Kompleksan broj

Izvor: testwiki
Idi na navigaciju Idi na pretragu
malo
malo

Kompleksni brojevi su oni brojevi koji proširuju skup realnih brojeva na način da jednačina x2+1=0 ima rješenje. Ono je moguće uvođenjem novog imaginarnog broja i koji ima osobinu i2=1. Ovaj broj i označava se kao imaginarna jedinica. U elektrotehnici za njegovo označavanje koristi se slovo j, kako bi se izbjegla zabuna sa oznakom za jačinu struje zavisne od vremena (koja se označava sa i ili i(t)).

Pojam "kompleksnih brojeva" uveo je Carl Friedrich Gauß 1831. u djelu Theoria residuorum biquadraticorum. Međutim, temelje teorije kompleksnih brojeva postavio je italijanski matematičar Gerolamo Cardano u djelu Ars magna objavljenom u Nürnbergu 1545. te Rafael Bombelli u djelu L'Algebra objavljenom u Bologni 1572. a napisanom između 1557. i 1560.[1] Uvođenje imaginarne jedinice i kao novog broja pripisuje se Leonhardu Euleru.

Definicije

U skupu realnih brojeva jednačina x21=0 ima dva rješenja

x21=0x=±1

Slična jednačina x2+1=0 u skupu nema ni jedno rješenje. Zato se uvodi imaginarna jedinica i definisana na sljedeći način i2=1 tj

x2+1=0x=±i. Iz ove definicije slijedi

i2=1,i3=i,i4=ii=(1)=1,i5=i,i6=1,.[2]

Na ovaj način dobili smo skup kompleksnih brojeva. Kompleksan broj je broj oblika

x+yi

gdje su x i y realni brojevi, a i se naziva imaginarna jedinica i ima osobinu i2 = -1.

Realni broj x se naziva realni dio kompleksnog broja i označava se sa Re(z), a y se naziva imaginarni dio i označava se sa Im(z).

Skup kompleksnih brojeva možemo smatrati proširenjem skupa realnih brojeva, odnosno svaki realni broj x možemo posmatrati kao kompleksni, uzimajući u prethodnoj notaciji da je y = 0, tj. x=x+0i.

Povremeno se moze naići na definiciju i=1. U praktičnom smislu (iako korektna) tu definiciju treba koristiti vrlo uvjetno, jer ukoliko uradimo slijedeću operacije dobijamo pogrešan rezultat. 11=1=1. U pravilu takva vrsta operacije se tretira u domeni kompleksnih brojeva a ne realnih, i prema definiciji kompleksnog broja i=1imamo: ii=1 što je i korektan rezultat.

Kompleksni brojevi se mogu formalno definisati kao dvodimenzionalni vektori ili uređeni parovi (x,y) realnih brojeva.

Definiciju kompleksnih brojeva kao uređenih parova dao je William R. Hamilton , irski matematičar (1805– 1865.) Ta se definicija temelji samo na osobini realnih brojeva, čime se izbjegava donekle nerazjašnjeni pojam broja 1 .

S druge strane, zapis oblika z=x+yi pogodniji je za računanje.

Oba oblika kompleksnog broja

z=x+yi i

z=(x,y) potpuno su ekvivalentna.

Skup kompleksnih brojeva je skup svih brojeva oblika z=x+iy, gdje su x,y.

Posebno je 0=0+i0.

x=Rez je realni dio kompleksnog broja z,

y=Imz je imaginarni dio kompleksnog broja z.

Algebarski oblik kompleksnog broja je

z=x+iy za x,y

Trigonometrijski oblik kompleksnog broja je

z=r(cosθ+isinθ),r0,θ

pri čemu je

r=|z| modul

θ=Argz argument

Eksponencijalni oblik kompleksnog broja je

z=riθ za r0,θ

pri čemu je

r=|z| modul

θ=Argz argument

Dva kompleksna broja su jednaka ako su im jednaki realni i imaginarni dijelovi.

z1=z2(Re(z1)=Re(z2)Im(z1)=Im(z2)).

Konjugirano kompleksni broj broja z=x+iy je broj z¯=xiy.

Modul ili apsolutna vrijednost kompleksnog broja z je nenegativni realni broj r=|z|=x2+y2.

Operacije s kompleksnim brojevima

malo
malo

U skupu kompleksnih brojeva definisano je sabiranje.

