентами комплексной функции f(z).{displaystyle f(z).} Аналогично определяется функция нескольких комплексных переменных[28].
Наглядное представление комплексной функции графиком затруднительно, так как даже для функции одной комплексной переменной график требует четырёх измерений (два на область определения и ещё два для области значений). Если вместо значения функции рассматривать её модуль |w|=|f(z)|,{displaystyle |w|=|f(z)|,} то полученный рельеф функции размещается в трёх измерениях и даёт некоторое представление о поведении функции[29].
Все стандартные функции анализа — многочлен, дробно-линейная функция, степенная функция, экспонента, тригонометрические функции, обратные тригонометрические функции, логарифм — могут быть распространены на комплексную плоскость. При этом для них будут иметь место те же алгебраические, дифференциальные и другие тождества, что и для вещественного оригинала[28], например:
- sin2z+cos2z=1;eu⋅ev=eu+v{displaystyle sin ^{2}z+cos ^{2}z=1;qquad e^{u}cdot e^{v}=e^{u+v}}
Для комплексных функций определяются понятия предела, непрерывности и производной так же, как в вещественном анализе, с заменой абсолютной величины на комплексный модуль[28].
Дифференцируемые комплексные функции (то есть функции, имеющие производную) обладают рядом особенностей по сравнению с вещественными[30].
- Вещественная и мнимая часть дифференцируемой функции — гармонические функции, связанные условиями Коши — Римана.
- Всякая дифференцируемая в некоторой окрестности точки z{displaystyle z} комплексная функция дифференцируема неограниченное число раз в этой точке (то есть аналитична, или голоморфна).
Определённый интеграл для функций одной комплексной переменной, вообще говоря, зависит от пути интегрирования (то есть выбора кривой от начальной до конечной точки в комплексной плоскости). Однако если интегрируемая функция аналитична в односвязной области, то её интеграл внутри этой области не зависит от пути[31].
Преобразования комплексной плоскости |
Всякая комплексная функция может рассматриваться как преобразование комплексной плоскости (или как преобразование одной комплексной плоскости в другую). Примеры:
w=z+c{displaystyle w=z+c} — параллельный перенос, определяемый радиус-вектором точки c.{displaystyle c.}
w=uz{displaystyle w=uz}, где u{displaystyle u} — комплексное число с единичным модулем — поворот вокруг начала координат на угол, равный аргументу u.{displaystyle u.}
w=z¯{displaystyle w={bar {z}}} — зеркальное отражение относительно вещественной оси.
Поскольку любое движение на плоскости есть комбинация перечисленных трёх преобразований, функции w=uz+c{displaystyle w=uz+c} и w=uz¯+c{displaystyle w=u{bar {z}}+c} дают общее выражение для движения на комплексной плоскости[32].
Другие линейные преобразования[32]:
w=rz{displaystyle w=rz}, где r{displaystyle r} — положительное вещественное число, задаёт растяжение, масштаб которого зависит от r{displaystyle r} (сжатие, если r<1{displaystyle r<1}).- Преобразования w=az+b{displaystyle w=az+b} и w=az¯+b{displaystyle w=a{bar {z}}+b}, где a,b{displaystyle a,b} — произвольные комплексные числа, задают преобразование подобия.
- Преобразование w=az+bz¯+c,{displaystyle w=az+b{bar {z}}+c,} где |a|≠|b|{displaystyle |a|neq |b|} — общий вид аффинного преобразования комплексной плоскости.
Важную роль в комплексном анализе играют дробно-линейные преобразования[33]:
- w=az+bcz+d{displaystyle w={frac {az+b}{cz+d}}}
При этом ad≠bc{displaystyle adneq bc} (иначе функция w(z){displaystyle w(z)} вырождается в константу). Характеристическое свойство дробно-линейного преобразования: оно переводит окружности и прямые в окружности и прямые. При этом образом окружности может оказаться прямая, и наоборот[33].
Среди других практически полезных функций преобразования: инверсия w=1/z¯,{displaystyle w=1/{bar {z}},} функция Жуковского.
Аналитическая геометрия на комплексной плоскости |
Исследование плоских фигур нередко облегчается, если перенести их на комплексную плоскость. Многие теоремы планиметрии допускают наглядную и компактную запись с помощью комплексных чисел, например[34]:
- Три (различные) точки z1,z2,z3{displaystyle z_{1},z_{2},z_{3}} лежат на одной прямой тогда и только тогда, когда выполняется условие:
z1−z3z2−z3{displaystyle {frac {z_{1}-z_{3}}{z_{2}-z_{3}}}} является вещественным числом.
