§ 1.Комплексные числа: определения, геометрическая интерпретация, действия в алгебраической, тригонометрической и показательной формах

Определение комплексного числа

Комплексные равенства

Геометрическое изображение комплексных чисел

Модуль и аргумент комплексного числа

Алгебраическая и тригонометрическая формы комплексного числа

Показательная форма комплексного числа

Формулы Эйлера

§ 2.Целые функции (многочлены) и их основные свойства. Решение алгебраических уравнений на множестве комплексных чисел

Определение алгебраического уравнения -й степени

Основные свойства многочленов

Примеры решения алгебраических уравнений на множестве комплексных чисел

Вопросы для самопроверки

Глоссарий

§ 1. Комплексные числа: определения, геометрическая интерпретация, действия в алгебраической, тригонометрической и показательной формах

Определение комплексного числа (Сформулируйте определение комплексного числа)

Комплексным числомz называется выражение следующего вида:

Комплексное число в алгебраической форме,(1)

Где x, y Î;

- комплексно сопряженное число числу z ;

- противоположное число числу z ;

- комплексный ноль ;

– так обозначается множество комплексных чисел.

1)z = 1 + i Þ Re z = 1, Im z = 1, = 1 – i, = –1 – i ;

2)z = –1 + i Þ Re z = –1, Im z = , = –1 – i, = –1 –i ;

3)z = 5 + 0i = 5 Þ Re z = 5, Im z = 0, = 5 – 0i = 5, = –5 – 0i = –5

Þ если Imz = 0, то z = x - действительное число;

4)z = 0 + 3i = 3i Þ Re z = 0, Im z = 3, = 0 – 3i = –3i , = –0 – 3i = – 3i

Þ если Rez = 0, то z = iy - чисто мнимое число .

Комплексные равенства (Сформулируйте смысл комплексного равенства)

1) ;

2) .

Одно комплексное равенство равносильно системе двух действительных равенств. Эти действительные равенства получаются из комплексного равенства разделением действительных и мнимых частей.

1) ;

2) .

Геометрическое изображение комплексных чисел (В чём состоит геометрическое изображение комплексных чисел?)

Комплексное число z изображается точкой (x , y ) на комплексной плоскости или радиус-вектором этой точки.

Знак z во второй четверти означает, что система декартовых координат будет использоваться как комплексная плоскость.

Модуль и аргумент комплексного числа (Что такое модуль и аргумент комплексного числа?)

Модулем комплексного числа называется неотрицательное действительное число

.(2)

Геометрически модуль комплексного числа - это длина вектора, изображающего число z , или полярный радиус точки (x , y ).

Изобразить на комплексной плоскости следующие числа и записать их в тригонометрической форме.

1)z = 1 + i Þ

,

Þ

Þ;

,

Þ

Þ;

,

5),

то есть для z = 0 будет

, j не определен.

Арифметические действия над комплексными числами (Дайте определения и перечислите основные свойства арифметических действий над комплексными числами.)

Сложение (вычитание) комплексных чисел

z 1 ±z 2 = (x 1 + iy 1) ± (x 2 + iy 2) = (x 1 ±x 2) + i (y 1 ±y 2),(5)

то есть при сложении (вычитании) комплексных чисел складываются (вычитаются) их действительные и мнимые части.

1)(1 + i ) + (2 – 3i ) = 1 + i + 2 –3i = 3 – 2i ;

2)(1 + 2i ) – (2 – 5i ) = 1 + 2i – 2 + 5i = –1 + 7i .

Основные свойства сложения

1)z 1 + z 2 = z 2 + z 1;

2)z 1 + z 2 + z 3 = (z 1 + z 2) + z 3 = z 1 + (z 2 + z 3);

3)z 1 – z 2 = z 1 + (– z 2);

4)z + (–z ) = 0;

Умножение комплексных чисел в алгебраической форме

z 1∙z 2 = (x 1 + iy 1)∙(x 2 + iy 2) = x 1x 2 + x 1iy 2 + iy 1x 2 + i 2y 1y 2 = (6)

= (x 1x 2 – y 1y 2) + i (x 1y 2 + y 1x 2),

то есть умножение комплексных чисел в алгебраической форме проводится по правилу алгебраического умножения двучлена на двучлен с последующей заменой и приведением подобных по действительным и мнимым слагаемым.

