Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
EUMKD_adocx.docx
Скачиваний:
224
Добавлен:
18.03.2016
Размер:
3.96 Mб
Скачать

§2. Тригонометрическая форма комплексного числа

Геометрически комплексное число z = a + ib изображается как точка с координатами (a, b) на плоскости. Плоскость, на которой изображаются комплексные числа, называется комплексной плоскостью С.

y C

b z

Im z

x

0 Re z a

Рис.A.

Определение 5. Действительное число |z|=называетсямодулем комплексного числа z = a + ib. Геометрически модуль числа z является длиной радиуса-вектора точки (a, b).

Угол между радиус-вектором и положительным направлением оси OX называется аргументом числа z и обозначается arg z: φ = arg z. Аргумент комплексного числа определён неоднозначно (с точностью до слагаемых, кратных 2π): если, например, φ = π/6, то значения φ, равные π/6 ± 2π∙k, тоже будут соответствовать числу z; значение аргумента, удовлетворяющее условиям −π < arg zπ, называют главным; для обозначения всех значений аргумента комплексного числа z применяется символ Arg z: Ar gz = arg z + 2kπ, k = 0, ±1, ±2, ±3, ...         

Определение 6. Запись комплексного числа в виде

z = |z|(cosφ + isinφ)

называется тригонометрической формой числа z. В тригонометрической форме особо интерпретируются такие действия, как умножение, деление, возведение в степень.

Теорема 4. При умножении комплексных чисел их модули перемножются и аргументы слагаются:

z1·z2 = |z1|·|z2|·[cos(φ1 + φ2) + isin(φ1 + φ2)]

Доказательство. Пусть z1 = |z1|(cosφ1 + i∙sinφ1), z2 = |z2|(cosφ2 + isinφ2). Тогда z1·z2 = |z1|·|z2|·[ (cosφ1 ∙cosφ2 - sinφ1 ∙sinφ2) + i∙(sinφ1∙cosφ2 +

cosφ1 sinφ2)] = (cos(φ1 + φ2) + isin(φ1 + φ2)]. Теорема доказана.

Теорема 5. При делении комплексных чисел их модули делятся друг на друга и аргумент частного равен разности аргументов делимого и делителя.

=[cos() +isin)].

Доказательство. Пусть рассматривается деление комплексных чисел. Очевидно, если z2 ≠ 0, z2 =|z2|[cos φ2 + isinφ2], то, согласно теореме 1,

Теорема доказана.

Теорема 6(формула Муавра). Если z = |z|(cosφ + i sinφ), то

z n = |z|n(cos narg z + isin narg z)

Доказательство проводится с помощью математической индукции по показателю степени n.

Теорема 7. При извлечении корня n-ой степени из комплексного числа z производится извлечение корня n–степени из его модуля, а его аргументы делятся на n

= ∙(cos +isin )

Доказательство. По определению, корень n-ой степени из комплексного числа z - это любое число w, такое, что wn = z. Пусть z = |z|∙(cos(Arg z) +

isin(Arg z)), и число w = |w|(cos(arg w) + i sin(arg w)) удовлетворяет предыдущему соотношению. Тогда, по теореме 3, w n = |w| n∙(cos(narg w) + isin(narg w)) = |z|(cos (Arg z) + i sin(Arg z)). Комплексные числа равны, если равны их модули и аргументы. Поэтому |w| n = |z| и n argw = Arg z. Следовательно, |w| =,arg w = =, при этомn различных значений корня n-ой степени из числа z получаются при k = 0, 1, 2, ..., n−1. Теорема доказана.

Пример 4. Пользуясь формулой Муавра, вычислить, A = .

1).Пусть +i, сначала находится тригонометрическая форма этого числа. || = 2,cos= in= , отсюдаи=2∙.Тогда

2). Аналогично, пусть i, тогда || =, cos = ,=, отсюда, следовательно, =. Тогда.

Теперь, A = =

.

        Расстояние между точками z и z0 равно . Тогда верны следующие утверждения.

1). |zz0| = R - уравнение окружности радиуса R с центром в точке z0.          2). |zz0| ≤ R - замкнутая область, ограниченная этой окружностью, т.е. круг радиуса R с центром в точке z0, включающий свою границу.          3). |zz0| > R - открытая область, состоящая из точек, находящихся вне круга радиуса R с центром в z0; круг не включен в эту область.          4). |zz1| + |zz2| = 2a - эллипс, построенный на точках z1 и z2, рассматриваемых как фокусы (большая полуось равна 2а, малая - ) (рис. 1.). Области, лежащие внутри и вне эллипса, описываются соответствующими неравенствами.          5). ||zz1| − |zz2|| = 2a - гипербола с фокусами в точках z1 и z2; расстояние между фокусами 2с = |z1z2|, между вершинами 2а (рис.2). Уравнение |zz1| − |zz2| = 2a даёт ветвь гиперболы, расположенную ближе к фокусу z2; неравенство |zz1| − |zz2| > 2a - открытую область, содержащую фокус z1 и ограниченную соответствующей ветвью гиперболы.          6). Re z = a (или x = a) - прямая, параллельная оси Оу. Re za - область, лежащая справа от этой прямой (включая прямую); Re z < a - область слева от прямой (прямая не включена в область). Im z = b (или y = b) - прямая параллельная оси Ох; Im yb, Im y < b - области, расположенные выше и ниже этой прямой.          7). arg z = α - луч, выходящий из точки z = 0 под углом α к оси Ох. arg(zz0) = α - луч, выходящий из точки z0 под углом α к оси Ох. α ≤ arg (z - z0) ≤ β - область, расположенная между лучами, выходящими из точки z0 (рис. 3.).

Пример 5. Описать множество точек, изображающей на комплексной плоскости числа, удовлетворяющих условиям:

а). |z – 3 + i|4; b) (Re z2) = 1; c) |z  (1+i)| + |z - (1-i)| < 4.

Решение. а). Пусть z = x + iy, тогда z – 3 + i= (x-3)+i(y+1). |z – 3 + i| = ; заданное условие принимает вид:

16. Ответ: это множество точек, лежащих на окружности радиуса 4 и с центром в точке(3,-1) и точки вне этого круга.

b). Пусть z = x + iy, тогда z2 = (+2xyi; (Re z2)= (; заданное условие принимает вид: (= 1. Ответ: это множество точек, лежащих на гиперболе.

c) |z  (1+i)| + |z - (1-i)| < 4. z = x + iy, тогда z  (1+i) = (x-1)+i(y-1); |z  (1+i)| =; z - (1- i) = (x-1)+ i(y +1);

|z - (1-i)| =; заданное условие принимает вид:+< 4. Выше в пункте 4 было отмечено, что это точки эллипса, изображенного на рис. 1.

Замечание. Комплексное число z=x+iy имеет еще две формы записи. Показательная форма:

z = r,

где r = модуль числа z, - аргумент z.

В чисто алгебраических исследованиях встречается Матричная форма

z = .

Тригонометрическая интерпретация комплексных чисел непосредственно применяется в электротехнике для изображения переменных синусоидальных токов и напряжений. Здесь аргумент интерпретируется терминами «фаза», "амплитуда».

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]