- Четыре (различные) точки z1,z2,z3,z4{displaystyle z_{1},z_{2},z_{3},z_{4}} лежат на одной окружности (или на одной прямой) тогда и только тогда, когда выполняется условие:
- отношение z1−z3z2−z3:z1−z4z2−z4{displaystyle {frac {z_{1}-z_{3}}{z_{2}-z_{3}}}:{frac {z_{1}-z_{4}}{z_{2}-z_{4}}}} является вещественным числом.
- Если даны три вершины параллелограмма: z1,z2,z3,{displaystyle z_{1},z_{2},z_{3},} то четвёртая определяется равенством[35]: z4=z1−z2+z3.{displaystyle z_{4}=z_{1}-z_{2}+z_{3}.}
Параметрическое уравнение прямой на комплексной плоскости имеет вид[36]:
z=ut+v,{displaystyle z=ut+v,} где u,v{displaystyle u,v} — комплексные числа, u≠0,t{displaystyle uneq 0,t} — произвольный вещественный параметр.
Угол между двумя прямыми z=ut+v{displaystyle z=ut+v} и z=u′t+v′{displaystyle z=u't+v'} равен arg(u′/u).{displaystyle operatorname {arg} (u'/u).} В частности, прямые перпендикулярны, когда u′/u{displaystyle u'/u} — чисто мнимое число. Две прямые параллельны тогда и только тогда, когда u′/u{displaystyle u'/u} есть вещественное число; если при этом (v′−v)/u{displaystyle (v'-v)/u} также вещественно, то обе прямые совпадают. Каждая прямая z=ut+v{displaystyle z=ut+v} рассекает комплексную плоскость на две полуплоскости: на одной из них выражение t=Imz−vu{displaystyle t=operatorname {Im} {frac {z-v}{u}}} положительно, на другой — отрицательно[36].
Уравнение окружности с центром c{displaystyle c} и радиусом r{displaystyle r} имеет чрезвычайно простой вид: |z−c|=r.{displaystyle |z-c|=r.} Неравенство |z−c|<r{displaystyle |z-c|<r} описывает внутренность окружности[36]. Часто удобна параметрическая форма уравнения окружности[37]: z=c+eiφ.{displaystyle z=c+e^{ivarphi }.}
Место в общей алгебре, топологии и теории множеств |
Множество комплексных чисел C{displaystyle mathbb {C} } образует поле, которое является конечным расширением степени 2 поля вещественных чисел R.{displaystyle mathbb {R} .} Основное алгебраическое свойство C{displaystyle mathbb {C} } — оно алгебраически замкнуто, то есть в нём любой многочлен имеет (комплексные) корни и, следовательно, распадается на линейные множители. Говорят также, что C{displaystyle mathbb {C} } есть алгебраическое замыкание[38] поля R.{displaystyle mathbb {R} .}
Характеристика комплексного поля равна нулю, мощность C{displaystyle mathbb {C} } как множества та же, что и у поля вещественных чисел, то есть континуум. Теорема Фробениуса установила, что существуют только два тела, являющиеся конечными расширениями R{displaystyle mathbb {R} } — поле комплексных чисел и тело кватернионов[39].
Превратить поле комплексных чисел в упорядоченное поле невозможно, потому что в упорядоченном поле квадрат любого элемента неотрицателен, и мнимая единица в нём не может существовать.
Из свойств модуля следует, что комплексные числа образуют структуру двумерного нормированного пространства над полем R.{displaystyle mathbb {R} .}
Поле C{displaystyle mathbb {C} } допускает бесконечно много автоморфизмов, но только один из них (не считая тождественного) оставляет вещественные числа на месте[40].
Поля R{displaystyle mathbb {R} } и C{displaystyle mathbb {C} } — единственные связные локально компактные топологические поля[41].
Некоторые практические применения |
Те особенности комплексных чисел и функций, которые отличают их от вещественных, оказались полезными, а часто и незаменимыми в математике, в естественных науках и технике.
Математика |
Приложения комплексных чисел сами по себе занимают видное место в математике — в частности, понятия алгебраических чисел, нахождение корней многочленов, теория Галуа, комплексный анализ и т. д.
Перенеся геометрическую задачу с обычной плоскости на комплексную, мы нередко получаем возможность значительно упростить её решение[42][43].
Многие сложные задачи теории чисел (например, теория биквадратичных вычетов) и вещественного математического анализа (например, вычисление сложных или несобственных интегралов) удалось решить только с помощью средств комплексного анализа. Мощным инструментом для открытий в теории чисел оказались, например, гауссовы числа вида a+bi,{displaystyle a+bi,} где a,b{displaystyle a,b} — целые числа[44]. Для исследования распределения простых чисел понадобилась комплексная дзета-функция Римана[45].