Neka su z1=x1+iy1 i z2=x2+iy2 dva kompleksna broja.

z1+z2=x1+x2+i(y1+y2)[2]

i oduzimanje

z1z2=x1x2+i(y1y2)

Osobine sabiranja kompleksnih brojeva

z1+z2=z2+z1 za z1,z2 komutativnost sabiranja

z1+(z2+z3)=(z1+z2)+z3, za z1,z2,z3 asocijativnost sabiranja

0z+0=z za z neutralni element 0(nula) za sabiranje

Kompleksni broj 0=(0,0)=0+0i

(z)((z)z+(z)=0 postojanje inverznog elementa.

Kompleksni broj z=(x,y)=xyi [3]

Množenje kompleksnih brojeva

Neka su z1=x1+iy1 i z2=x2+iy2 dva kompleksna broja.

U skupu kompleksnih brojeva definisano je množenje z1z2=(x1+iy1)(x2+iy2)=x1x2+iy1x2+ix1y2+i2y1y2=x1x2y1y2+i(x1y2+x2y1)

Osobine množenja kompleksnih brojeva

z1z2=z2z1 za z1,z2 komutativnost množenja

z1(z2z3)=(z1z2)z3 za z1,z2,z3 asocijativnost množenja

1z1=z za z neutralni element 1 za množenje

(z)(z0)(z)z(z)=1 postojanje reciproćnog elemanta

z1(z2+z3)=z1z2+z1z3 za z1,z2,z3 distributivnost množenja u odnosu na sabiranje [3]

Realan proizvod dva kompleksna broja

U skupu kompleksnih brojeva skalarnom proizvodu vektora odgovara pojam realnog proizvoda kompleksnih brojeva koji je skalarni proizvod vektora koji su određeni kompleksnim brojevima koji se množe. Definicija

Realan proizvod kompleksnih brojeva a i b, u oznaci ab,je realan broj određen kao

ab=12(ab+ab)

Neka su A i B tačke određene kompleksnim brojevima a=|a|(cosφ+isinφ) ib=|b|(cosψ+isinψ) Lako je provjeriti da je

ab=|a||b|(cosφ+isinψ)=|OA||AB|cosAOB^

Osobine realnog proizvoda dva kompleksna broja

  1. aa=|a|2
  2. ab=ba
  3. ab=ab
  4. (αa)b=α(ab)=a(αb)
  5. (az)(bz)=|z|2(ab)
  6. ab=0OAOB (za tačke A i B kompleksne ravni određene kompleksnim brojevima a i b)

Realan proizvod kompleksnih brojeva a i b jednak je potenciji koordinantnog početka O kompleksne ravni u odnosu na krug čiji je prečnik AB, gdje su A i B tačke kompleksne ravni određene kompleksnim brojevima a i b.

Tačka M je sredina duži AB određena kompleksnim brojem a+b2, potencija tačke O u odnosu na krug sa središtem u tački M i poluprečnikom

r=ab2=|ab|2 jednaka je

OM2r2=|a+b2||ab2|=(a+b)(a+b)4(ab)(ab)4=ab

Neka su tačke A,B,C,D taačke kompleksne ravni određene kompleksnim brojevima a, b, c, d. Tada su sledeća tvrđenja ekvivalentna:

  1. ABCD
  2. (a+b)(c+d)=0
  3. badci {0}
  4. Re(badc)=0

Središte kružnice opisane oko trougla ABC nalazi se u koordinantnom početku kompleksne ravni. Ako su tjemena A, B, C trougla ABC određena kompleksnim brojevima a, b, c respektivno, tada je ortocentar H tog trougla određen kompleksnim brojem h=a+b+c.

Kompleksan proizvod dva kompleksna broja

Kompleksan proizvod dva kompleksna broja je analogan vektorskom proizvodu vektora.

Definicija

Kompleksan broj

a×b=abab2 nazivamo kompleksnim proizvodom kompleksnih brojeva a i b.

Neka su A i B tačke određene kompleksnim brojevima a=|a|(cosφ+isinφ) i a=|b|(cosψ+isinψ) Lako je provjeriti da je

|a×b|=|a||b|sin(φψ)=|OA||AB|sinAOB^=2PAOB

Neka su a, b, c kompleksni brojevi. Tada kompleksan proizvod dva kompleksna broja ima sledeće osobine

  1. a×b=a×b
  2. a×b=0a=0b=0a=λb gdje je λ {0}
  3. a×b=b×a
  4. α(a×b)=(αa)×b=a×(αb) ( α )

Ako su A(a) i B(b) dvije različite tačke različite od O(0), tada je a×b=0 onda i samo onda ako su O, A,B kolinearne tačke.

