跳转到内容

A-level 数学/Edexcel/Further 1/复数

来自维基教科书,开放的书籍,开放的世界

复数最早是在16世纪中期发展起来的,作为解决某些三次方程的一种方法。它们由虚部(以 i 或 表示)和实部(可以理解为“传统”的数字,例如 1、-324 或 )组成。从那时起,它们已成为解决多项式方程和(出人意料地)工程师计算中常用的数字类型。在 FP1 中,我们将考虑在解决四次、三次和二次方程中对复数的基本使用。类似地,我们将考虑复数的基本运算 - 复数的加、减、乘和除。

复数简介

[编辑 | 编辑源代码]

以前,人们无法解决任何包含负数根的方程。例如,二次方程 无法求解,因为

 It cannot be factorised
 It cannot be solved with the quadratic equation (as the discriminate would be negative, and one could not square root a negative number).

但是,使用“虚数”允许对负数开平方根


应用这一点和对根式的了解,我们可以将其用于任何负数。因此




复数是一个包含虚部的数,换句话说,它包含 和实部。因此,复数的示例包括





即使在更复杂的例子中,我们也应该始终能够将实部与虚部分开。考虑上面的最后一个例子


在这个数字中,实部是 ,虚部是 .

类似地,如果我们要考虑


实部将是 ,虚部将是 .

我们也应该注意这里:在 这样的情况下, 不在平方根下。这表示 .

上面的每个例子(以及所有复数)都可以用以下方式表示

 where , .

值得熟悉一下像 这样的符号。它表示 'a' 是 的一个元素,其中 表示所有实数。这种符号在 FP1 中经常使用。

共轭复数

[edit | edit source]

每个复数都有一个“共轭复数”。尽管名字很复杂,但这是一个非常简单的概念。

The Complex Number  has the Complex Conjugate .

共轭复数有很多用处。例如,如果一个方程有一个复根 (1+3i),那么它的共轭复数 (1-3i) 也是一个根。同样地,为了除复数,我们必须使用共轭复数来“有理化”分母,这将在后面讲解。我们通过用 (这相当于用 1 乘)乘以该分数来做到这一点。然后,就可以将商重写为 a+ib 的形式。

对于任何复数,其共轭复数用 * 表示。例如,复数 'a' 的共轭复数为 'a*'。复数 'y' 的共轭复数为 'y*'。考试中通常会使用复数 z 和 w。

复数的运算

[edit | edit source]

复数的加法

[edit | edit source]

假设我们要定义



复数的加法是分别对实部和虚部进行的 - 也就是说,将实部加在一起,将虚部加在一起。使用我们之前定义的例子


复数的加法与实数的加法一样,与加法的顺序无关 - 换句话说,

复数的减法

[edit | edit source]

同样地,如果我们考虑之前定义的那对复数,它们可以用相同的方式进行减法。


与实数的减法一样,复数的减法也与减法的顺序无关 - 换句话说

 (provided, of course, both numbers are not zero)

因此


复数的乘法

[edit | edit source]

用常数乘以复数非常简单 - 对于常数 'k',只需将实部乘以 k,将虚部乘以 k。因此,使用我们之前定义的 z


如果我们要用一个复数乘以另一个复数,我们需要遵循与展开像 这样的乘积相似的步骤。


我们可能会想当然地将解写成与乘未知数时一样的形式。但是, 的值已知为 -1。所以


同样地,我们可以用不同的复数相乘


复数的除法

[edit | edit source]

这是一个稍微复杂的过程,类似于在涉及根式的运算中将分母有理化。

例如:。为了将分子上的复数除以分母上的复数,首先需要将分母变成实数。为了做到这一点,需要使用分母的“共轭复数”。正如我们在第2节中所看到的,共轭复数类似于分母,只是复数的虚部具有相反的极性。因此,在我们的示例中,的共轭复数为。然而,我们不能简单地将项引入分数。但是,如果我们使用分数,我们知道它的值为1。然而,将我们的原始分数乘以它将改变它,从而允许简化。

这个过程可以通过数学方法解决。





虽然这个过程为了清晰起见进行了扩展,但它确实强调了在除复数时需要谨慎和准确。同样,虽然数字可能有点复杂,但过程相当简单。它也非常类似于“有理化分母”,即消去分母中的“i”项,使分母成为整体表达式的因子。

处理

[编辑 | 编辑源代码]

想象一下复数

那么如何找到的形式为

Let us initially define  as: 

这种形式特别有用,因为它将复数的实部与虚部区分开来。

We can relate the given value of  to the expansion and, thus, we can relate co-efficients:
Since , we can deduce that:


现在,很明显,存在联立方程组,可以使用我们在 GCSE 和 C1 中学习的技术来解决。




Substituting:


现在我们得到了一个关于 的二次方程,我们可以通过求解这个二次方程来求解。





However:

然后我们可以将这些值代回我们最初的任何一个方程。




最后,我们得到了 的值。

When , .

包含i的多项式方程的根

[编辑 | 编辑源代码]

二次方程

[编辑 | 编辑源代码]

二次方程(即 的最高次幂为 的方程)的解只有两种情况。如果二次方程中的系数都是实数,那么它要么有两个实数根(这也包括重复根,如 ),要么有两个复数/虚数根。在 FP1 中,只需要这种类型的方程(具有实系数)。

现在考虑二次方程 。以前,我们无法求解这个方程,因为这需要我们对 开方。现在我们用 来表示这个值,因此这个二次方程现在可以很容易地求解。

Using the quadratic formula gives:

然后我们可以使用因式定理证明,要么 ,要么 的因式。

Let 


is a factor of

对于 也是一样的,因为

对于复数根也可以做同样的事情

Consider the quadratic equation:


Using the quadratic formula, one can see that:
If one was to now factorise this expression:

再次注意, 是一个共轭对(因为 的复共轭,反之亦然)。这种性质非常有用,并且经常在 FP1 中被考察。

复数的图形表示

[编辑 | 编辑源代码]
这是通用的阿根图,显示了复数 z = a + bi

当我们考虑到复数的一部分是完全虚数时,这是一个有趣的概念。如何用数学方式表示完全虚数的东西呢?“阿根图”就是用来图形化表示复数的工具。它将复数的实部作为 x 坐标,虚部作为 y 坐标进行处理。

阿根图在确定复数的“幅角”方面非常有用。它还可以更直观地表示复数的“模”的含义。

复数的模

[编辑 | 编辑源代码]

这与在图上找到任何给定直线的长度非常相似。假设你有两个点 - 原点 (0,0) 和点 A (3,4)。画出连接这两个点的线段 OA。为了找到这条线的长度,可以使用在 C1 和 C2 中学习过的勾股定理。


Thus, the line OA has length 5 units
华夏公益教科书