1)(1 + i )∙(2 – 3i ) = 2 – 3i + 2i – 3i 2 = 2 – 3i + 2i + 3 = 5 – i ;

2)(1 + 4i )∙(1 – 4i ) = 1 – 42 i 2 = 1 + 16 = 17;

3)(2 + i )2 = 22 + 4i + i 2 = 3 + 4i .

Умножение комплексных чисел тригонометрической форме

z 1∙z 2 = r 1(cosj 1 + i sinj 1)×r 2(cosj 2 + i sinj 2) =

= r 1r 2(cosj 1cosj 2 + i cosj 1sinj 2 + i sinj 1cosj 2 + i 2 sinj 1sinj 2) =

= r 1r 2((cosj 1cosj 2 – sinj 1sinj 2) + i (cosj 1sinj 2 + sinj 1cosj 2))

Произведение комплексных чисел в тригонометрической форме, то есть при умножении комплексных чисел в тригонометрической форме их модули перемножаются, а аргументы складываются.

Основные свойства умножения

1)z 1×z 2 = z 2×z 1 - коммутативность;

2)z 1×z 2×z 3 = (z 1×z 2)×z 3 = z 1×(z 2×z 3) - ассоциативность;

3)z 1×(z 2 + z 3) = z 1×z 2 + z 1×z 3 - дистрибутивность относительно сложения;

4)z ×0 = 0; z ×1 = z ;

Деление комплексных чисел

Деление - это обратная умножению операция, поэтому

если z ×z 2 = z 1 и z 2 ¹ 0, то .

При выполнении деления в алгебраической форме числитель и знаменатель дроби умножаются на число, комплексно сопряженное знаменателю:

Деление комплексных чисел в алгебраической форме.(7)

При выполнении деления в тригонометрической форме модули делятся, а аргументы вычитаются:

Деление комплексных чисел в тригонометрической форме.(8)

2)
.

Возведение комплексного числа в натуральную степень

Возведение в натуральную степень удобнее выполнять в тригонометрической форме:

Формула Муавра,(9)

то есть при возведении комплексного числа в натуральную степень его модуль возводится в эту степень, а аргумент умножается на показатель степени.

Вычислить (1 + i )10.

Замечания

1. При выполнении операций умножения и возведения в натуральную степень в тригонометрической форме могут получаться значения углов за пределами одного полного оборота. Но их всегда можно свести к углам или сбрасыванием целого числа полных оборотов по свойствам периодичности функций и .

2. Значение называют главным значением аргумента комплексного числа ;

при этом значения всех возможных углов обозначают ;

очевидно, что , .

Извлечение корня натуральной степени из комплексного числа

Формулы Эйлера(16)

по которым тригонометрические функции и действительной переменной выражаются через показательную функцию (экспоненту) с чисто мнимым показателем.

§ 2. Целые функции (многочлены) и их основные свойства. Решение алгебраических уравнений на множестве комплексных чисел

Два многочлена одной степени n тождественно равны друг другу тогда и только тогда, когда совпадают их коэффициенты при одинаковых степенях переменной x , то есть

Доказательство

w Тождество (3) справедливо при "xÎ (или "xÎ)

Þ оно справедливо при ; подставляя , получим аn = bn .

Взаимно уничтожим в (3) слагаемые аn и bn и поделим обе части на x :

Это тождество тоже верно при "x , в том числе при x = 0

Þ полагая x = 0, получим аn – 1 = bn – 1.

Взаимно уничтожим в (3") слагаемые аn – 1 и a n – 1 и поделим обе части на x , в результате получим

Аналогично продолжая рассуждение, получим, что аn – 2 = bn –2, …, а 0 = b 0.

Таким образом, доказано, что из тождественного равенства 2-x многочленов следует совпадение их коэффициентов при одинаковых степенях x .

Обратное утверждение справедливо очевидно, т.е. если два многочлена имеют одинаковыми все коэффициенты, то они есть одинаковые функции, следовательно, их значения совпадают при всех значениях аргумента, что и означает их тождественное равенство. Свойство 1 доказано полностью. v

При делении многочлена Pn (x ) на разность (x – х 0) получается остаток, равный Pn (x 0), то есть

Теорема Безу,(4)

гдеQn – 1(x ) - целая часть от деления, является многочленом степени (n – 1).

Доказательство

w Запишем формулу деления с остатком:

Pn (x ) = (x – х 0)∙Qn – 1(x ) + A ,

гдеQn – 1(x ) - многочлен степени (n – 1),

A - остаток, который является числом вследствие известного алгоритма деления многочлена на двучлен «в столбик».

