Что принято за мнимую единицу

Мнимая единица – число на грани мистики

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Человеку не сведущим в математике и физике рассуждения о мнимой единице представляется полным бредом. Например, квадратные корни из отрицательных чисел не равны нулю, не меньше нуля и не больше нуля. Отсюда ясно, что квадратные корни из отрицательных чисел не могут находиться среди возможных действительных чисел. Следовательно, нам не остается ничего другого, как признать их невозможными числами.

Следующим важным этапом в развитии понятия о числе было введение отрицательных чисел. Это было сделано китайскими математиками во II веке до н. э. Отрицательные числа не так просты. Представьте, сколько будет 3 – 4? Как можно отнять 4 барана от 3? Отрицательные числа рассматривались как полная чушь. Но не будем умалять человеческие страдания: отрицательные числа были настоящим сдвигом в сознании. Даже Эйлер, гений, открывший число Е и много еще чего, не понимал отрицательные числа так же хорошо, как

мы сегодня. Они рассматривались как «бессмысленные» результаты вычислений. Древнегреческие математики считали «настоящими» только натуральные числа.

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

То, что называют мнимым числом, на самом деле частный случай комплексного числа. Это число настоящим числом назвать нельзя. Учебники описывают его как величину, которая, будучи возведенной в квадрат, дает минус один. Другими словами, это сторона квадрата с отрицательной площадью. В реальности такого не бывает. Впервые понятие «мнимая величина» использовал Кардано (1545). Он решал задачу с помощью квадратных уравнений

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Термин “комплексные числа” так же был введен Гауссом в 1831 году. Слово комплекс означает связь, сочетание, совокупность понятий, предметов, явлений образующих единое целое. В конце XVIII века, в начале XIX века было получено геометрическое истолкование комплексных чисел. Датчанин К. Вессель, француз Ж. Арган и немец К. Гаусс независимо друг от друга предложили изобразить комплексное число z = a + b × i точкой m (a, b) на координатной плоскости. Позднее оказалось, что еще удобнее изображать число не самой точкой M, а вектором, идущим в эту точку из начала координат. Геометрическое истолкование комплексных чисел позволило определить многие понятия, связанные с функцией комплексного переменного, расширило область их применения. В дальнейшем Леонард Эйлер (кстати, это именно он ввел ныне общеупотребительное обозначение для мнимой единицы) получил знаменитую формулу, и открыл комплексным числам дорогу в самые различные области математики и ее приложений.

Комплексные числа – расширили понятие числа. В 1843 году ирландский математик Уильям Гамильтон предложил четырехмерную систему комплексных чисел, которая стала первой гиперкомплексной системой, названную кватернионами. Теория кватернионов вскоре стала одним из источников дальнейшего развития математики и ее приложений.

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Значение математики сейчас непрерывно возрастает. В математике рождаются новые идеи и методы. Всё это расширяет сферу её приложения.

Источник

Комплексные числа

1. Понятие мнимой единицы

Допустим, что существует такое число, квадрат которого равен – 1. Обозначим это число буквой i; тогда можно записать: i 2 = – 1.

Число i будем называть мнимой единицей (i – начальная буква французского слова imaginaire – «мнимый»), а предыдущее равенство будем считать определением мнимой единицы.

Из этого равенства находим Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Введение мнимой единицы позволяет нам теперь извлекать корни квадратные из отрицательных чисел.

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

2. Степени мнимой единицы

Рассмотрим степени мнимой единицы:

Если выписать все значения степеней числа i, то мы получим такую последовательность: i, – 1, – i, 1, i, – 1, – i, 1 и т. д. Легко видеть, что значения степеней числа i повторяются с периодом, равным 4.

Таким образом, если показатель степени числа i делится на 4, то значение степени равно 1; если при делении показателя степени на 4 в остатке получается 1, то значение степени равно i; если при делении показателя степени на 4 получается остаток 2, то значение степени равно – 1; наконец, если при делении на 4 остаток равен 3, то значение степени равно – i. Пользуясь этим, можно вычислять любую степень числа i.

Соответственно получим i 28 = 1; i 33 = i; i 135 = – i.

3. Определение комплексного числа

Мы знакомы с действительными числами и с мнимыми единицами. Рассмотрим теперь числа нового вида.

Определение 1. Числа вида a + bi, где a и b – действительные числа, i – мнимая единица, будем называть комплексными.