Нередко проблемы вещественного анализа проясняются при их комплексном обобщении. Классический пример — разложение в ряд
- 11+x2=1−x2+x4−x6+…{displaystyle {frac {1}{1+x^{2}}}=1-x^{2}+x^{4}-x^{6}+ldots }
Этот ряд сходится только в интервале (−1;1){displaystyle (-1;;1)}, хотя точки ±1{displaystyle pm 1} не являются какими-то особенными для приведённой функции. Положение проясняется при переходе к функции комплексного переменного f(z)=11+z2{displaystyle f(z)={frac {1}{1+z^{2}}}}, у которой обнаруживаются две особые точки: ±i{displaystyle pm i}. Соответственно, эту функцию можно разложить в ряд Тейлора только в круге единичного радиуса[46].
При решении линейных дифференциальных уравнений важно сначала найти все комплексные корни характеристического многочлена, а затем попытаться решить систему в терминах базовых экспонент[47]. В разностных уравнениях используются для аналогичной цели комплексные корни характеристического уравнения системы разностных уравнений[48]. С помощью теории вычетов, являющейся частью комплексного анализа, вычисляются многие сложные интегралы по замкнутым контурам[49]..
Исследование функции часто связано с анализом её частотного спектра с помощью комплексного преобразования Фурье или Лапласа[50].
Конформное отображение |
Как уже отмечалось выше, всякая комплексная функция может рассматриваться как преобразование одной комплексной плоскости в другую. Гладкая (аналитическая) функция обладает двумя особенностями: если в заданной точке производная не равна нулю, то коэффициент растяжения/сжатия при этом преобразовании одинаков по всем направлениям, угол поворота также постоянен (конформное отображение)[51]. С этим фактом связано широкое применение комплексных функций в картографии[52][53] и гидродинамике[54].
Квантовая механика |
Основой квантовой механики является понятие комплексной волновой функции, Для описания динамики квантовой системы используются дифференциальные уравнения с комплексными коэффициентами типа уравнения Шрёдингера. Решения этих уравнений заданы в комплексном гильбертовом пространстве. Операторы, соответствующие наблюдаемым величинам, эрмитовы. Коммутатор операторов координаты x^{displaystyle {hat {x}}} и импульса p^x{displaystyle {hat {p}}_{x}} представляет собой мнимое число[55]:
- [x^,p^x]=x^p^x−p^xx^=iℏ{displaystyle left[{hat {x}},{hat {p}}_{x}right]={hat {x}}{hat {p}}_{x}-{hat {p}}_{x}{hat {x}}=ihbar }
Здесь ℏ{displaystyle hbar } — редуцированная постоянная Планка h{displaystyle h}, то есть h/2π{displaystyle h/2pi } (постоянная Дирака).
Важную роль в квантовой механике играют матрицы Паули и матрицы Дирака, некоторые из них содержат комплексные значения[55].
Электротехника |
Поскольку переменный ток есть колебательный процесс, его удобно описывать и исследовать с применением комплексных чисел. Вводятся также понятия импеданса или комплексного сопротивления для реактивных элементов электрической цепи таких как ёмкость и индуктивность — это помогает рассчитать токи в цепи[56]. Ввиду того, что традиционно символ i{displaystyle i} в электротехнике обозначает величину тока, мнимую единицу там обозначают буквой j{displaystyle j}[57]. Во многих областях электротехники (в основном радиочастотной и оптической) используется не запись уравнений тока и напряжения для цепи, а напрямую уравнения Максвелла в их спектральном представлении, физические величины которых заданы в комплексной плоскости, и при переходе из (t,x){displaystyle (t,x)}- в (ω,k){displaystyle (omega ,k)}-пространство (где t{displaystyle t} — время, ω{displaystyle omega } — угловая частота) посредством преобразования Фурье получаются более простые уравнения без производных[58].
Логические основания |
Расширение поля вещественных чисел до комплексных, как и любое другое расширение алгебраической структуры, ставит множество вопросов, основные из которых — как определить операции над новым типом чисел, какие свойства будут иметь новые операции и (главный вопрос) допустимо ли такое расширение, не приведёт ли оно к неустранимым противоречиям. Для анализа подобных вопросов надо сформировать набор аксиом для комплексных чисел.
Аксиоматика комплексных чисел |
Можно определить аксиоматику множества комплексных чисел C{displaystyle mathbb {C} }, если опираться на аксиоматическую теорию вещественных чисел R{displaystyle mathbb {R} }. Именно, определим C{displaystyle mathbb {C} } как минимальное поле, содержащее множество вещественных чисел и квадратный корень из −1 (мнимую единицу). Более строго, аксиомы комплексных чисел следующие[59][60].
С1: Для всяких комплексных чисел u,v{displaystyle u,v} определена их сумма u+v{displaystyle u+v}.
С2: Сложение коммутативно: u+v=v+u{displaystyle u+v=v+u}. Для краткости оговорку «для всяких u,v,w{displaystyle u,v,w}» далее, как правило, опускаем.
