Комплексные числа: формы записи, арифметические операции, формулы Эйлера и Муавра, возведение в степень и извлечение корней

Комплексное число записывают в алгебраической форме \(z=a+bi\), где \(a,b\in\mathbb R\), а \(i^2=-1\). Число \(a\) называют действительной частью, \(b\) — мнимой частью. На комплексной плоскости \(z\) соответствует точке \((a,b)\). Его модуль равен \(r=|z|=\sqrt{a^2+b^2}\). Для \(z\ne0\) аргумент \(\varphi\) задаёт направление радиус-вектора; у нуля аргумент не определён.1

Если \(z\ne0\), то \(z=r(\cos\varphi+i\sin\varphi)=re^{i\varphi}\). Формула Эйлера \(e^{i\varphi}=\cos\varphi+i\sin\varphi\) связывает тригонометрическую и показательную формы. Формула Муавра даёт \(z^n=r^n(\cos n\varphi+i\sin n\varphi)\), а корни \(n\)-й степени из ненулевого \(z\) получают делением всех возможных аргументов \(\varphi+2\pi k\) на \(n\).1

Что важно запомнить
  • \(z=a+bi\), \(i^2=-1\); равенство комплексных чисел означает равенство их действительных и мнимых частей.
  • \(|z|=\sqrt{a^2+b^2}\), а аргумент определён с точностью до \(2\pi k\).
  • \(z=r(\cos\varphi+i\sin\varphi)=re^{i\varphi}\) при \(z\ne0\).
  • При умножении модули перемножаются, аргументы складываются; при делении модули делятся, аргументы вычитаются.
  • Для ненулевого \(z\) и натурального \(n\ge1\) уравнение \(w^n=z\) имеет \(n\) различных корней, равномерно расположенных на окружности.

Алгебраическая форма и операции

Комплексное число имеет вид \(z=a+bi\), где \(a,b\in\mathbb R\) и \(i^2=-1\). Сложение и вычитание выполняют покомпонентно. Умножение раскрывают по обычным правилам алгебры с заменой \(i^2\) на \(-1\): \((a+bi)(c+di)=(ac-bd)+(ad+bc)i\).1

Сопряжённое число \(\bar z=a-bi\). Произведение \(z\bar z=a^2+b^2=|z|^2\), поэтому при \(w=c+di\ne0\)

\[\frac{z}{w}=\frac{z\bar w}{|w|^2}.\]

Это сводит деление к умножению и делению на вещественное число.1

Геометрическая, тригонометрическая и показательная формы

На комплексной плоскости числу \(z=a+bi\) соответствует точка \((a,b)\). Модуль \(r=|z|\) — длина её радиус-вектора. Если \(z\ne0\), любой угол \(\varphi\), удовлетворяющий \(a=r\cos\varphi\), \(b=r\sin\varphi\), является аргументом \(z\). У числа \(0\) аргумент не определён. Аргумент многозначен: вместе с \(\varphi\) подходят все \(\varphi+2\pi k\), \(k\in\mathbb Z\).1

Для \(z\ne0\)

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

Из формулы Эйлера \(e^{i\varphi}=\cos\varphi+i\sin\varphi\) следует показательная запись \(z=re^{i\varphi}\). Она особенно удобна для умножения и деления:

\[r_1e^{i\varphi_1}\cdot r_2e^{i\varphi_2}=r_1r_2e^{i(\varphi_1+\varphi_2)}.\]

Формула Муавра и корни

Для любого целого \(n\) формула Муавра имеет вид

\[(\cos\varphi+i\sin\varphi)^n=\cos(n\varphi)+i\sin(n\varphi).\]

Следовательно, для \(z=re^{i\varphi}\ne0\) имеем \(z^n=r^n e^{in\varphi}\) при любом целом \(n\).1

Пусть \(z=re^{i\varphi}\ne0\) и \(n\ge1\) — натуральное число. Все решения \(w^n=z\) имеют вид

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

Эти \(n\) корней лежат на окружности радиуса \(r^{1/n}\) и образуют вершины правильного \(n\)-угольника. Для \(z=0\) корень один: \(w=0\).1

Пример простыми словами

Здесь хорошо видно, зачем нужна показательная форма. Для \(1+i\) модуль равен \(\sqrt2\), а аргумент — \(\pi/4\), поэтому \(1+i=\sqrt2\,e^{i\pi/4}\). Теперь четвёртая степень считается почти устно: \((1+i)^4=4e^{i\pi}=-4\).

Другие вопросы

Источники

  1. 1 Овчинников А. В. Алгебра и геометрия для студентов-физиков. Лекционный курс. Семестр 1 М.: Физический факультет МГУ, 2016 г. С. 22–34.