Число a будем назвать действительной частью комплексного числа, biмнимой частью комплексного числа, bкоэффициентом при мнимой части. Возможны случаи, когда действительные числа a и b могут быть равными нулю. Если a = 0, то комплексное число bi называется чисто мнимым. Если b = 0, то комплексное число a + bi равно a и называется действительным. Если a = 0 и b = 0 одновременно, то комплексное число 0 + 0i равно нулю. Итак, мы получили, что действительные числа и чисто мнимые числа представляют собой частные случаи комплексного числа.

Запись комплексного числа в виде a + bi называется алгебраической формой комплексного числа.

Два комплексных числа a + bi и c + di условились считать равными тогда и только тогда, когда в отдельности равны их действительные части и коэффициенты при мнимой единице, т. е. a + bi = c + di, если a = c и b = d.

Пример 2. Найти x и y из равенства:

Решение. а) Согласно условию равенства комплексных чисел имеем 3y = 15, 5x = – 7. Отсюда Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

б) Из условия равенства комплексных чисел следует Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Умножив второе уравнение на 3 и сложив результат с первым уравнением, имеем 5x = 25, т. е. x = 5. Подставим это значение во второе уравнение: 5 – y = 6, откуда y = – 1. Итак, получаем ответ: x = 5, y = – 1.

8–13. Найдите значения x и y из равенств:

4. Действия над комплексными числами в алгебраической форме

Сложение, вычитание, умножение комплексных чисел в алгебраической форме производят по правилам соответствующих действий над многочленами.

14–21. Произведите сложение и вычитание комплексных чисел:

14. (3 + 5i) + (7 – 2i).
15. (6 + 2i) + (5 + 3i).
16. (– 2 + 3i) + (7 – 2i).
17. (5 – 4i) + (6 + 2i).
18. (3 – 2i) + (5 + i).
19. (4 + 2i) + (– 3 + 2i).
20. (– 5 + 2i) + (5 + 2i).
21. (– 3 – 5i) + (7 – 2i).

22–29. Произведите умножение комплексных чисел:

Замечание. При выполнении умножения можно использовать формулы:

Пример 4. Выполнить действия:

а) (2 + 3i) 2 = 4 + 2 Ч 2 Ч 3i + 9i 2 = 4 + 12i – 9 = – 5 + 12i;
б) (3 – 5i) 2 = 9 – 2 Ч 3 Ч 5i + 25i 2 = 9 – 30i – 25 = – 16 – 30i;
в) (5 + 3i) 3 = 125 + 3 Ч 25 Ч 3i + 3 Ч 5 Ч 9i 2 + 27i 3 ;

так как i 2 = – 1, а i 3 = – i, то получим (5 + 3i) 3 = 125 + 225i – 135 – – 27i = – 10 + 198i.

30–37. Выполните действия:

Рассмотрим теперь применение формулы

Пример 5. Выполнить действия:

а) (5 + 3i)(5 – 3i) = 5 2 – (3i) 2 = 25 – 9i 2 = 25 + 9 = 34;
б) (2 + 5i)(2 – 5i) = 2 2 – (5i) 2 = 4 + 25 = 29;
в) (1 + i)(1 – i) = 1 2 – i 2 = 1 + 1 = 2.

38–43. Выполните действия:

Обратим внимание на то, что при использовании формулы (*) всегда получается частный случай комплексного числа – действительное число, а комплексные числа, которые мы умножаем, являются сопряженными.

Определение 2. Два комплексных числа называются сопряженными, если они отличаются друг от друга только знаками перед мнимой частью.

Мы видим, что произведение двух сопряженных чисел всегда равно действительному числу. Воспользуемся этим свойством для выполнения деления двух комплексных чисел. Чтобы выполнить деление, произведем дополнительное действие: умножим делимое и делитель на комплексное число, сопряженное делителю.

Пример 6. Выполнить деление:

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Произведем умножение для делимого и делителя в отдельности:

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

44–55. Выполните деление:

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

56–60. Выполните действия:

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Рассмотрим решение квадратных уравнений, дискриминант которых отрицателен.

Пример 7. Решите уравнение:

Решение. а) Найдем дискриминант по формуле

Так как a = 1, b = – 6, c = 13, то

D = (– 6)2 – 4 Ч 1 Ч 13 = 36 – 52 = – 16;

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Корни уравнения находим по формулам

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

б) Здесь a = 9, b = 12, c = 29. Следовательно,

D = b 2 – 4ac =12 2 – 4 Ч 9 Ч 29 = 144 – 1044 = – 900,

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Находим корни уравнения:

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Мы видим, что если дискриминант квадратного уравнения отрицателен, то квадратное уравнение имеет два сопряженных комплексных корня.

