Квант

4

Поставим теперь перед собой задачу расширить понятие числа или, как говорят в абстрактной алгебре, расширить поле RR до поля KK таким образом, чтобы в этом новом поле KK уравнение

z2+1=0z^2 + 1 = 0

(1)

имело решение. Элемент поля KK, который удовлетворяет уравнению (1), мы обозначим через ii. Таким образом, для ii имеем

i2=−1.i^2 = -1.

(2)

Так как поле KK содержит все действительные числа и элемент ii и так как в нем возможно действия сложения и умножения, в поле KK должны содержаться всевозможные многочлены относительно ii с действительными коэффициентами, в частности — все многочлены первого степени, то есть выражения вида

z=x+yi=x+iy,z = x + yi = x + iy,

где xx и yy — действительные числа. Эти выражения и называются компплексными числами. Действия над ними мы определям как действия над многочленами, учитывая при этом условие (2). Комплексные числа вида

z=x+0i=xz = x + 0i = x

являются действительными числами. Комплексные числа вида

z=0+yi=yiz = 0 + yi = yi

называются число минимум числами.

Пусть z1=x1+y1iz_1 = x_1 + y_1 i, z2=x2+y2iz_2 = x_2 + y_2 i — два компплексных числа. Согласно высказанному правилу сумма и произведение этих компплексных чисел определяются равенствами

z1+z2=(x1+y1i)+(x2+y2i)>=(x1+x2)+(y1+y2)i;z_1 + z_2 = (x_1 + y_1 i) + (x_2 + y_2 i) > = (x_1 + x_2) + (y_1 + y_2) i;

z1z2=(x1+y1i)(x2+y2i)=x1x2+(x1y2+y1x2)i+y1y2i2=(x1x2−y1y2)+(x1y2+y1x2)i.z_1 z_2 = (x_1 + y_1 i) (x_2 + y_2 i) = x_1 x_2 + (x_1 y_2 + y_1 x_2) i + y_1 y_2 i^2 = (x_1 x_2 - y_1 y_2) + (x_1 y_2 + y_1 x_2) i.

При получении последнего равенства мы используем полуаем

x1z2=x1x2+x1y2i.x_1 z_2 = x_1 x_2 + x_1 y_2 i.

(5)

Из формул (3) и (4) видно, что сумма и произведение двух компплексных

ных чисел есть также компплексное число.

Для того чтобы убедиться, что действие вычитания, обратное действию сложения, существует, достаточно найти число — zz, противоположное числу zz, а для того чтобы убедиться, что возможно деление, достаточно для z≠0z \neq 0 указывать число z−1z^{-1}, обратное числу z=x+yiz = x + yi. Числа эти, как легко видеть, задаются формулами

−z=−x−yi,-z = -x - yi,

z−1=xx2+y2−yx2+y2i.z^{-1} = \frac{x}{x^2 + y^2} - \frac{y}{x^2 + y^2} i.

Таким образом, величина z−1z^{-1}, обратная к zz, существует всегда, когда z≠0z \neq 0.

Геометрическое изображение компплексных чисел

Обозначим через PP плоскость нашей чертежа и выберем на ней прямоугольную систему координат (рис. 1). Комплексное число z=x+yiz = x + yi мы помещим в точку z=(x;y)z = (x; y) с координатами x,yx, y. Обозначим также через zz вектор, идиший из начала координат OO в точку zz. Таким образом, буква zz обозначает у нас одновременного компплексное число, точку zz, изображающего это компплексное число, и вектор zz, соответствующий этому компплексному числу. При этом изображения действительные числа попадают на ось абсцисс — поэтому ось абсцисс называется действительным плоскости PP компплексного переменного, а число числа попадают на ось ordинат — поэтому ось ordинат называется минимой плоскости PP компплексного переменного. Нуль попадает в начало координат.

Длина вектора zz называется modуlem компплексного числа z=z =

Рис. 1.

5

=x+yi и обозначется ∣z∣:∣z∣=x2+y2.= x + yi \text{ и обозначется } |z|: |z| = \sqrt{x^2 + y^2}.

Комплексные числа zz, удовлетворяющие условию ∣z∣=1|z| = 1, составляют окружность радиуса 1 с центром в начале координат. На этой окружности лежит число 1. Из точки 1 отложим по окружности дугу заданной длины φ\varphi в направлении против часовой стрелки. Конец этой линии обозначим через (φ)(\varphi). Если φ\varphi — отрицательное число, то для получения (φ)(\varphi) нужно отложить от точки 1 длину дуги ∣φ∣|\varphi| по часовой стрелке. Как известно, абсцисса точки (φ)(\varphi) называется cos φ\varphi, а ее ordината sin φ\varphi. Таким образом, комплексное число (φ)(\varphi) задается формулой

(φ)=cos⁡φ+isin⁡φ.(\varphi) = \cos \varphi + i \sin \varphi.