Neka su A(a) i B(b) dvije različite tačke u kompleksnoj ravni različite od koordinantnog početka. Kompleksan proizvod brojeva a i b ima sljedeći geometrijski smisao

a×b={2iPAOB za trougao AOB pozitivno orijentisan2iPAOB za trougao AOB negativno orijentisan Neka su A(a), B(b) i C(c) tri različite tačke u kompleksnoj ravni. Tada je

PABC={12(a×b+b×c+c×a) ako je ABC pozitivno orjentisan12(a×b+b×c+c×a) ako je ABC negativno orjentisan

Neka su A(a), B(b) i C(c) tri različite tačke u kompleksnoj ravni. Tada su sljedeća tvrđenja ekvivalentna

  1. Tačke A,B,C su kolinearne
  2. (ba)×(ca)=0
  3. a×b+b×c+c×a=0

Neka su A(a), B(b), C(c) i D(d) četiri tačke od kojih nikoje tri nisu kolinearne. Tada je ABCD onda i samo onda ako je (ba)×(dc)=0

Dijeljenje kompleksnih brojeva

z1z2=x1+iy1x2+iy2x2iy2x2iy2=x1x2+y1y2x22+y22+iy1x2x1y2x22+y22,zaz20

U svakom skupu brojeva dijeljenje se definiše kao množenje inverznim elementom. Uvjerimo se da za

z)(z0)z

Neka je z=x+yi0 bilo koji. Onda je x2+y20 pa je dobro definisan broj

z=xx2+y2+yx2+y2i

1z=z¯zz¯=z¯x2+y2=xx2+y2yx2+y2i.

imamo

zz=zz=1

z=z1=1z

Konjugovano kompleksni brojevi

malo
malo

Kompleksan broj z =xyi=riθ nazivamo konjugovanim broju z=x+yi=riθ.[4]

Brojevi z i z čine par konjugovanik brojeva. Njihovim sabiranjem i oduzimanjem dobijamo

Rez=12(z+z)

Imz=12i(zz)

Lako se provjerava da vrijedi

  1. z1+z2=z1+z2
  2. z1z2=z1z2
  3. z1z2=z1z2
  4. (z1z2)=z1z1 [3]

Neka je z=r(cosθ+isinθ)=rcisθ trigonometrijski oblik kompleksnog broja. Tada je

z2=zz

z2=rcisθrcisθ=r2cis(θ+θ)=r2cis2θ

z3=r2cis2θrcisθ=r3cis(2θ+θ)=r3cis3θ

z4=r3cis3θrcisθ=r4cis(3θ+θ)=r4cis4θ[4]

Na ovaj način dobijamo opći oblik De Moavrova teorema koji ima važnu ulogu u elektrotehnici

zn=rncisnθ ili

(cosθ+isinθ)n=cosnθ+isinnθ(nZ)[4]

Stepenovanje kompleksnog broja

zn=rn(cosnθ+isinnθ)=rneinθ za nN.

zmzn=zm+n

(z1z2)n=(z1z2)n

(zm)n=zmn

Potencije imaginarne jedinice

i4k=1

i4k+1=i

i4k+2=1

i4k+3=i[5]

Korjenovanje kompleksnog broja

zn={u0,u1...un} za nN

gdje je

uk=rn(cosrnn+isinθ+2kπn) za k=0,1,,(n1)

uk=rnei(θ+2kπ)/2 za k=0,1,,(n1)

Kvadratni korjen imaginarnog broja

i=122+i122=22(1+i).

Ovaj rezultat možemo dobiti na sljedeći način

i=(a+bi)2

i=a2+2abib2.

Dobijamo dvije jednačine

{2ab=1a2b2=0

čija su rješenja

a=b=±12.

Izbor glavnog korjena daje

a=b=12.

Rezultat možemo dobiti pomoću Moavrova formule

i=cos(π2)+isin(π2)

i=(cos(π2)+isin(π2))12=cos(π4)+isin(π4)=12+i(12)=12(1+i).

Apsolutna vrijednost argumenta

Apsolutna vrijednost (ili modul ili veličine) kompleksnog broja z=x+yi je

r=|z|=x2+y2.

Kvadrat apsolutne vrijednosti je

|z|2=zz¯=x2+y2. [3]
φ=arg(z)={arctan(yx)if x>0arctan(yx)+πif x<0 and y0arctan(yx)πif x<0 and y<0π2if x=0 and y>0π2if x=0 and y<0indeterminate if x=0 and y=0.

Množenje i dijeljenje u polarnom obliku

Iz trigonometrijskih identiteta

cos(a)cos(b)sin(a)sin(b)=cos(a+b)

cos(a)sin(b)+sin(a)cos(b)=sin(a+b)

imamo

z1z2=r1r2(cos(φ1+φ2)+isin(φ1+φ2)).