62–65. Решите уравнения:

62. x 2 – 4x + 13 = 0.
63. x 2 + 3x + 4 = 0.
64. 2,5x 2 + x + 1 = 0.
65. 4x 2 – 20x + 26 = 0.

5. Геометрическая интерпретация комплексного числа

Комплексное число z = a + bi можно изобразить точкой Z плоскости с координатами (a; b) (рис. 1). Для этого выберем на плоскости декартову прямоугольную систему координат. Действительные числа изображаются точками оси абсцисс, которую называют действительной (или вещественной) осью; чисто мнимые числа – точками оси ординат, которую будем называть мнимой осью.

Каждой точке плоскости с координатами (a; b) соответствует один и только один вектор с началом O(0; 0) и концом Z(a; b). Поэтому комплексное число z = a + bi можно изобразить в виде вектора с началом в точке O(0; 0) и концом в точке Z(a; b).

Решение. Заданные числа изображены на рис. 2.

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

6. Тригонометрическая форма комплексного числа

Пусть комплексное число z = a + bi изображено в виде вектора с началом в точке O(0; 0) и концом Z(a; b) (рис. 3).

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Обозначив модуль комплексного числа буквой r. (1)

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Из соотношений Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицуи Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Если в запись комплексного числа z вместо a и b подставить эти значения, то получим

Таким образом, мы получили новую форму записи комплексного числа:

которая называется тригонометрической формой комплексного числа.

Сформулируем правило перехода от алгебраической формы комплексного числа к тригонометрической.

1. Находят модуль комплексного числа r, для чего используют формулу Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

2. Для нахождения j сначала определяют геометрически, в какой четверти находится точка z.

4. Записывают комплексное число z в тригонометрической форме.

Пример 9. Записать в тригонометрической форме комплексное число z = 1 + i.

1) Так как a = 1, b = 1, то Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу2) Изобразим число z геометрически (рис. 4). Мы видим, что числу z соответствует точка Z, лежащая в I четверти, и вектор z.

3) Составим соотношения Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицуи Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицут. е.

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Этим соотношениям соответствует в I четверти угол Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

4) Так как Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

то тригонометрическая форма заданного комплексного числа имеет вид Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Пример 10. Записать число Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицув тригонометрической форме.

Решение. 1) Здесь Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Следовательно, Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу2) Изобразим число z геометрически (рис. 5). Мы видим, что числу z соответствует точка Z, лежащая во II четверти, и вектор z.

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

4) Запишем заданное число в тригонометрической форме:

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Пример 11. Записать в тригонометрической форме чисто мнимое число z = – 3i. Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Решение. 1) Запишем данное число в виде z = 0 – 3i. Значит, a = 0, b = – 3, откуда

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

2) Точка, соответствующая геометрически числу z = – 3i, лежит на мнимой оси (рис. 6).

3) Аргумент этого числа равен Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу,

так как угол отсчитывается от положительного направления оси Ox против часовой стрелки.

4) Запишем данное число в тригонометрической форме:

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

66–71. Запишите в тригонометрической форме комплексные числа:

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

7. Показательная форма комплексного числа

которое называется формулой Эйлера.

Эта форма записи комплексного числа называется показательной формой.

Итак, существуют три формы записи комплексного числа:

z = a + bi – алгебраическая форма;
z = r (cos j + i sin j ) – тригонометрическая форма;
z = re ij – показательная форма.

Пример 12. Записать число Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

в показательной форме.

Решение. Здесь Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Следовательно, показательная форма числа имеет вид

Источник

Мнимая единица

Маяковский про мнимую единицу

Мнимая единица (讠, один с точечкой) — это:

Эта вторая формулировка крайне сложна. Чтобы её понять и привести к простой, нужно разбить одно окно чем-нибудь, другое — головой. И сравнить осколки обоих стёкол и состояние головы и крыши до и после процедуры.

Содержание

История открытия [ править ]

Основные свойства [ править ]

После того, как сбрендившие учёные поняли, что такое мнимая единица, стали выводить разные формулы. Например:

2 i = 2 i e e = 21 ⋅ e e = 21 <\displaystyle 2i=<\frac <2ie>>=<\frac <21\cdot e>>=21> Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Тождество Эйлера [ править ]

Существует следующее тождество:

Его высказал Эйлер, один из трезвых учёных, во сне. Поэтому его называют тождеством Эйлера. До сих пор учёные всего мира не понимают смысл этой формулы и удивляются её странностью. Не меньше удивления вызывает то, что этот великий математик подарил открытие миру в спящем состоянии. Он, проснувшись, показывал, что ничего не помнит, что ему «опять снились эти формулы бессмысленные». Но никто и не подумал пренебрегать великим открытием. Все без исключения должны верить тому, что сказал Эйлер, поскольку он уже сделал много великих открытий. Он просто не захотел раскрывать строгого доказательства. Известны несколько доказательств, но известны и их опровержения.