Это равенство верно при "x , в том числе при x = х 0 Þ

Pn (x 0) = (x 0 – x 0)×Qn – 1(x 0) + A Þ

A = Pn (х 0), ч.т.д. v

Следствие из теоремы Безу. О делении многочлена на двучлен без остатка

Если число х 0 является нулем многочлена, то этот многочлен делится на разность (x – х 0) без остатка, то есть

Þ .(5)

1) , так какP 3(1) º 0

2) , так какP 4(–2) º 0

3) , так какP 2(–1/2) º 0

Деление многочленов на двучлены «в столбик»:

_

_

_

_

_

Всякий многочлен степени n ³ 1 имеет, по крайней мере, один нуль, действительный или комплексный

Доказательство этой теоремы выходит за рамки нашего курса. Поэтому примем теорему без доказательства.

Поработаем по этой теореме и по теореме Безу с многочленом Pn (x ).

После n -кратного применения этих теорем получим, что

гдеa 0 - это коэффициент при x n в Pn (x ).

Следствие из основной теоремы алгебры. О разложении многочлена на линейные множители

Любой многочлен степени на множестве комплексных чисел разлагается на n линейных сомножителей, то есть

Разложение многочлена на линейные множители,(6)

гдех1, х2, … хn - это нули многочлена.

При этом если k чисел из набора х 1, х 2, … хn совпадают между собой и с числом a, то в произведении (6) получается множитель (x – a)k . Тогда число x = a называется k-кратным нулем многочлена Pn ( x ) . Если k = 1, то нуль называется простым нулем многочлена Pn ( x ) .

1)P 4(x ) = (x – 2)(x – 4)3 Þx 1 = 2 - простой нуль, x 2 = 4 - трехкратный нуль;

2)P 4(x ) = (x – i )4 Þx = i - нуль кратности 4.

Свойство 4 (о количестве корней алгебраического уравнения)

Любое алгебраическое уравнение Pn(x) = 0 степени n имеет на множестве комплексных чисел ровно n корней, если считать каждый корень столько раз, какова его кратность.

1)x 2 – 4x + 5 = 0 - алгебраическое уравнение второй степени

Þx 1,2 = 2 ± = 2 ±i - два корня;

2)x 3 + 1 = 0 - алгебраическое уравнение третьей степени

Þx 1,2,3 = - три корня;

3)P 3(x ) = x 3 + x 2 – x – 1 = 0 Þx 1 = 1, т.к. P 3(1) = 0.

Разделим многочлен P 3(x ) на (x – 1):

Исходное уравнение

P 3(x ) = x 3 + x 2 – x – 1 = 0 Û(x – 1)(x 2 + 2x + 1) = 0 Û(x – 1)(x + 1)2 = 0

Þx 1 = 1 - простой корень, x 2 = –1 - двукратный корень.

1) – парные комплексно сопряженные корни;

Любой многочлен с действительными коэффициентами разлагается на произведение линейных и квадратичных функций с действительными коэффициентами.

Доказательство

w Пусть x 0 = a + bi - нуль многочлена Pn (x ). Если все коэффициенты этого многочлена являются действительными числами, то тоже является его нулем (по свойству 5).

Вычислим произведение двучленов :

комплексный число многочлен уравнение

Получили (x – a )2 + b 2 - квадратный трехчленс действительными коэффициентами.

Таким образом, любая пара двучленов с комплексно сопряженными корнями в формуле (6) приводит к квадратному трехчлену с действительными коэффициентами. v

1)P 3(x ) = x 3 + 1 = (x + 1)(x 2 – x + 1);

2)P 4(x ) = x 4 – x 3 + 4x 2 – 4x = x (x –1)(x 2 + 4).

Примеры решения алгебраических уравнений на множестве комплексных чисел (Приведите примеры решения алгебраических уравнений на множестве комплексных чисел)

1. Алгебраические уравнения первой степени:

, – единственный простой корень.

2. Квадратные уравнения:

, – всегда имеет два корня (различных или равных).

1) .

3. Двучленные уравнения степени :

, – всегда имеет различных корней.

,

Ответ: , .

4. Решить кубическое уравнение .

Уравнение третьей степени имеет три корня (действительные или комплексные), при этом нужно считать каждый корень столько раз, какова его кратность. Так как все коэффициенты данного уравнения являются действительными числами, то комплексные корни уравнения, если они есть, будут парными комплексно сопряженными.

