Перейти к содержанию
Educora
Университет30 мин79 / 82

Комплексные числа

Мнимая единица i² = −1, алгебраическая форма и действия, сопряжённое число, модуль и аргумент, тригонометрическая и показательная формы, формула Эйлера, формула Муавра, корни из единицы и квадратные уравнения с отрицательным дискриминантом.

Проверь себя
В этом уроке ты узнаешь
  • Складывать, умножать и делить комплексные числа в алгебраической форме
  • Переходить между алгебраической, тригонометрической и показательной формами
  • Возводить в степень и извлекать корни n-й степени по формуле Муавра
  • Решать квадратные уравнения с отрицательным дискриминантом

В уроке о квадратных уравнениях отрицательный дискриминант означал «корней нет»: у x² + 1 = 0 нет действительных решений, ведь квадрат действительного числа не бывает отрицательным. В XVI веке итальянские математики, в том числе Кардано и Бомбелли, заметили, что формулы для кубических уравнений иногда проходят через квадратные корни из отрицательных чисел, даже когда итоговый ответ — обычное действительное число. Они решили всё равно считать с такими числами, и сегодня комплексные числа — повседневный инструмент электротехники, обработки сигналов, теории управления и квантовой физики.

Мнимая единица и алгебраическая форма

Определение
Мнимая единица

Число i, для которого i² = −1. Комплексное число — выражение вида z = a + bi, где a и b действительны; множество всех комплексных чисел обозначают ℂ.

z = a + b · i, i² = −1
где:
  • a = Re zдействительная часть
  • b = Im zмнимая часть (действительное число, без i!)
  • iмнимая единица

Действительные числа — это комплексные числа с b = 0; числа с a = 0, например 3i, называют чисто мнимыми. Два комплексных числа равны, только если равны и их действительные, и их мнимые части. В отличие от действительных, комплексные числа нельзя сравнивать: неравенство вида 2 + i < 3 не имеет смысла.

Действия и сопряжённое число

Комплексные числа складывают и вычитают по частям, а умножают как обычные скобки, заменяя i² на −1:

(a + bi) + (c + di) = (a + c) + (b + d)i, (a + bi)(c + di) = (ac − bd) + (ad + bc)i
где:
  • a, b, c, dдействительные числа
  • −bdполучается из bi · di = bd · i² = −bd
z̄ = a − bi, z · z̄ = a² + b²
где:
  • z̄число, сопряжённое к z = a + bi: у мнимой части меняется знак
  • a² + b²всегда неотрицательное действительное число

На плоскости сопряжённое число — отражение z относительно действительной оси.

(a + bi) / (c + di) = (a + bi)(c − di) / (c² + d²)(a + bi) / (c + di) = (a + bi)(c − di) / (c² + d²)
где:
  • c − diчисло, сопряжённое знаменателю
  • c² + d²действительный знаменатель, он должен быть ненулевым

Чтобы разделить, числитель и знаменатель умножают на число, сопряжённое знаменателю: i из знаменателя исчезает.

Геометрически сложение комплексных чисел — это сложение векторов (правило параллелограмма), а |z₁ − z₂| — расстояние между точками z₁ и z₂. Например, равенство |z − 2| = 1 задаёт окружность радиуса 1 с центром в точке 2. Так комплексные числа превращают планиметрию в алгебру.

Четыре действия

z₁ = 3 + 2i, z₂ = 1 − 4i. Найдите z₁ + z₂, z₁ − z₂, z₁z₂ и z₁/z₂.

Показать решение
z₁ + z₂ = (3 + 1) + (2 − 4)i = 4 − 2i.
z₁ − z₂ = (3 − 1) + (2 + 4)i = 2 + 6i.
z₁z₂ = 3 − 12i + 2i − 8i² = 3 − 10i + 8 = 11 − 10i.
z₁/z₂ = (3 + 2i)(1 + 4i) / (1² + 4²) = (3 + 12i + 2i + 8i²)/17 = (−5 + 14i)/17 = −5/17 + (14/17)i.
Проверка: z₂ · (−5 + 14i)/17 = (−5 + 14i + 20i − 56i²)/17 = (51 + 34i)/17 = 3 + 2i ✓.