С3: Сложение ассоциативно: (u+v)+w=u+(v+w).{displaystyle (u+v)+w=u+(v+w).}
С4: Существует элемент 0 (ноль) такой, что u+0=u{displaystyle u+0=u}.
С5: Для всякого комплексного числа u{displaystyle u} существует «противоположный ему» элемент −u{displaystyle -u} такой, что u+(−u)=0.{displaystyle u+(-u)=0.}
С6: Для всяких комплексных чисел u,v{displaystyle u,v} определено их произведение uv{displaystyle uv}.
С7: Умножение коммутативно: uv=vu.{displaystyle uv=vu.}
С8: Умножение ассоциативно: (uv)w=u(vw).{displaystyle (uv)w=u(vw).}
С9: Умножение связано со сложением распределительным (дистрибутивным) законом: (u+v)w=uw+vw.{displaystyle (u+v)w=uw+vw.}
С10: Существует элемент 1 (единица), не равный нулю и такой, что u⋅1=u{displaystyle ucdot 1=u}.
С11: Для всякого ненулевого числа u{displaystyle u} существует «обратное ему» число u′{displaystyle u'} такое, что u⋅u′=1.{displaystyle ucdot u'=1.}
С12: Множество комплексных чисел C{displaystyle mathbb {C} } содержит подполе, изоморфное полю вещественных чисел R{displaystyle mathbb {R} }. Для простоты далее это подполе обозначается той же буквой R{displaystyle mathbb {R} }.
С13: Существует элемент i{displaystyle i} (мнимая единица) такой, что i2+1=0.{displaystyle i^{2}+1=0.}
С14 (аксиома минимальности): Пусть M{displaystyle M} — подмножество C{displaystyle mathbb {C} }, удовлетворяющее следующим условиям: оно содержит R{displaystyle mathbb {R} } и мнимую единицу и замкнуто относительно сложения и умножения. Тогда M{displaystyle M} совпадает со всем C{displaystyle mathbb {C} }.
Из этих аксиом вытекают как следствия все прочие свойства. Первые 11 аксиом означают, что C{displaystyle mathbb {C} } образует поле, а 12-я аксиома устанавливает, что это поле является расширением R.{displaystyle mathbb {R} .} Приведённая аксиоматика категорична, то есть любые её модели изоморфны[61].
Существуют и другие варианты аксиоматики комплексных чисел. Например, вместо того, чтобы опираться на уже построенное упорядоченное поле вещественных чисел, можно в качестве базы использовать аксиоматику теории множеств[62].
Непротиворечивость и модели |
Стандартный способ доказать непротиворечивость новой структуры — смоделировать (интерпретировать) её аксиомы с помощью объектов другой структуры, чья непротиворечивость сомнений не вызывает. В нашем случае мы должны реализовать эти аксиомы на базе вещественных чисел[63].
Стандартная модель |
Рассмотрим всевозможные упорядоченные пары вещественных чисел. В данной модели каждая такая пара (a,b){displaystyle (a,b)} будет соответствовать комплексному числу a+bi.{displaystyle a+bi.}[64]
Далее определим[63]:
- Пары (a,b){displaystyle (a,b)} и (c,d){displaystyle (c,d)} считаются равными, если a=c{displaystyle a=c} и b=d{displaystyle b=d}.
Сложение: сумма пар (a,b){displaystyle (a,b)} и (c,d){displaystyle (c,d)} определяется как пара (a+c,b+d){displaystyle (a+c,b+d)}.
Умножение: произведение пар (a,b){displaystyle (a,b)} и (c,d){displaystyle (c,d)} определяется как пара (ac−bd,ad+bc){displaystyle (ac-bd,ad+bc)}.
Пояснение: сложное, на первый взгляд, определение умножения легко выводится из соотношения i2=−1{displaystyle i^{2}=-1}:
- (a+bi)(c+di)=(a+bi)c+(a+bi)di=ac+bci+adi+bdi2=(ac−bd)+i(ad+bc){displaystyle (a+bi)(c+di)=(a+bi)c+(a+bi)di=ac+bci+adi+bdi^{2}=(ac-bd)+i(ad+bc)}
Несложно убедиться, что описанная структура пар образует поле и удовлетворяет всему приведённому перечню аксиом комплексных чисел. Вещественные числа моделируются парами (a,0){displaystyle (a,0)}, образующими подполе R{displaystyle mathbb {R} }, причём операции с такими парами согласованы с обычными сложением и умножением вещественных чисел. Пары (0,0){displaystyle (0,0)} и (1,0){displaystyle (1,0)} соответствуют нулю и единице поля. Такой способ является частным случаем процедуры Кэли — Диксона.