Подбором находим первый корень уравнения , так как .

По следствию из теоремы Безу . Вычисляем это деление «в столбик»:

_
_
_

Представляя теперь многочлен в виде произведения линейно и квадратного множителя, получим:

.

Другие корни находим как корни квадратного уравнения:

Ответ: , .

5. Составить алгебраическое уравнение наименьшей степени с действительными коэффициентами, если известно, что числа x 1 = 3 и x 2 = 1 + i являются его корнями, причем x 1 является двукратным корнем, а x 2 - простым.

Число тоже является корнем уравнения, т.к. коэффициенты уравнения должны быть действительными.

Всего искомое уравнение имеет 4 корня: x 1, x 1, x 2, . Поэтому его степень равна 4. Составляем многочлен 4-й степени с нулями x

11. Что такое комплексный ноль?

13. Сформулируйте смысл комплексного равенства.

15. Что такое модуль и аргумент комплексного числа?

17. Что такое аргумент комплексного числа?

18. Какое название или смысл имеет формула?

19. Поясните смысл обозначений в этой формуле:

27. Дайте определения и перечислите основные свойства арифметических действий над комплексными числами.

28. Какое название или смысл имеет формула?

29. Поясните смысл обозначений в этой формуле:

31. Какое название или смысл имеет формула?

32. Поясните смысл обозначений в этой формуле:

34. Какое название или смысл имеет формула?

35. Поясните смысл обозначений в этой формуле:

61. Перечислите основные свойства многочленов.

63. Сформулируйте свойство о делении многочлена на разность (x – х0).

65. Какое название или смысл имеет формула?

66. Поясните смысл обозначений в этой формуле:

67. ⌂ .

69. Сформулируйте теорему теорема алгебры основная.

70. Какое название или смысл имеет формула?

71. Поясните смысл обозначений в этой формуле:

75. Сформулируйте свойство о количестве корней алгебраического уравнения.

78. Сформулируйте свойство о разложении многочлена с действительными коэффициентами на линейные и квадратичные множители.

Глоссарий

k-кратным нулем многочлена называется... (стр. 18)

алгебраическим многочленом называется... (стр. 14)

алгебраическим уравнением n-й степени называется... (стр. 14)

алгебраической формой комплексного числа называется... (стр. 5)

аргумент комплексного числа это... (стр. 4)

действительная часть комплексного числа z это... (стр. 2)

комплексно сопряженное число это... (стр. 2)

комплексный ноль это... (стр. 2)

комплексным числом называется... (стр. 2)

корнем степени n из комплексного числа называется... (стр. 10)

корнем уравнения называется... (стр. 14)

коэффициенты многочлена это... (стр. 14)

мнимая единица это... (стр. 2)

мнимая часть комплексного числа z это... (стр. 2)

модулем комплексного числа называется... (стр. 4)

нулем функции называется... (стр. 14)

показательной формой комплексного числа называется... (стр. 11)

полиномом называется... (стр. 14)

простым нулем многочлена называется... (стр. 18)

противоположное число это... (стр. 2)

степень многочлена это... (стр. 14)

тригонометрической формой комплексного числа называется... (стр. 5)

формула Муавра это... (стр. 9)

формулы Эйлера это... (стр. 13)

целой функцией называется... (стр. 14)

чисто мнимое число это... (стр. 2)

Для решения задач с комплексными числами необходимо разобраться с основными определениями. Главная задача данной обзорной статьи - объяснить, что же такое комплексные числа, и предъявить методы решения основных задач с комплексными числами. Итак, комплексным числом будем называть число вида z = a + bi , где a, b — вещественные числа, которые называют действительной и мнимой частью комплексного числа соответственно и обозначают a = Re(z), b=Im(z) .
i называется мнимой единицей. i 2 = -1 . В частности, любое вещественное число можно считать комплексным: a = a + 0i , где a — вещественное. Если же a = 0 и b ≠ 0 , то число принято называть чисто мнимым.

Теперь введем операции над комплексными числами.
Рассмотрим два комплексных числа z 1 = a 1 + b 1 i и z 2 = a 2 + b 2 i .

Рассмотрим z = a + bi .

Множество комплексных чисел расширяет множество вещественных чисел, которое в свою очередь расширяет множество рациональных чисел и т.д. Эту цепочку вложений можно рассмотреть на рисунке: N – натуральные числа, Z - целые, Q – рациональные, R – вещественные, C – комплексные.

Представление комплексных чисел

Алгебраическая форма записи.