Доказательство [ править ]

e − i π ∗ e i π = ( − 1 ) ∗ ( − 1 ) <\displaystyle e^<-i\pi >*e^=(-1)*(-1)> Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

В итоге мы получили верное равенство, которое вытекает из исходного, поэтому тождество Эйлера доказано!

Опровержение [ править ]

e i π + 1 = e 1 ⋅ π + 1 = e π + 1 ≠ 0 <\displaystyle e^+1=e^<1\cdot \pi >+1=e^<\pi >+1\neq 0> Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Опровержение опровержения [ править ]

Не верьте этому опровержению, Эйлер говорил правду. (остальные 54 308 428 790 203 478 762 340 052 723 346 983 453 487 023 489 987 231 275 412 390 872 348 472 восклицательных знака были удалены автоматическим фильтром)

Следствие 1 [ править ]

Из тождества Эйлера следует нечто совсем уж парадоксальное. Перепишем тождество Эйлера в таком виде:

Поскольку в правой части равенства стоит действительное число, значит и в левой части тоже действительное число. В таком случае мы можем смело возвести обе части этого равенства в квадрат:

Следствие 2 [ править ]

Еще раз рассмотрим вышеприведённое тождество Эйлера:

А теперь возведем обе его части в любую целую нечётную степень n:

А значит, при любом нечётном n,

Интересные факты [ править ]

Человекам далеко не сведущим в математике, физике и алгебре, да что уж там — геометрии, рассуждения о мнимой единице представляется полным бредом. Прежде чем о ней рассуждать необходимо определиться, что такое отрицательные числа в природе. Дак, вот их НЕТ. Также как не может быть отрицательной скорости. Отрицательные числа прибывают в нашем воображении из-за того, что мы принимаем какое-либо значение за НОЛЬ. К примеру рассмотрим температуру вещества, а именно абсолютный ноль по Цельсию, это −273,15 °C (-459,67° по Фаренгейту), то есть полный покой вещества, когда его атомы «обездвижены» — вот это и есть НОЛЬ. Отсюда следует отрицательные числа, которые кажутся таковыми, следует записывать в скобках, например так:(-1). Физический смысл отрицательной степени — отсутствует. i 2 = − 1 <\displaystyle i^<2>=-1> Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицудалее

В итоге Эйлером доказано, что 1=-1, такой же единице только по другую сторону шкалы.

Источник

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

СОДЕРЖАНИЕ

Определение

Мнимое число i определяется исключительно тем свойством, что его квадрат равен −1:

.> Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Точно так же, как и с любым ненулевым действительным числом:

Матрицы

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Аналогичная проблема возникает, если комплексные числа интерпретируются как вещественные матрицы 2 × 2 (см. Матричное представление комплексных чисел ), потому что тогда оба

были бы решениями матричного уравнения

Все эти неоднозначности могут быть решены путем принятия более строгого определения комплексного числа и явным выбором одного из решений уравнения в качестве мнимой единицы. Например, упорядоченная пара (0, 1) в обычном построении комплексных чисел с двумерными векторами.

Правильное использование

а ⋅ б знак равно а ⋅ б <\ displaystyle <\ sqrt > \ cdot <\ sqrt > = <\ sqrt >> Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

а б знак равно а б <\ displaystyle <\ frac <\ sqrt > <\ sqrt >> = <\ sqrt <<\ frac <\, a \,>> \,>>> Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Источник

Какие свойства мнимой единицы

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Мни́мая едини́ца — комплексное число, квадрат которого равен −1 (минус единице). Термин может употребляться также в обобщённом смысле не только для комплексных чисел[⇨].

Причиной введения мнимой единицы является то, что не каждое полиномиальное уравнение с вещественными коэффициентами имеет решения в поле вещественных чисел. Так, уравнение не имеет вещественных корней. Однако оказывается, что любое полиномиальное уравнение с комплексными коэффициентами имеет комплексное решение — «Основная теорема алгебры».