Мнимая единица — это пара (0,1){displaystyle (0,1)}. Квадрат её равен (−1,0){displaystyle left(-1,;0right)}, то есть −1.{displaystyle -1.} Любое комплексное число можно записать в виде (a,b)=(a,0)(1,0)+(b,0)(0,1)=a(1,0)+b(0,1)=a+bi.{displaystyle (a,b)=(a,0)(1,0)+(b,0)(0,1)=a(1,0)+b(0,1)=a+bi.}
Описанная модель доказывает, что приведённая аксиоматика комплексных чисел непротиворечива. Потому что если бы в ней было противоречие, то это означало бы противоречие и в базовой для данной модели арифметике вещественных чисел, которую мы заранее предположили непротиворечивой[63].
Матричная модель |
Комплексные числа можно также определить как подкольцо кольца вещественных матриц 2×2 вида
- (x−yyx){displaystyle {begin{pmatrix}x&-y\y&xend{pmatrix}}}
с обычным матричным сложением и умножением[2]. Вещественной единице будет соответствовать
(1001){displaystyle {begin{pmatrix}1&0\0&1end{pmatrix}}},
мнимой единице —
(0−110){displaystyle {begin{pmatrix}0&-1\1&0end{pmatrix}}}.
Множество таких матриц является двумерным векторным пространством. Умножение на комплексное число x+iy{displaystyle x+iy} является линейным оператором. В базисе e1=1,e2=i{displaystyle e_{1}=1,e_{2}=i} линейный оператор A умножения на x+iy{displaystyle x+iy} представляется указанной выше матрицей, так как[2]:
- (x+iy)⋅1=x⋅1+y⋅i{displaystyle (x+iy)cdot 1=xcdot 1+ycdot i}
- (x+iy)⋅i=(−y)⋅1+x⋅i{displaystyle (x+iy)cdot i=(-y)cdot 1+xcdot i}
Матричная модель позволяет легко продемонстрировать связь между комплексными числами и линейными преобразованиями плоскости определённого типа.
А именно, существует взаимно однозначное соответствие между комплексными числами и поворотными гомотетиями плоскости (комбинациями растяжения и поворота): каждая поворотная гомотетия может быть представлена на комплексной плоскости как умножение на комплексное число[65].
Модель фактор-кольца многочленов |
Рассмотрим кольцо многочленов R[x]{displaystyle mathbb {R} [x]} с вещественными коэффициентами и построим его фактор-кольцо по модулю многочлена x2+1{displaystyle x^{2}+1} (или, что то же, по идеалу, порождённому указанным многочленом). Это значит, что два многочлена из R[x]{displaystyle mathbb {R} [x]} мы будем считать эквивалентными, если при делении на многочлен x2+1{displaystyle x^{2}+1} они дают одинаковые остатки. Например, многочлен x2{displaystyle x^{2}} будет эквивалентен константе −1{displaystyle -1}, многочлен x3{displaystyle x^{3}} будет эквивалентен −x{displaystyle -x} и т. д.[66]
Множество классов эквивалентности образует кольцо с единицей. Так как многочлен x2+1{displaystyle x^{2}+1} неприводим, то это факторкольцо является полем. Роль мнимой единицы играет многочлен i(x)=x{displaystyle i(x)=x}, поскольку квадрат его (см. выше) эквивалентен −1.{displaystyle -1.} Каждый класс эквивалентности содержит остаток вида a+bx{displaystyle a+bx} (от деления на x2+1{displaystyle x^{2}+1}), который в силу сказанного можно записать как a+bi.{displaystyle a+bi.} Следовательно, это поле изоморфно полю комплексных чисел[66].
Данный изоморфизм был обнаружен Коши в 1847 году. Этот подход может быть использован для построения обобщений комплексных чисел, таких как алгебры Клиффорда[67].
Алгебраическая характеризация |
Как уже упоминалось выше, поле комплексных чисел алгебраически замкнуто и имеет характеристику ноль (из последнего свойства вытекает, что оно содержит подполе рациональных чисел Q{displaystyle mathbb {Q} }). Кроме того, любой базис трансцендентности C{displaystyle mathbb {C} } над Q{displaystyle mathbb {Q} } имеет мощность континуум[K 3]. Этих трёх свойств достаточно, чтобы задать поле комплексных чисел с точностью до изоморфизма полей — между любыми двумя алгебраически замкнутыми полями характеристики 0 с континуальным базисом трансцендентности существует некоторое отождествление, согласованное с операциями сложения и умножения этих полей[68][69][K 4].
При этом отождествлении другие структуры, вроде нормы или топологии, могут не сохраняться. Например, алгебраическое замыкание Q¯p{displaystyle {overline {mathbb {Q} }}_{p}} поля p{displaystyle p}-адических чисел также удовлетворяет трём указанным свойствам. Однако p{displaystyle p}-адическая норма не является архимедовой[en] и, следовательно, не эквивалентна обычной норме комплексных чисел при любом выборе изоморфизма[70]. Поэтому они задают различную структуру топологического векторного пространства: множество из любого элемента векторного пространства и его целозначных кратностей дискретно в комплексном случае и компактно — в p{displaystyle p}-адическом[70].