Рассмотрим комплексное число z = a + bi , такая форма записи комплексного числа называется алгебраической . Эту форму записи мы уже подробно разобрали в предыдущем разделе. Довольно часто используют следующий наглядный рисунок

Тригонометрическая форма.

Из рисунка видно, что число z = a + bi можно записать иначе. Очевидно, что a = rcos(φ) , b = rsin(φ) , r=|z| , следовательно z = rcos(φ) + rsin(φ)i , φ ∈ (-π; π) называется аргументом комплексного числа. Такое представление комплексного числа называется тригонометрической формой . Тригонометрическая форма записи порой очень удобна. Например, ее удобно использовать для возведения комплексного числа в целую степень, а именно, если z = rcos(φ) + rsin(φ)i , то z n = r n cos(nφ) + r n sin(nφ)i , эта формула называется формулой Муавра .

Показательная форма.

Рассмотрим z = rcos(φ) + rsin(φ)i — комплексное число в тригонометрической форме, запишем в другом виде z = r(cos(φ) + sin(φ)i) = re iφ , последнее равенство следует из формулы Эйлера, таким образом мы получили новую форму записи комплексного числа: z = re iφ , которая называется показательной . Такая форма записи так же очень удобна для возведения комплексного числа в степень: z n = r n e inφ , здесь n не обязательно целое, а может быть произвольным вещественным числом. Такая форма записи довольно часто используется для решения задач.

Основная теорема высшей алгебры

Представим, что у нас есть квадратное уравнение x 2 + x + 1 = 0 . Очевидно, что дискриминант этого уравнения отрицателен и вещественных корней оно не имеет, но оказывается, что это уравнение имеет два различных комплексных корня. Так вот, основная теорема высшей алгебры утверждает, что любой многочлен степени n имеет хотя бы один комплексный корень. Из этого следует, что любой многочлен степени n имеет ровно n комплексных корней с учетом их кратности. Эта теорема является очень важным результатом в математике и широко применяется. Простым следствием из этой теоремы является такой результат: существует ровно n различных корней степени n из единицы.

Основные типы задач

В этом разделе будут рассмотрены основные типы простых задач на комплексные числа. Условно задачи на комплексные числа можно разбить на следующие категории.

• Выполнение простейших арифметических операций над комплексными числами.
• Нахождение корней многочленов в комплексных числах.
• Возведение комплексных чисел в степень.
• Извлечение корней из комплексных чисел.
• Применение комплексных чисел для решения прочих задач.

Теперь рассмотрим общие методики решения этих задач.

Выполнение простейших арифметических операций с комплексными числами происходит по правилам описанным в первом разделе, если же комплексные числа представлены в тригонометрической или показательной формах, то в этом случае можно перевести их в алгебраическую форму и производить операции по известным правилам.

Нахождение корней многочленов как правило сводится к нахождению корней квадратного уравнения. Предположим, что у нас есть квадратное уравнение, если его дискриминант неотрицателен, то его корни будут вещественными и находятся по известной формуле. Если же дискриминант отрицателен, то есть D = -1∙a 2 , где a — некоторое число, то можно представить дискриминант в виде D = (ia) 2 , следовательно √D = i|a| , а дальше можно воспользоваться уже известной формулой для корней квадратного уравнения.

Пример . Вернемся к упомянутому выше квадратному уравнению x 2 + x + 1 = 0 .
Дискриминант — D = 1 — 4 ∙ 1 = -3 = -1(√3) 2 = (i√3) 2 .
Теперь с легкостью найдем корни:

Возведение комплексных чисел в степень можно выполнять несколькими способами. Если требуется возвести комплексное число в алгебраической форме в небольшую степень (2 или 3), то можно сделать это непосредственным перемножением, но если степень больше (в задачах она часто бывает гораздо больше), то нужно записать это число в тригонометрической или показательной формах и воспользоваться уже известными методами.

Пример . Рассмотрим z = 1 + i и возведем в десятую степень.
Запишем z в показательной форме: z = √2 e iπ/4 .
Тогда z 10 = (√2 e iπ/4) 10 = 32 e 10iπ/4 .
Вернемся к алгебраической форме: z 10 = -32i .

Извлечение корней из комплексных чисел является обратной операцией по отношению к операции возведения в степень, поэтому производится аналогичным образом. Для извлечения корней довольно часто используется показательная форма записи числа.