Исторически мнимая единица сначала была введена для решения вещественного кубического уравнения: нередко, при наличии трёх вещественных корней, для получения двух из них формула Кардано требовала брать кубический корень в комплексных числах.

Утверждение, что мнимая единица — это «квадратный корень из −1», не совсем точно: ведь «−1» имеет два квадратных корня, один из которых можно обозначить как «i», а другой как «−i». Какой именно корень принять за мнимую единицу — неважно: все равенства сохранят силу при одновременной замене всех «i» на «−i» и «−i» на «i». Однако из-за этой двусмысленности, чтобы избежать ошибочных выкладок, не следует применять обозначение для через радикал (как ).

Определение[править | править код]

Мнимая единица — это число, квадрат которого равен −1. Т.е. — это одно из решений уравнения

Степени мнимой единицы[править | править код]

Степени повторяются в цикле:

Что может быть записано для любой степени в виде:

где n — любое целое число.

Отсюда:
где mod 4 — это остаток от деления на 4.

Возведение в комплексную степень является многозначной функцией.

Например, величина является многозначной, и представляет бесконечное множество вещественных чисел ():

Факториал[править | править код]

Факториал мнимой единицы i можно определить как значение гамма-функции от аргумента 1 + i:

Корни из мнимой единицы[править | править код]

Корни квадратные из мнимой единицы

Корни кубические из мнимой единицы (вершины треугольника)

В поле комплексных чисел корень n-й степени имеет n решений. На комплексной плоскости корни из мнимой единицы находятся в вершинах правильного n-угольника, вписанного в окружность с единичным радиусом.

Также корни из мнимой единицы могут быть представлены в показательном виде:

Иные мнимые единицы[править | править код]

К вопросу об интерпретации и названии[править | править код]

Обозначения[править | править код]

В языке программирования Python мнимая единица записывается как 1j.

В языке программирования Wolfram Language мнимая единица записывается как I.

См.также[править | править код]

Примечания[править | править код]

Ссылки[править | править код]

Ранее мы с вами разобрали пару крайне важных, в нашем мире, чисел: число Эйлера и число ПИ. Сегодня мы с вами узнаем еще об одном интересном и важном числе.

Мнимая единица, по сути, его нельзя назвать числом в привычном нам понимании. Это число не вещественное, а комплексное. Давайте пойдем по порядку.

Сперва история

Первые заметки о нем были обнаружены в записях Джероламо Кардано – итальянский математик живший в 16 веке. Он ввел его, когда решал кубические уравнения. Позже, когда ученые обнаружили эти записи, они начали производить с ним различные действия.

Основной вклад в развитие этой теории вложил ранее знакомый нам Леонард Эйлер. Тогда родился комплексный анализ, а позже и теория функций комплексного переменного (ТФКП). Леонард распространил основные функции в комплексную плоскость. Было сформулировано множество принципов, алгебраические действия не отличались от привычного вещественного анализа, но было сделано одно существенное допущение: в этой теории есть число, квадрат которого равен отрицательному числу. И это мнимая единица. Обозначается она как i, и такое название она получила благодаря все тому же Эйлеру (в некоторых других науках, таких как электротехника, встречается обозначение j, так как буква i занята для обозначения тока).

Для нахождения площади квадрата, мы возводим длину стороны этого квадрата в квадрат. То есть, мнимая единица – это сторона квадрата, у которого отрицательная площадь. Да, на реальности мы такого не встретим, именно по этому она называется мнимой. Но какой от нее тогда толк? Об этом немного позже.

Немного введу в курс дела

В комплексном анализе числовая прямая расширяется до комплексной плоскости, где осью абсцисс представлена вещественная прямая, а осью ординат – мнимая. Существует несколько способов записи комплексного числа: в виде пары чисел, в алгебраической форме, тригонометрической и вытекающей отсюда показательной.

Все формы представления в порядке, написанном выше

Самая красивая формула математики

Я хочу показать вам одну красивую формулу в математике, а для этого необходимо немного разобраться в комплексном анализе.

Давайте взглянем на комплексную плоскость поподробнее. На ней числа отмечаются точками, и каждой соответствует своя координата.

Но так же возможно векторное представление, где начало вектора лежит в начале координат, а конец на точке.

Благодаря этому возможно ввести показательное представление. Где число перед экспонентой показывает длину вектора, а угол в показателе равен углу между вещественной осью и этим вектором.

Это так называемая формула Эйлера (на самом деле это лишь частный случай этой формулы). И вся ее красота состоит в том, что она содержит в себе все знаменитые константы и числа.