Вариации и обобщения |
Ближайшее обобщение комплексных чисел было обнаружено в 1843 году. Им оказалось тело кватернионов, которое, в отличие от поля комплексных чисел, содержит три мнимые единицы, традиционно обозначаемые i,j,k.{displaystyle i,j,k.} Согласно теореме Фробениуса, комплексные числа являются одним из трёх возможных случаев конечномерной алгебры с делением над полем вещественных чисел. В 1919 году выяснилось, что и комплексные числа из вещественных, и кватернионы из комплексных чисел могут быть получены единой процедурой удвоения размерности, также известной как «процедура Кэли — Диксона»[71].
Дальнейшим применением этой процедуры образуются числа, описанные Артуром Кэли в 1845 году, до обнаружения этой процедуры, и названные «числами Кэли» (октонионы, октавы). Числа, получаемые следующим применением процедуры, названы седенионами. Несмотря на то, что эту процедуру можно повторять и далее, дальнейшие числа названий пока не имеют[71].
Примечания |
- Комментарии
↑ Два возможных ударения указаны 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) приводятся варианты: Компле́ксное число (стр. 691), но Ко́мплексный анализ (стр. 695).
- Орфографический словарь русского языка (изд. 6-е, 2010), Грамматический словарь русского языка, Русский орфографический словарь Российской академии наук под ред. В. В. Лопатина (изд. 4-е, 2013) и ряд других словарей указывают варианты: ко́мплексный и компле́ксный (матем.).
↑ При условии непротиворечивости системы вещественных чисел.
↑ То есть отличается от Q(xi),i∈R{displaystyle mathbb {Q} (x_{i}),iin mathbb {R} } (поля рациональных функций для набора переменных xi{displaystyle x_{i}} мощности континуум) на алгебраическое расширение
↑ Поскольку отображение в алгебраически замкнутое поле всегда может быть продлено на алгебраическое расширение, для установления изоморфизма между алгебраическими замкнутыми полями достаточно установить изоморфизм между их простыми подполями и биекцию между базисами трансцендентности.
- Использованная литература
↑ 12 Справочник по элементарной математике, 2006, с. 211, подстрочное примечание.
↑ 12345 Комплексное число // Математическая энциклопедия (в 5 томах). — М.: Советская Энциклопедия, 1979. — Т. 2. — С. 1007.
↑ Энциклопедия элементарной математики, 1951, с. 227.
↑ Справочник по элементарной математике, 2006, с. 222.
↑ 1234567 Алгебра и математический анализ, 1998, с. 180—181.
↑ Real Part (неопр.). Проверено 16 января 2018.
↑ Imaginary Part (неопр.). Проверено 16 января 2018.
↑ Ahlfors Lars V., 1979, с. 2.
↑ История математики, том III, 1972, с. 72.
↑ 12 Энциклопедия элементарной математики, 1951, с. 237—239.
↑ История математики, том III, 1972, с. 61—66.
↑ Энциклопедия элементарной математики, 1951, с. 233—234.
↑ 12345 Энциклопедия элементарной математики, 1951, с. 234—235, 239—240.
↑ ГОСТ Р 52002-2003. Электротехника. Термины и определения основных понятий. Пункт 152. Комплексная амплитуда (синусоидального электрического) тока — комплексная величина, модуль и аргумент которой равны соответственно амплитуде и начальной фазе данного синусоидального электрического тока.
↑ 123456 Ahlfors Lars V., 1979, с. 6—10.
↑ Свешников А. Г., Тихонов А. Н., 1967, с. 14—15.
↑ 12 Алгебра и математический анализ, 1998, с. 183—1851.
↑ 1234 Ahlfors Lars V., 1979, с. 15—16.
↑ Соломенцев Е. Д., 1988, с. 7.
↑ Ahlfors Lars V., 1979, с. 3—4.
↑ 123 Клайн Моррис. Математика. Утрата определённости. — М.: Мир, 1984. — С. 138—139.
↑ 12 Стиллвелл Д. Математика и ее история. — Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004. — С. 258—266. — 530 с.
↑ История математики, том III, 1972, с. 57—61.
↑ Юшкевич А. П. Леонард Эйлер. Жизнь и творчество // Развитие идей Леонарда Эйлера и современная наука. Сб. статей. — М.: Наука, 1988. — ISBN 5-02-000002-7. — С. 15—47.
↑ Острая О. Теория функций комплексного переменного (неопр.). Проверено 30 ноября 2017.