Модуль, аргумент, тригонометрическая и показательная формы

Изобразим z = a + bi точкой (a; b) комплексной плоскости: горизонтальная ось — действительная, вертикальная — мнимая. Расстояние до начала координат — модуль r = |z|, а угол, отсчитанный от положительной действительной полуоси, — аргумент φ = arg z. Тогда a = r cos φ и b = r sin φ.

r = |z| = √(a² + b²), cos φ = a / r, sin φ = b / rr = |z| = √(a² + b²), cos φ = a / r, sin φ = b / r
где:
  • rмодуль: расстояние от 0 до z
  • φаргумент (угол), обычно −π < φ ≤ π
  • a, bдействительная и мнимая части
z = r(cos φ + i sin φ) = r · e^(iφ)
где:
  • r(cos φ + i sin φ)тригонометрическая форма
  • r · e^(iφ)показательная форма
e^(iφ) = cos φ + i sin φ
где:
  • eоснование натурального логарифма, e ≈ 2,718
  • φугол в радианах

Формула Эйлера. Она следует из степенных рядов eˣ, cos x и sin x: подставим x = iφ в eˣ = 1 + x + x²/2! + x³/3! + … и сгруппируем действительные и мнимые слагаемые — получатся в точности ряды cos φ и i sin φ.

Интерактив
Загрузка симуляции…
e^(iφ) — точка единичной окружности под углом φ: её действительная часть cos φ, мнимая — sin φ. Меняй угол и считывай e^(iφ).
z₁ · z₂ = r₁r₂ · e^(i(φ₁ + φ₂)), z₁ / z₂ = (r₁ / r₂) · e^(i(φ₁ − φ₂))z₁ · z₂ = r₁r₂ · e^(i(φ₁ + φ₂)), z₁ / z₂ = (r₁ / r₂) · e^(i(φ₁ − φ₂))
где:
  • r₁, r₂модули
  • φ₁, φ₂аргументы

Умножить — значит перемножить модули и сложить углы: умножение на i — это поворот на 90°.

Из алгебраической формы в показательную

Запишите z = 1 + i√3 и w = −1 − i в тригонометрической и показательной формах.

Показать решение
z: r = √(1² + (√3)²) = √4 = 2; cos φ = 1/2, sin φ = √3/2 ⇒ φ = π/3 (60°).
z = 2(cos 60° + i sin 60°) = 2e^(iπ/3).
w: r = √(1 + 1) = √2; cos φ = −1/√2, sin φ = −1/√2 — оба отрицательны, значит, φ в III четверти: φ = −3π/4 (−135°).
w = √2(cos(−135°) + i sin(−135°)) = √2 · e^(−3iπ/4).

Формула Муавра и корни

[r(cos φ + i sin φ)]ⁿ = rⁿ(cos nφ + i sin nφ)
где:
  • nцелое число
  • rⁿмодуль степени
  • nφаргумент степени

Формула Муавра следует из (e^(iφ))ⁿ = e^(inφ). При n = 2 она сразу даёт формулы двойного угла: (cos φ + i sin φ)² = cos²φ − sin²φ + 2i sin φ cos φ, значит, cos 2φ = cos²φ − sin²φ и sin 2φ = 2 sin φ cos φ.

(1 + i)¹⁰ в три строки

Вычислите (1 + i)¹⁰.

Показать решение
1 + i: r = √2, φ = π/4 (45°).
(1 + i)¹⁰ = (√2)¹⁰ · (cos(10·45°) + i sin(10·45°)) = 32 · (cos 450° + i sin 450°).
450° = 360° + 90°, поэтому cos 450° = 0, sin 450° = 1 ⇒ (1 + i)¹⁰ = 32i.
Раскрывать десять скобок пришлось бы гораздо дольше.
wₖ = ⁿ√r · e^(i·(φ + 2πk)/n), k = 0, 1, …, n − 1
где:
  • wₖкорни n-й степени из z = r·e^(iφ)
  • ⁿ√rобычный арифметический корень из модуля
  • kномер корня

У ненулевого комплексного числа ровно n различных корней n-й степени; они лежат в вершинах правильного n-угольника с центром в 0.