Важность этого числа

Комплексный анализ очень важен для нашей жизни. В физике с его помощью описывают все волновые процессы. Вообще, говорят, что все волны и поля существуют в комплексном пространстве, а то, что мы видим, только тень «истинных» процессов. Квантовая механика, где и атом и другие материальные объекты — волны, делает такую трактовку более убедительной.

Так же, современная аэродинамика не обходится без ТФКП, где функции Жуковского могут давать необходимые профили крыла.

И это еще не все. Во многих отраслях так или иначе могут присутствовать элементы этой теории, поэтому ее важность нельзя отрицать.

Если данная статья была вам интересна, то не забывайте ставить пальцы вверх, я постарался написать для вас наиболее понятно. Так же подписывайтесь на канал, если еще не сделали этого! До скорых встреч и всего доброго! 🙂

×èñëî íàçûâàåòñÿ ìíèìîé åäèíèöåé.

Ìíèìàÿ åäèíèöà íå îòíîñèòñÿ ê ïðèâû÷íîìó íàì ìíîæåñòâó äåéñòâèòåëüíûõ ÷èñåë, à èñïîëüçóåòñÿ äëÿ ðàñøèðåíèÿ ýòîãî ìíîæåñòâà.

Ìíèìàÿ åäèíèöà — ýòî ÷èñëî, ó êîòîðîãî êâàäðàò ðàâíÿåòñÿ ìèíóñ åäèíèöå. Òî åñòü i — ýòî îäíî èç ðåøåíèé óðàâíåíèÿ:

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Êîìïëåêñíàÿ ïëîñêîñòü. Âñå òî÷êè íà ïëîñêîñòè ñîîòâåòñòâóþò êîìïëåêñíîìó ÷èñëó. Êîîðäèíàòû a è b ñîîòâåòñòâóþò äåéñòâèòåëüíîé è ìíèìîé ÷àñòè êîìïëåêñíîãî ÷èñëà.

Ïðèìåðû ðàñ÷åòîâ ñ ìíèìîé åäèíèöåé.

Èíòåðåñíî òî, ÷òî âñå ìíîãî÷ëåíû èìåþò êîðíè, åñëè áðàòü â ðàñ÷åò ìíèìóþ åäèíèöó, åñëè òî÷íåå, êîëè÷åñòâî êîðíåé ðàâíÿåòñÿ ñòåïåíè ìíîãî÷ëåíà, ñ òî÷íîñòüþ äî êðàòíîñòè êîðíåé.

Ñòåïåíè i ïîâòîðÿþòñÿ öèêëè÷íî:

Ýòî ìîæíî çàïèñàòü äëÿ ëþáîé ñòåïåíè òàêèì îáðàçîì:

ãäå n — âñÿêîå öåëîå ÷èñëî.

×èñëî îêàçûâàåòñÿ âåùåñòâåííûì ÷èñëîì:

 ïîëå êîìïëåêñíûõ ÷èñåë êîðåíü n-îé ñòåïåíè èìååò n ðåøåíèé. Íà êîìïëåêñíîé ïëîñêîñòè êîðíè èç ìíèìîé åäèíèöû ðàñïîëîæåíû â âåðøèíàõ ïðàâèëüíîãî n-óãîëüíèêà, êîòîðûé âïèñàí â îêðóæíîñòü åäèíè÷íîãî ðàäèóñà.

Ýòî ñëåäóåò èç ôîðìóëû Ìóàâðà è òîãî, ÷òî ìíèìóþ åäèíèöó ìîæíî ïðåäñòàâèòü â òðèãîíîìåòðè÷åñêîì âèäå:

Êðîìå òîãî, êîðíè èç ìíèìîé åäèíèöû ìîæíî ïðåäñòàâèòü â ïîêàçàòåëüíîì âèäå:

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Êîðíè êâàäðàòíûå èç ìíèìîé åäèíèöû.

Что принято за мнимую единицу. Смотреть фото Что принято за мнимую единицу. Смотреть картинку Что принято за мнимую единицу. Картинка про Что принято за мнимую единицу. Фото Что принято за мнимую единицу

Êîðíè êóáè÷åñêèå èç ìíèìîé åäèíèöû (âåðøèíû òðåóãîëüíèêà).