↑ Ренэ Декарт. Геометрия. С приложением избранных работ П. Ферма и переписки Декарта. — М.—Л.: Гостехиздат, 1938. — С. 233. — 297 с. — (Классики естествознания).
↑ Глейзер Г. И. История математики в школе. IX—X классы. — М.: Просвещение, 1983. — С. 193. — 351 с.
↑ 1234 Смирнов В. И., 2010, с. 7—15.
↑ Бронштейн, Семендяев, 1985, с. 360.
↑ Смирнов В. И., 2010, с. 15—22.
↑ Свешников А. Г., Тихонов А. Н., 1967, с. 44.
↑ 12 Заславский А. А. Геометрические преобразования. — 2-е изд.. — М.: МЦНМО, 2004. — С. 58. — 86 с. — ISBN 5-94057-094-1.
↑ 12 Евграфов М. А., 1968, с. 180—186.
↑ Привалов И. И., 1984, с. 43.
↑ Соломенцев Е. Д., 1988, с. 10.
↑ 123 Ahlfors Lars V., 1979, с. 17—18.
↑ Соломенцев Е. Д., 1988, с. 12.
↑ Числовые системы, 1975, с. 165.
↑ Энциклопедия элементарной математики, 1951, с. 249—251.
↑ Числовые системы, 1975, с. 167.
↑ Топологическое поле // Математическая энциклопедия (в 5 томах). — М.: Советская Энциклопедия, 1985. — Т. 5. — С. 386.
↑ Комплексные числа. 9—11 классы, 2012, Глава 5.
↑ Реальные применения мнимых чисел, 1988, с. 78.
↑ Реальные применения мнимых чисел, 1988, с. 114—124.
↑ Дербишир, Джон. Простая одержимость. Бернхард Риман и величайшая нерешенная проблема в математике. — Астрель, 2010. — 464 с. — ISBN 978-5-271-25422-2.
↑ Привалов И. И., 1984, с. 14.
↑ Филиппов А. Ф. Введение в теорию дифференциальных уравнений. — Эдиториал УРСС, 2004. — 240 с. — ISBN 5354004160.
↑ Разностное уравнение // Математическая энциклопедия (в 5 томах). — М.: Советская Энциклопедия, 1984. — Т. 4. — С. 838.
↑ Свешников А. Г., Тихонов А. Н., 1967, Глава 5.
↑ Свешников А. Г., Тихонов А. Н., 1967, Глава 8.
↑ Смирнов В. И., 2010, с. 22—25.
↑ Маркушевич А. И. Комплексные числа и конформные отображения. — М.: Гостехиздат, 1954. — 52 с. — (Популярные лекции по математике, выпуск 13).
↑ Shao-Feng Bian, Hou-Pu Li. Mathematical Analysis in Cartography by Means of Computer Algebra System (неопр.). Проверено 28 января 2018.
↑ Лаврентьев М. А., Шабат Б. В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. — М.: Наука, 1973.
↑ 12 Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Квантовая механика (нерелятивистская теория). — Издание 6-е, исправленное. — М.: Физматлит, 2004. — 800 с. — («Теоретическая физика», том III). — ISBN 5-9221-0530-2.
↑ Реальные применения мнимых чисел, 1988, с. 132—144.
↑ Молчанов А. П., Занадворов П. Н. Курс электротехники и радиотехники, глава «Линейные цепи». — BH V. — 608 с. — ISBN 978-5-9775-0544-4.
↑ Афонский А. А., Дьяконов В. П. Цифровые анализаторы спектра, сигналов и логики / Под ред. проф. В. П. Дьяконова. — М.: СОЛОН-Пресс, 2009. — С. 248. — ISBN 978-5-913-59049-7.
↑ Числовые системы, 1975, с. 164—165.
↑ Энциклопедия элементарной математики, 1951, с. 227—233.
↑ Числовые системы, 1975, с. 166.
↑ Real and Complex Numbers (неопр.). Проверено 13 февраля 2018.
↑ 123 Числовые системы, 1975, с. 167—168.
↑ Энциклопедия элементарной математики, 1951, с. 230—233.
↑ John Stillwell. The Four Pillars of Geometry. — Springer Science & Business Media, 2005-12-30. — С. 84—86. — 240 с. — ISBN 9780387290522.
↑ 12 Фаддеев Д. К. Лекции по алгебре. — М.: Наука, 1984. — С. 200—201. — 416 с.
↑ F. Brackx, R. Delanghe, H. Serras. Clifford Algebras and their Applications in Mathematical Physics: Proceedings of the Third Conference held at Deinze, Belgium, 1993. — Springer Science & Business Media, 2012-12-06. — С. 33. — 405 с. — ISBN 9789401120067.
↑ David Marker. Model Theory: An Introduction, ISBN 978-0-387-22734-4. Proposition 2.2.5. Springer Science & Business Media, 2002. См. также некоторые пояснения.