Primjer

(2+i)(3+i)=5+5i.

π4=arctan12+arctan13

Dijeljenje

z1z2=r1r2(cos(φ1φ2)+isin(φ1φ2)).

Trigonometrijski oblik kompleksnog broja

Ponekad je kompleksne brojeve potrebno pisati u trigonometrijskom obliku

a+bi=ρ(cosϕ+isinϕ)

ρ=a2+b2, ϕ=arctanba, za a>0 i ϕ=π+arctanba za a<0; kada je a=0 onda je ϕ=π2, ako je b>0 i ϕ=π2, ako je b<0

Broj ρ se naziva modul kompleksnog broja , a ϕ је argument kompleksnog broja

Množenje

Množenje kompleksnih brojeva u trigonometrijskom obliku je slično množenju kompleksnih brojeva u standardnom obliku.

Neka su zadani kompleksni brojevi

z1=r1(cosφ1+isinφ1) i z2=r2(cosφ2+isinφ2)

onda je [6]

Sada, kada smo odredili brojeve, mogu se pomnožiti: z1z2=r1(cosφ1+isinφ1)r2(cosφ2+isinφ2)=

r1r2(cosφ1cosφ2+icosφ1sinφ2+icosφ2sinφ1+i2sinφ1sinφ2)=

r1r2((cosφ1cosφ2sinφ1sinφ2)+i(cosφ1sinφ2cosφ2sinφ1)=

r1r2(cos(φ1+φ2)+isin(φ1+φ2)

Dijeljenje

Neka su zadani kompleksni brojevi

z1=r1(cosφ1+isinφ1) i z2=r2(cosφ2+isinφ2)

z1z2=r1(cosφ1+isinφ1)r2(cosφ2+isinφ2)=r1(cosφ1+isinφ1)r2(cosφ2+isinφ2)r1(cosφ2isinφ2)r2(cosφ2isinφ2) [6]

u općem slučaju važi r1r2cosφ1cosφ2icosφ1sinφ2+icosφ2sinφ1i2sinφ1sinφ2cos2φ2+sin2φ2

r1r2(cos(φ1φ2)+isin(φ1φ2))=r1r2(cis(φ1φ2))

De Moavrova formula

Neka je z=r(cosθ+isinθ)=rcisθ trigonometrijski oblik kompleksnog broja. Tada je

z2=zz

z2=rcisθrcisθ=r2cis(θ+θ)=r2cis2θ

z3=r2cis2θrcisθ=r3cis(2θ+θ)=r3cis3θ

z4=r3cis3θrcisθ=r4cis(3θ+θ)=r4cis4θ

Na ovaj način dobijamo opšti oblik De Moavrova teorema koji ima važnu ulogu u elektrotehnici

(cosϕ+isinϕ)n=cosnϕ+isinnϕ [7]

Također pogledajte

Reference

Šablon:Refspisak

Literatura

  1. Kompleksni brojevi
  2. Kompleksni brojevi
  3. KOMPLEKSNI - BROJEVI
  4. Skup kompleksnih brojeva Šablon:Webarchive
  5. Moavrova formula i n-ti koren kompleksnog broja, 21. februar 2014
  6. Množenje i deljenje kompleksnih brojeva u trigonometrijskom obliku, 19. februar 2014.
  7. Trigonometrijski oblik kompleksnog broja, 17. februar 2014.

Vanjski linkovi

Šablon:Commonscat

  1. A Visual, Intuitive Guide to Imaginary Numbers

Šablon:Navkutija

  1. Šablon:Cite book
  2. 2,0 2,1 Kompleksni brojevi Šablon:Webarchive, na stranici Fakulteta elektrotehnike, mašinstva i brodogradnje Univerziteta u Splitu, pristupljeno 10. jula 2017. Šablon:Simboli jezika
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 Skup kompleksnih brojeva Šablon:Webarchive, pristupljeno 10. jula 2017. Šablon:Simboli jezika
  4. 4,0 4,1 4,2 Konjugovano kompleksni broj kompleksnog broja, na stranici Elektronskog fakulteta Univerziteta u Nišu, Šablon:Simboli jezika
  5. Tin Perkov, Mandi Orlić: Formule iz Matematike I, Tehničko veleučilište u Zagrebu, Šablon:Simboli jezika
  6. 6,0 6,1 Množenje i deljenje kompleksnih brojeva u trigonometrijskom obliku, 19. februar 2014, Šablon:Simboli jezika
  7. De Moavrova formula, 21. februar 2014. Šablon:Simboli jezika