Итак, всякое комплексное число zz, по модели равное 1, записывается в виде (6). Если zz — произвольное комплексное число, модель которого ∣z∣=φ|z| = \varphi отличиет от 0, то число z/φz/\varphi является комплексным числом, по модели равным 1, и потому записывается в виде (6). Из равенства

zφ=cos⁡φ+isin⁡φ\frac{z}{\varphi} = \cos \varphi + i \sin \varphi

мы получаем

z=φ(cos⁡φ+isin⁡φ).z = \varphi (\cos \varphi + i \sin \varphi).

Запись (7) называется трионометрической формулой комплексного числа. Число φ\varphi называется аргументом комплексного числа. Если модель φ\varphi комплексного числа zz отличиет от нуля, то аргумент φ\varphi определяет с точностью до слагаемого 2πk2\pi k, где kk — целое число. Если модель φ\varphi комплексного числа равен 0, то формула (7) также имеет место, одноко в этом случае аргумент комплексного числа вовсе не определяен.

Числа ρ\rho и φ\varphi называются полярными координатами точки zz.

Дадим теперь геометрическое источник действия над комплексными числами.

Из формул (3) и (5) следует, что комплексные числа складываются и умножаются на действительные числа, как векторы.

Геометрический смысл сложения комплексных чисел очень виден: вектор z1+z2z_1 + z_2 — это диагональ параллелогamma, построенного на векторах z1z_1 и z2z_2. Отсюда вытекает важное неравенство

∣z1+z2∣≤∣z1∣+∣z2∣.|z_1 + z_2| \leq |z_1| + |z_2|.

Для того чтобы дать геометрическое источников умножения комплексных чисел, нужно употребить операцию поворота вектора или, что то же самое, комплексного числа. Повернуть вектор zz против часовой стрелки на угол α\alpha, мы получим некоторый новый вектор, который обозначим через Rα(α)R_\alpha(\alpha). Геометрические ясно, что операция поворота RαR_\alpha имеет следующее свойство: если aa — действительное число, то

Rα(az)=aRα(z),R_\alpha(az) = aR_\alpha(z),

Rα(z1+z2)=Rα(z1)+Rα(z2).R_\alpha(z_1 + z_2) = R_\alpha(z_1) + R_\alpha(z_2).

Из этих двух формул следует, что если a1a_1 и a2a_2 — два действительных числа, то имеет место соответствие Rα(a1z1+a2z2)=a1Rα(z1)+a2Rα(z2)R_\alpha(a_1z_1 + a_2z_2) = a_1R_\alpha(z_1) + a_2R_\alpha(z_2).

Непосредственно ясно также, что

Rα(1)=cos⁡α+isin⁡α.R_\alpha(1) = \cos \alpha + i \sin \alpha.

Докажем теперь, что поворот комплексного числа z=x+yiz = x + yi на угол α\alpha равноселен умножению его на комплексное число cos⁡α+isin⁡α\cos \alpha + i \sin \alpha, то есть что

Rα(z)=(cos⁡α+isin⁡α)z.R_\alpha(z) = (\cos \alpha + i \sin \alpha)z.

Для этого рассмотрим сначала отдельно поворот на угол d=π2d = \frac{\pi}{2}. В этом случае cos⁡d+isin⁡d=i\cos d + i \sin d = i, и равенство (11) принимает вид Rdz=izR_dz = iz. С одной стороны, геометрические оценки, что Rd(1)=i,Rd(i)=−1R_d(1) = i, R_d(i) = -1. С другой стороны, i⋅1=i,i⋅i=−1i \cdot 1 = i, i \cdot i = -1. Таким образом,

Rd(1)=i⋅1,Rd(i)=i⋅i.R_d(1) = i \cdot 1, R_d(i) = i \cdot i.

Из формулы (9) непосредственно вытекает

iz=i⋅(x+iy)=x⋅i+y(−1)=xRd(1)+yRd(i)=Rd(x⋅1+y⋅1)=Rd(x+iy)=Rd(z).iz = i \cdot (x + iy) = x \cdot i + y(-1) = xR_d(1) + yR_d(i) = R_d(x \cdot 1 + y \cdot 1) = R_d(x + iy) = R_d(z).

Таким образом, формула (11) доказана для α=π2\alpha = \frac{\pi}{2}.