↑ William Weiss and Cherie D’Mello. Fundamentals of Model Theory. Lemma 7: Any two algebraically closed fields of characteristic 0 and cardinality ℵ1{displaystyle aleph _{1}} are isomorphic и комментарий после неё.
↑ 12 p-адическое число // Математическая энциклопедия (в 5 томах). — М.: Советская Энциклопедия, 1977. — Т. 1. — С. 100.: «Это расширение есть пополнение поля рациональных чисел относительно неархимедова нормирования… Поле Qp{displaystyle Q_{p}} локально компактно».
↑ 12 Dickson, L. E. (1919), "On Quaternions and Their Generalization and the History of the Eight Square Theorem", Annals of Mathematics, Second Series (Annals of Mathematics) . — Т. 20 (3): 155–171, ISSN 0003-486X, DOI 10.2307/1967865
Литература |
.mw-parser-output .ts-Родственные_проекты{background:#f8f9fa;border:1px solid #a2a9b1;clear:right;float:right;font-size:90%;margin:0 0 1em 1em;padding:.5em .75em}.mw-parser-output .ts-Родственные_проекты th,.mw-parser-output .ts-Родственные_проекты td{padding:.25em 0;vertical-align:middle}.mw-parser-output .ts-Родственные_проекты td{padding-left:.5em}
Комплексные числа в Викиучебнике | |
Комплексные числа на Викискладе |
- Балк М. Б., Балк Г. Д., Полухин А. А. Реальные применения мнимых чисел. — Киев: Радянська школа, 1988. — 255 с. — ISBN 5-330-00379-2.
- Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. — изд. 13-е. — М.: Наука, 1985. — 544 с.
- Бурбаки, Н. Очерки по истории математики. — М., 1963.
- Виленкин Н. Я., Ивашов-Мусатов О. С., Шварцбурд С. И. Алгебра и математический анализ для 11 класса. Учебное пособие. — Изд. 6-е. — М.: Просвещение, 1998. — 288 с. — ISBN 5-09-008036-4.
- Выгодский М. Я. Справочник по элементарной математике. — М.: АСТ, 2006. — 509 с. — ISBN 5-17-009554-6.
- Глазков Ю. А., Варшавский И. К., Гаиашвили М. Я. Комплексные числа. 9—11 классы. — М.: Экзамен, 2012. — 157 с. — ISBN 978-5-377-03467-4.
- Евграфов М. А. Аналитические функции. — 2-е изд., перераб. и дополн. — М.: Наука, 1968. — 472 с.
- Кириллов А. А. Что такое число?. — М., 1993. — 80 с. — ISBN 5-02-014942-3.
- Лаврентьев М. А., Шабат Б. В. Методы теории функций комплексного переменного. — 4-е изд. — М.: Наука, 1972.
- Математика XVIII столетия // История математики / Под редакцией А. П. Юшкевича, в трёх томах. — М.: Наука, 1972. — Т. III.
- Нечаев В. И. Числовые системы. — М.: Просвещение, 1975. — 199 с.
- Привалов И. И. Введение в теорию функций комплексного переменного. — 13-е изд.. — М.: Физматлит, 1984. — 432 с.
- Свешников А. Г., Тихонов А. Н. Теория функций комплексной переменной. — М.: Наука, 1967. — 304 с.
- Смирнов В. И. Курс высшей математики в трёх томах. — Изд. 10-е. — СПб.: БХВ-Петербург, 2010. — Т. 3, часть 2-я. — 816 с. — ISBN 978-5-9775-0087-6.
- Соломенцев Е. Д. Функции комплексного переменногои их применения. — М.: Высшая школа, 1988. — 167 с. — ISBN 5-06-003145-6.
- Энциклопедия элементарной математики (в 5 томах). — М.: Физматгиз, 1951. — Т. 1. — С. 160—168. — 448 с.
- Ahlfors Lars V. Complex analysis. An introduction to the theory of analytic functions of one complex variable. — Third edition. — Harvard University: McGraw-Hill Book Company, 1979. — 317 с. — ISBN 0-07-000657-1.
Ссылки |
Глейзер Г. Комплексные числа (часть 1 из 2) (неопр.). Журнал «Математика». — № 10 (2001). Проверено 18 апреля 2017.
(часть 2 из 2), «Математика» № 11 (2001).
- Понтрягин Л. Комплексные числа // Квант. — 1982. — № 3.
- Формульный калькулятор комплексных чисел под Windows (неопр.). Проверено 17 января 2018.
Этьен Жис[en], Йос Лейс, Орельян Альварез. Фильм Dimensions. Главы 5 и 6: Комплексные числа. (рус.)
Эта статья входит в число избранных статей русскоязычного раздела Википедии. |