Êàëüêóëÿòîðû ïî àëãåáðå

Ðåøåíèÿ, ïîäñêàçêè è ó÷åáíèê ëèíåéíîé àëãåáðû îíëàéí (âñå êàëüêóëÿòîðû ïî àëãåáðå).Êàëüêóëÿòîðû ïî àëãåáðå

Ìàòåìàòè÷åñêèå êàëüêóëÿòîðû

Ìàòåìàòè÷åñêèå êàëüêóëÿòîðû: êîðíè, äðîáè, ñòåïåíè, óðàâíåíèÿ, ôèãóðû, ñèñòåìû ñ÷èñëåíèÿ è äðóãèå êàëüêóëÿòîðû.
Ìàòåìàòè÷åñêèå êàëüêóëÿòîðû

Àëãåáðà 6,7,8,9,10,11 êëàññ, ÅÃÝ, ÃÈÀ

Îñíîâíàÿ èíôîðìàöèÿ ïî êóðñó àëãåáðû äëÿ îáó÷åíèÿ è ïîäãîòîâêè â ýêçàìåíàì, ÃÂÝ, ÅÃÝ, ÎÃÝ, ÃÈÀ
Àëãåáðà 6,7,8,9,10,11 êëàññ, ÅÃÝ, ÃÈÀ

×èñëà. Êîìïëåêñíûå (ìíèìûå) ÷èñëà.

Мы уже обсуждали этапы расширения числовых систем: от натуральных чисел, которые можно складывать и умножать, но не всегда можно вычитать и делить, к целым, которые вычитать можно без ограничений и потом к рациональным, которые вычитать и делить уже можно без ограничений (только на нуль делить нельзя). Потом еще есть любопытная история с пополнением, потому что рациональные числа явно не исчерпывают всех чисел: пи, е, логарифмы и корни не рациональны (в виде дроби a/b не записываются), хотя явно являются числами (начиная со диагонали квадрата с единичным ребром). Не рационально также и число 0.1234…, в котором мы записываем торец к торцу натуральные числа.

Пополненное множество чисел называется множеством вещественных чисел или числовой прямой. Прямой — потому что точки прямой удобно соотносятся с числами.

В самом деле, выберем точку и назовем ее нулем; отрезок длины 1 даст нам единицу, а в другую сторону — минус единицу. И так далее.

Числовая ось. Вправо — это условность. Можно и влево, и вниз, и косо. Не суть.

Логично сделать следующий шаг, введя мнимую единицу i и декларативно определив ее как корень квадратный из минус единицы. Увязывая концы с концами, мы приходим к комплексной плоскости (одна из прямых на ней — вещественная прямая).

“Увязать концы с концами” — это выяснить, как складывать любые комплексные числа, как умножать и делить их, как возводить любое комплексное число в любую комплексную степень. Это все делается, причем только одним способом.

Может возникнуть подозрение, что путь в никуда: ведь мы легализовали квадратные корни из отрицательных чисел, но есть же много других: корни четвертой степени, например, или корни из самих новообразованных комплексных чисел — сколько еще шагов надо сделать, чтобы все операции, кроме деления на нуль, были возможны? И есть ли вообще конец этого пути?

Но подозрение не оправдывается. Приятный результат: комплексная плоскость замкнута относительно всех операций. Все корни вычисляются, как и логарифмы и многое другое. Не вычисляется только то, что дает бесконечный результат, непосредственно или как промежуточный. Это и деление на нуль, и логарифм нуля, и отрицательные степени нуля.

И даже более того: у многочлена степени n всегда есть ровно n комплексных корней (возможно, совпадающих). Это мощное обобщение операции извлечения корня! Ведь извлечение корней находит корни многочленов вида x^n-Q=0. А гарантируются корни любых многочленов! Причем кратный корень — это не формальность (считаем корень два раза), а так и есть: кратный корень, например, является корнем производной; считать каждый корень три раза, например — не пойдет.

В этом смысле утверждение “у слона есть крылья, но они равны нулю” не совсем верно: у слона нет крыльев. А вот у человека хвост — есть. но равен нулю.

Теперь следим за мыслью. Мы вполне можем, решая целочисленную задачку, пользоваться по ходу дела дробями — главное, чтобы их не было в ответе. Или применять отрицательные числа, стремясь к положительному ответу. Точно так же мы можем пользоваться комплексными числами и функциями, хотя в ответе их не будет.

Очень большая часть физики описывается линейными уравнениями. Если упрощенно, то это уравнения, в которых неизвестная величина и ее скорость входят линейно: в первой степени и в числителе.

Иногда эти уравнения фундаментальны, а иногда они просто дают хорошее приближение.