Пример . Найдем все корни степени 3 из единицы. Для этого найдем все корни уравнения z 3 = 1 , корни будем искать в показательной форме.
Подставим в уравнение: r 3 e 3iφ = 1 или r 3 e 3iφ = e 0 .
Отсюда: r = 1 , 3φ = 0 + 2πk , следовательно φ = 2πk/3 .
Различные корни получаются при φ = 0, 2π/3, 4π/3 .
Следовательно 1 , e i2π/3 , e i4π/3 — корни.
Или в алгебраической форме:

Последний тип задач включается в себя огромное множество задач и нет общих методов их решения. Приведем простой пример такой задачи:

Найти сумму sin(x) + sin(2x) + sin(2x) + … + sin(nx) .

Хоть в формулировке этой задачи и не идет речь о комплексных числах, но с их помощью ее можно легко решить. Для ее решения используются следующие представления:


Если теперь подставить это представление в сумму, то задача сводится к суммированию обычной геометрической прогрессии.

Заключение

Комплексные числа широко применяются в математике, в этой обзорной статье были рассмотрены основные операции над комплексным числами, описаны несколько типов стандартных задач и кратко описаны общие методы их решения, для более подробного изучения возможностей комплексных чисел рекомендуется использовать специализированную литературу.

Литература

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА АГЛЕБРЫ И ГЕОМЕТРИИ

Комплексные числа

(избранные задачи)

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

по специальности 050201.65 математика

(с дополнительной специальностью 050202.65 информатика)

Выполнила: студентка 5 курса

физико-математического

факультета

Научный руководитель:

ВОРОНЕЖ – 2008

1. Введение……………………………………………………...…………..…

2. Комплексные числа (избранные задачи)

2.1. Комплексные числа в алгебраической форме….……...……….….

2.2. Геометрическая интерпретация комплексных чисел…………..…

2.3. Тригонометрическая форма комплексных чисел

2.4. Приложение теории комплексных чисел к решению уравнений 3-й и 4-й степени……………..………………………………………………………

2.5. Комплексные числа и параметры………...……………………...….

3. Заключение…………………………………………………….................

4. Список литературы………………………….…………………...............

1. Введение

В программе математики школьного курса теория чисел вводится на примерах множеств натуральных чисел, целых, рациональных, иррациональных, т.е. на множестве действительных чисел, изображения которых заполняют всю числовую ось. Но уже в 8 классе запаса действительных чисел не хватает, решая квадратные уравнения при отрицательном дискриминанте. Поэтому было необходимо пополнить запас действительных чисел при помощи комплексных чисел, для которых квадратный корень из отрицательного числа имеет смысл.

Выбор темы «Комплексные числа», как темы моей выпускной квалификационной работы, заключается в том, что понятие комплексного числа расширяет знания учащихся о числовых системах, о решении широкого класса задач как алгебраического, так и геометрического содержания, о решении алгебраических уравнений любой степени и о решение задач с параметрами.

В данной дипломной работе рассмотрено решение 82-х задач.

В первой части основного раздела «Комплексные числа» приведены решения задач с комплексными числами в алгебраической форме, определяются операции сложения, вычитания, умножения, деления, операция сопряжения для комплексных чисел в алгебраической форме, степень мнимой единицы, модуль комплексного числа, а также излагается правило извлечения квадратного корня из комплексного числа.

Во второй части решаются задачи на геометрическую интерпретацию комплексных чисел в виде точек или векторов комплексной плоскости.

В третьей части рассмотрены действия над комплексными числами в тригонометрической форме. Используются формулы: Муавра и извлечение корня из комплексного числа.

Четвертая часть посвящена решению уравнений 3-й и 4-й степеней.

При решении задач последней части «Комплексные числа и параметры» используются и закрепляются сведения, приведенные в предыдущих частях. Серия задач главы посвящена определению семейств линий в комплексной плоскости, заданных уравнениями (неравенствами) с параметром. В части упражнений нужно решить уравнения с параметром (над полем С). Есть задания, где комплексная переменная удовлетворяет одновременно ряду условий. Особенностью решения задач этого раздела является сведение многих из них к решению уравнений (неравенств, систем) второй степени, иррациональных, тригонометрических с параметром.

Особенностью изложения материала каждой части является первоначальный ввод теоретических основ, а в последствии практическое их применение при решении задач.

В конце дипломной работы представлен список используемой литературы. В большинстве из них достаточно подробно и доступно изложен теоретический материал, рассмотрены решения некоторых задач и даны практические задания для самостоятельного решения. Особое внимание хочется обратить на такие источники, как:

1. Гордиенко Н.А., Беляева Э.С., Фирстов В.Е., Серебрякова И.В. Комплексные числа и их приложения: Учебное пособие. . Материал учебного пособия изложен в виде лекционных и практических занятий.

2. Шклярский Д.О., Ченцов Н.Н., Яглом И.М. Избранные задачи и теоремы элементарной математики. Арифметика и алгебра. Книга содержит 320 задач, относящихся к алгебре, арифметике и теории чисел. По своему характеру эти задачи значительно отличаются от стандартных школьных задач.

2. Комплексные числа (избранные задачи)

2.1. Комплексные числа в алгебраической форме

Решение многих задач математики, физики сводится к решению алгебраических уравнений, т.е. уравнений вида

где a0 , a1 , …, an действительные числа. Поэтому исследование алгебраических уравнений является одним из важнейших вопросов в математике. Например, действительных корней не имеет квадратное уравнение с отрицательным дискриминантом. Простейшим таким уравнением является уравнение

Для того чтобы это уравнение имело решение, необходимо расширить множество действительных чисел путем присоединения к нему корня уравнения

Обозначим этот корень через

следовательно,

Полученное выражение назвали комплексными числами, поскольку они содержали как действительную, так и мнимую части.

Итак, комплексными числами называются выражения вида

Комплексные числа вида

Комплексные числа вида

Алгебраическая запись комплексных чисел позволяет производить операции над ними по обычным правилам алгебры.

Суммой двух комплексных чисел

Произведением двух комплексных чисел

План урока.

1. Организационный момент.

2. Изложение материала.

3. Домашнее задание.

4. Подведение итогов урока.

Ход урока

I. Организационный момент .

II. Изложение материала .

Мотивация.

Расширение множества вещественных чисел состоит в том, что к действительным числам присоединяются новые числа (мнимые). Введение этих чисел связано с невозможностью во множестве действительных чисел извлечения корня из отрицательного числа.

Введение понятия комплексного числа.

Мнимые числа, которыми мы дополняем действительные числа, записываются в виде bi , где i – мнимая единица, причем i 2 = - 1 .

Исходя из этого, получим следующее определение комплексного числа.

Определение . Комплексным числом называется выражение вида a + bi , где a и b - действительные числа. При этом выполняются условия:

а) Два комплексных числа a 1 + b 1 i и a 2 + b 2 i равны тогда и только тогда, когда a 1 =a 2 , b 1 =b 2 .

б) Сложение комплексных чисел определяется правилом:

(a 1 + b 1 i) + (a 2 + b 2 i) = (a 1 + a 2) + (b 1 + b 2) i .

в) Умножение комплексных чисел определяется правилом:

(a 1 + b 1 i) (a 2 + b 2 i) = (a 1 a 2 - b 1 b 2) + (a 1 b 2 - a 2 b 1) i .

Алгебраическая форма комплексного числа.

Запись комплексного числа в виде a + bi называют алгебраической формой комплексного числа, где а – действительная часть, bi – мнимая часть, причем b – действительное число.

Комплексное число a + bi считается равным нулю, если его действительная и мнимая части равны нулю: a = b = 0

Комплексное число a + bi при b = 0 считается совпадающим с действительным числом a : a + 0i = a .

Комплексное число a + bi при a = 0 называется чисто мнимым и обозначается bi : 0 + bi = bi .

Два комплексных числа z = a + bi и = a – bi , отличающиеся лишь знаком мнимой части, называются сопряженными.

Действия над комплексными числами в алгебраической форме.

Над комплексными числами в алгебраической форме можно выполнять следующие действия.

1) Сложение.

Определение . Суммой комплексных чисел z 1 = a 1 + b 1 i и z 2 = a 2 + b 2 i называется комплексное число z , действительная часть которого равна сумме действительных частей z 1 и z 2 , а мнимая часть - сумме мнимых частей чисел z 1 и z 2 , то есть z = (a 1 + a 2) + (b 1 + b 2)i .

Числа z 1 и z 2 называются слагаемыми.

Сложение комплексных чисел обладает следующими свойствами:

1º. Коммутативность: z 1 + z 2 = z 2 + z 1 .

2º. Ассоциативность: (z 1 + z 2) + z 3 = z 1 + (z 2 + z 3).

3º. Комплексное число –a –bi называется противоположным комплексному числу z = a + bi . Комплексное число, противоположное комплексному числу z , обозначается -z . Сумма комплексных чисел z и -z равна нулю: z + (-z) = 0

Пример 1. Выполните сложение (3 – i) + (-1 + 2i) .

(3 – i) + (-1 + 2i) = (3 + (-1)) + (-1 + 2) i = 2 + 1i .

2) Вычитание.

Определение. Вычесть из комплексного числа z 1 комплексное число z 2 z, что z + z 2 = z 1 .

Теорема . Разность комплексных чисел существует и притом единственна.

Пример 2. Выполните вычитание (4 – 2i) - (-3 + 2i) .

(4 – 2i) - (-3 + 2i) = (4 - (-3)) + (-2 - 2) i = 7 – 4i .

3) Умножение.

Определение . Произведением комплексных чисел z 1 =a 1 +b 1 i и z 2 =a 2 +b 2 i называется комплексное число z , определяемое равенством: z = (a 1 a 2 – b 1 b 2) + (a 1 b 2 + a 2 b 1)i .

Числа z 1 и z 2 называются сомножителями.

Умножение комплексных чисел обладает следующими свойствами:

1º. Коммутативность: z 1 z 2 = z 2 z 1 .

2º. Ассоциативность: (z 1 z 2)z 3 = z 1 (z 2 z 3)

3º. Дистрибутивность умножения относительно сложения:

(z 1 + z 2) z 3 = z 1 z 3 + z 2 z 3 .

4º. z · = (a + bi)(a – bi) = a 2 + b 2 - действительное число.

На практике умножение комплексных чисел производят по правилу умножения суммы на сумму и выделения действительной и мнимой части.

В следующем примере рассмотрим умножение комплексных чисел двумя способами: по правилу и умножением суммы на сумму.

Пример 3. Выполните умножение (2 + 3i) (5 – 7i) .

1 способ. (2 + 3i) (5 – 7i) = (2× 5 – 3× (- 7)) + (2× (- 7) + 3× 5)i = = (10 + 21) + (- 14 + 15)i = 31 + i .

2 способ. (2 + 3i) (5 – 7i) = 2× 5 + 2× (- 7i) + 3i× 5 + 3i× (- 7i) = = 10 – 14i + 15i + 21 = 31 + i .

4) Деление.

Определение . Разделить комплексное число z 1 на комплексное число z 2 , значит найти такое комплексное число z , что z · z 2 = z 1 .

Теорема. Частное комплексных чисел существует и единственно, если z 2 ≠ 0 + 0i .

На практике частное комплексных чисел находят путем умножения числителя и знаменателя на число, сопряженное знаменателю.

Пусть z 1 = a 1 + b 1 i , z 2 = a 2 + b 2 i , тогда

.

В следующем примере выполним деление по формуле и правилу умножения на число, сопряженное знаменателю.

Пример 4. Найти частное .

5) Возведение в целую положительную степень.

а) Степени мнимой единицы.

Пользуясь равенством i 2 = -1 , легко определить любую целую положительную степень мнимой единицы. Имеем:

i 3 = i 2 i = -i,

i 4 = i 2 i 2 = 1,

i 5 = i 4 i = i,

i 6 = i 4 i 2 = -1,

i 7 = i 5 i 2 = -i,

i 8 = i 6 i 2 = 1 и т. д.

Это показывает, что значения степени i n , где n – целое положительное число, периодически повторяется при увеличении показателя на 4 .

Поэтому, чтобы возвести число i в целую положительную степень, надо показатель степени разделить на 4 и возвести i в степень, показатель которой равен остатку от деления.

Пример 5. Вычислите: (i 36 + i 17) · i 23 .

i 36 = (i 4) 9 = 1 9 = 1,

i 17 = i 4 × 4+1 = (i 4) 4 × i = 1 · i = i.

i 23 = i 4 × 5+3 = (i 4) 5 × i 3 = 1 · i 3 = - i.

(i 36 + i 17) · i 23 = (1 + i) (- i) = - i + 1= 1 – i.

б) Возведение комплексного числа в целую положительную степень производится по правилу возведения двучлена в соответствующую степень, так как оно представляет собой частный случай умножения одинаковых комплексных сомножителей.

Пример 6. Вычислите: (4 + 2i) 3

(4 + 2i) 3 = 4 3 + 3× 4 2 × 2i + 3× 4× (2i) 2 + (2i) 3 = 64 + 96i – 48 – 8i = 16 + 88i.