Решения уравнения zⁿ = 1 — корни n-й степени из единицы e^(2πik/n). При n = 3 это 1 и −1/2 ± (√3/2)i, при n = 4 — 1, i, −1, −i. При n ≥ 2 их сумма равна 0: правильный многоугольник «уравновешен» относительно начала координат. Корни из единицы лежат в основе быстрого преобразования Фурье, которое используют в обработке звука и изображений.

Уравнение z³ = 8

Найдите все комплексные решения уравнения z³ = 8.

Показать решение
8 = 8e^(i·0), то есть r = 8, φ = 0 и ∛8 = 2.
Аргументы: (0 + 2πk)/3 = 0°, 120°, 240° при k = 0, 1, 2.
w₀ = 2, w₁ = 2(cos 120° + i sin 120°) = −1 + i√3, w₂ = 2(cos 240° + i sin 240°) = −1 − i√3.
Проверка: (−1 + i√3)³ = (2e^(i·2π/3))³ = 8e^(i·2π) = 8 ✓. Три корня образуют равносторонний треугольник.

Квадратные уравнения с отрицательным дискриминантом

x = (−b ± i√(−D)) / (2a), D = b² − 4ac < 0x = (−b ± i√(−D)) / (2a), D = b² − 4ac < 0
где:
  • a, b, cдействительные коэффициенты уравнения ax² + bx + c = 0
  • Dдискриминант
  • √(−D)обычный квадратный корень из положительного числа
Квадратное уравнение с D < 0

Решите уравнение x² − 4x + 13 = 0.

Показать решение
D = (−4)² − 4·1·13 = 16 − 52 = −36 < 0, √(−D) = 6.
x = (4 ± 6i)/2 = 2 ± 3i.
Проверка для 2 + 3i: (2 + 3i)² − 4(2 + 3i) + 13 = (4 + 12i − 9) − 8 − 12i + 13 = 0 ✓.
Корни сопряжены: сумма 4 = −b/a, произведение (2 + 3i)(2 − 3i) = 4 + 9 = 13 = c/a — как и по теореме Виета.
Интерактив
Загрузка симуляции…
y = x² − 4x + c. При c > 4 парабола не пересекает ось x: D = 16 − 4c < 0, а корни — комплексные числа 2 ± i√(c − 4).

У многочлена с действительными коэффициентами невещественные корни всегда идут сопряжёнными парами a ± bi. А по основной теореме алгебры каждый многочлен степени n ≥ 1 имеет ровно n комплексных корней с учётом кратности: в ℂ любое алгебраическое уравнение разрешимо.

Python
import cmath

z1, z2 = 3 + 2j, 1 - 4j
print(z1 * z2)
print(z1 / z2)
print((1 + 1j) ** 10)
print(cmath.polar(1 + 1j))
print(cmath.exp(1j * cmath.pi) + 1)
▸ Ожидаемый результат
(11-10j)
(-0.29411764705882354+0.8235294117647058j)
32j
(1.4142135623730951, 0.7853981633974483)
1.2246467991473532e-16j
В Python комплексные числа встроены (мнимая единица пишется как j). polar возвращает пару (r, φ): √2 и π/4. Последняя строка даёт 1,2 · 10⁻¹⁶i вместо 0: равенство e^(iπ) + 1 = 0 точное, но число π в компьютере округлено.

Главное

  • i² = −1; z = a + bi, a = Re z, b = Im z; степени i повторяются с периодом 4.
  • Умножай как скобки, заменяя i² = −1; при делении умножай на сопряжённое знаменателю; z·z̄ = a² + b².
  • |z| = √(a² + b²); φ находят из cos φ = a/r и sin φ = b/r, следя за четвертью.
  • Эйлер: e^(iφ) = cos φ + i sin φ, поэтому z = r·e^(iφ); при умножении модули перемножаются, углы складываются.
  • Муавр: (r·e^(iφ))ⁿ = rⁿ·e^(inφ); у уравнения zⁿ = w n корней, лежащих на окружности.
  • При D < 0 x = (−b ± i√(−D))/(2a) — пара сопряжённых корней.

Проверь себя

Вопросов: 10. Каждый правильный ответ приносит XP.

1 / 10
Чему равно i²⁰²⁷?