Линейные уравнения обладают свойством суперпозиции: сумма их решений образует решение, поэтому решения можно “размножать”. Теория линейных уравнений у меня изложена, например, здесь. На более простом примере, нежели дифференциальные уравнения — на примере разностных уравнений. Но принцип тот же.

Простой пример линейного дифф.уравнения: закон радиоактивного распада: x’=-kx

x — количество вещества, x’ — скорость разложения, k — коэффициент, показывающий, какая доля вещества распадется за единицу времени.

Это линейное уравнение. Решений у него много, для любого начального количества свое. Но если мы знаем одно решение, то можем умножить его на константу и получить новое решение.

При этом, если мы знаем начальное количество, то можем определить решение однозначно, поэтому, если есть одно решение — можно получить любое другое, умножив на подходящую константу.

Важный вывод: найдите одно решение — и вы нашли все!

Одно решение подбирается легко, это экспонента e^<-kt>.

Значок ^ обозначает степень, а скобки <> просто для группировки.

Ну, и всё: любое решение обязано иметь вид Ce^<-kt>, а константа С равна начальному количеству. Можно переписать в другом виде: C2^<-t/T>, где C — начальное количество, а T — период полураспада. За время Т распадается половина вещества.

Вот так выглядит решение — экспонента. Начальное значение 5, период полураспада 1. За каждую единицу времени количество снижается вдвое.

Если мы предположим, что прирост численности вида пропорционален численности (в среднем на каждую особь приходится столько-то потомков), ресурсов хватает и никто их не ест — то получим модель Мальтуса, которая от модели радиоактивного распада отличается только знаком. Решением будет тоже экспонента, но не убывающая, а растущая. А растет экспонента быстро, так что очень быстро ресурсы начинают ограничивать рост, даже если их много.

Однако в механике или электродинамике уравнения обычно второго порядка (закон Ньютона — там ускорения) или системы из двух и более уравнений. Что же, рассмотрим простой осциллятор (маятник):

Здесь x” — ускорение, вторая производная. Уравнение линейно и степеней свободы две, ведь нужно знать начальное положение и начальную скорость, чтобы определить динамику. Стало быть, подберите два решения и они дадут вам все — без исключения.

Осциллятор — маятник на пружине (или любая другая колебательная система).

Пробуем экспоненту: e^ с каким-то пока неизвестным числом а. Производная экспоненты пропорциональна ей самой: (e^)’=ae^. При подстановке в уравнение экспонента сократится и получим уравнение для числа а:

Вооруженные комплексными числами, мы не испугаемся, а выпишем два корня: a = +wi, a=-wi.

У нас есть две экспоненты, а значит, и два решения, и это все, что нам надо:

Me^ + Ne^ <-iwt>— при каких-то значениях констант M и N это любое мыслимое решение уравнения.

Но экспоненты комплексные, а это неприятно.

Когда мы увязывали концы с концами, определяя операции над комплексными числами (а это можно сделать только одним способом), у нас получилась формула Эйлера, которая задает возведение в степень:

Через нее можно возвести любое число в любую степень. Как именно — расскажу в отдельной заметке.

Применим же эту формулу и перегруппируем слагаемые:

Здесь мы переобозначили константу M+N на C, а i(M-N) — на D.

Можно еще немного поиграть с тригонометрией, и свести формулу для решения к более физичной:

где A и f — новые две константы, но с физическим смыслом: это амплитуда и начальная фаза колебания.

График решения (черная линия) и его производной (скорости, красная лииня). Черная линия — положение маятника, а красная — его скорость. Амплитуда А=2, фаза f=1. Трения нет, маятник вечно колеблется вокруг нулевого равновесия. И скорость тоже колеблется.

Давайте еще пример. Рассмотрим систему двух уравнений, линейных, конечно:

Пусть x — это положение маятника, а y — его скорость. Тогда эта система сводится к уже решенному уравнению. Но можно ее решить непосредственно. Решения — вектор-функции, а из-за линейности они образуют пространство, причем размерности два — ведь нужно знать x и y в начальный момент, и тогда узнаем всё. Два решения подбираются довольно легко, но это тема для отдельной заметки. И да, там тоже будут комплексные экспоненты.

Таким образом, комплексная экспонента пронизывает всю теорию колебаний, в том числе — линейную теорию электрических контуров, о которой во второй части (to be soon).

Если есть трение, корни становятся не чисто мнимыми, все становится немного сложнее и интереснее, как и в случае вынуждающих сил — как для систем, так и для уравнений. Но это тема для другой беседы.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *