Komplexní čísla. Definice komplexních čísel

Podobné dokumenty
11. přednáška 16. prosince Úvod do komplexní analýzy.

Abstrakt. Co jsou to komplexní čísla? K čemu se používají? Dá se s nimi dělat

Komplexní čísla, komplexně sdružená čísla, opačná komplexní čísla, absolutní hodnota (modul) komplexního čísla. z 2 z 1

Matematika I, část II

1.1. Definice Reálným vektorovým prostorem nazýváme množinu V, pro jejíž prvky jsou definovány operace sčítání + :V V V a násobení skalárem : R V V

7. Analytická geometrie

Správnost vztahu plyne z věty o rovnosti úhlů s rameny na sebe kolmými (obr. 13).

3. ELEMENTÁRNÍ FUNKCE A POSLOUPNOSTI. 3.1 Základní elementární funkce. Nejprve uvedeme základní elementární funkce: KONSTANTNÍ FUNKCE

Obsah. 1 Mocninné řady Definice a vlastnosti mocninných řad Rozvoj funkce do mocninné řady Aplikace mocninných řad...

Definice obecné mocniny

Matematika přehled vzorců pro maturanty (zpracoval T. Jánský) Úpravy výrazů. Binomická věta

1. Číselné obory, dělitelnost, výrazy

5.5. KOMPLEXNÍ ODMOCNINA A ŘEŠENÍ KVADRATICKÝCH A BINOMICKÝCH ROVNIC

Budeme pokračovat v nahrazování funkce f(x) v okolí bodu a polynomy, tj. hledat vhodné konstanty c n tak, aby bylo pro malá x a. = f (a), f(x) f(a)

n=0 a n, n=0 a n = ±. n=0 n=0 a n diverguje k ±, a píšeme n=0 n=0 b n = t. Pak je konvergentní i řada n=0 (a n + b n ) = s + t. n=0 k a n a platí n=0

DERIVACE FUNKCÍ JEDNÉ REÁLNÉ PROM

1.3. POLYNOMY. V této kapitole se dozvíte:

NMAF063 Matematika pro fyziky III Zkoušková písemná práce 17. ledna 2019

I. Exponenciální funkce Definice: Pro komplexní hodnoty z definujeme exponenciální funkci předpisem. z k k!. ( ) e z = k=0

MATEMATIKA PŘÍKLADY K PŘÍJÍMACÍM ZKOUŠKÁM BAKALÁŘSKÉ STUDIUM MGR. RADMILA STOKLASOVÁ, PH.D.

2.4. INVERZNÍ MATICE

3. Lineární diferenciální rovnice úvod do teorie

1. ZÁKLADY VEKTOROVÉ ALGEBRY 1.1. VEKTOROVÝ PROSTOR A JEHO BÁZE

Znegujte následující výroky a rozhodněte, jestli platí výrok, nebo jeho negace:

NMAF061, ZS Zápočtová písemná práce VZOR 5. ledna e bx2 x 2 e x2. F (b) =

Interference. 15. prosince 2014

7.2.4 Násobení vektoru číslem

a logaritmickou funkci a goniometrické funkce. 6.1 Násobení řad. Podívejme se neprve na násobení mnohočlenů x = x x n a y = y y n.

n-rozměrné normální rozdělení pravděpodobnosti

DIFERENCIÁLNÍ POČET FUNKCE JEDNÉ PROMĚNNÉ. 1) Pojem funkce, graf funkce

Kapitola 5 - Matice (nad tělesem)

1.2. NORMA A SKALÁRNÍ SOUČIN

Užití binomické věty

n=1 ( Re an ) 2 + ( Im a n ) 2 = 0 Im a n = Im a a n definujeme předpisem: n=1 N a n = a 1 + a a N. n=1

1 Nekonečné řady s nezápornými členy

6. Posloupnosti a jejich limity, řady

O Jensenově nerovnosti

1 Uzavřená Gaussova rovina a její topologie

množina všech reálných čísel

Funkce. RNDr. Yvetta Bartáková. Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou

12. N á h o d n ý v ý b ě r

S polynomy jste se seznámili již v Matematice 1. Připomeňme definici polynomické

Přednáška 7: Soustavy lineárních rovnic

1 Základy Z-transformace. pro aplikace v oblasti

( + ) ( ) ( ) ( ) ( ) Derivace elementárních funkcí II. Předpoklady: Př. 1: Urči derivaci funkce y = x ; n N.

MATEMATICKÁ INDUKCE. 1. Princip matematické indukce

je konvergentní, právě když existuje číslo a R tak, že pro všechna přirozená <. Číslu a říkáme limita posloupnosti ( ) n n 1 n n n

je konvergentní, právě když existuje číslo a R tak, že pro všechna přirozená <. Číslu a říkáme limita posloupnosti ( ) n n 1 n n n

Masarykova univerzita Přírodovědecká fakulta

POLYNOM. 1) Základní pojmy. Polynomem stupně n nazveme funkci tvaru. a se nazývají koeficienty polynomu. 0, n N. Čísla. kde

6. FUNKCE A POSLOUPNOSTI

NMAF063 Matematika pro fyziky III Zkoušková písemná práce 25. ledna x 1 n

Mocniny. Mocniny, odmocniny, logaritmy, exponenciála. Obecná mocnina. Mocniny. Odmocniny

8.2.1 Aritmetická posloupnost

P. Girg. 23. listopadu 2012

Aritmetická posloupnost, posloupnost rostoucí a klesající Posloupnosti

8.1.3 Rekurentní zadání posloupnosti I

1 POPISNÁ STATISTIKA V PROGRAMU MS EXCEL

(3n + 1) 3n Příklady pro samostatnou práci

c) Pomocí Liouvillovy věty dokažte, že Liouvillovo číslo je transcendentí. xp 1 (p 1)! (x 1)p (x 2) p... (x d) p e x t f(t) d t = F (0)e x F (x),

Kapitola 4 Euklidovské prostory

ZS 2018/19 Po 10:40 T5

f x a x DSM2 Cv 9 Vytvořující funkce Vytvořující funkcí nekonečné posloupnosti a0, a1,, a n , reálných čísel míníme formální nekonečnou řadu ( )

FUNKCÍ JEDNÉ REÁLNÉ PROMĚNNÉ PRVNÍ DIFERENCIÁL

5. Posloupnosti a řady

Odhady parametrů polohy a rozptýlení pro často se vyskytující rozdělení dat v laboratoři se vyčíslují podle následujících vztahů:

GEOMETRIE I. Pavel Burda

= + nazýváme tečnou ke grafu funkce f

Iterační metody řešení soustav lineárních rovnic

4. B o d o v é o d h a d y p a r a m e t r ů

u, v, w nazýváme číslo u.( v w). Chyba! Chybné propojení.,

Matematika 1. Katedra matematiky, Fakulta stavební ČVUT v Praze. středa 10-11:40 posluchárna D / 13. Posloupnosti

14. B o d o v é o d h a d y p a r a m e t r ů

1 Trochu o kritériích dělitelnosti

Cvičení 1.1. Dokažte Bernoulliovu nerovnost (1 + x) n 1 + nx, n N, x 2. Platí tato nerovnost obecně pro všechna x R a n N?

Iterační výpočty projekt č. 2

Posloupnosti a číselné řady. n + 1. n n n n. n n n. = lim. n2 sin n! lim. = 0, je lim. lim. lim. 1 + b + b b n) = 1 b

Pravděpodobnost a aplikovaná statistika

5 Funkce. jsou si navzájem rovny právě tehdy, když se rovnají jejich.

základním prvkem teorie křivek v počítačové grafice křivky polynomiální n

IAJCE Přednáška č. 12

Přednáška 7, 14. listopadu 2014

z možností, jak tuto veličinu charakterizovat, je určit součet

SEMESTRÁLNÍ PRÁCE Z PŘEDMĚTU

Přijímací řízení akademický rok 2012/2013 Kompletní znění testových otázek matematické myšlení

8.2.1 Aritmetická posloupnost I

8.1.2 Vzorec pro n-tý člen

10.3 GEOMERTICKÝ PRŮMĚR

jako konstanta nula. Obsahem centrálních limitních vět je tvrzení, že distribuční funkce i=1 X i konvergují za určitých

Matematika I. Název studijního programu. RNDr. Jaroslav Krieg České Budějovice

1 Základní pojmy a vlastnosti

1 Základní matematické pojmy Logika Množiny a jejich zobrazení... 7

Přijímací řízení akademický rok 2013/2014 Bc. studium Kompletní znění testových otázek matematika

Petr Šedivý Šedivá matematika

OKRUŽNÍ A ROZVOZNÍ ÚLOHY: OBCHODNÍ CESTUJÍCÍ. FORMULACE PŘI RESPEKTOVÁNÍ ČASOVÝCH OKEN

Deskriptivní statistika 1

23. Mechanické vlnění

7. KOMBINATORIKA, BINOMICKÁ VĚTA. Čas ke studiu: 2 hodiny. Cíl

3. DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

20. Eukleidovský prostor

Transkript:

Komplexí čísla Defiice komplexích čísel Komplexí číslo můžeme adefiovat jako uspořádaou dvojici reálých čísel [a, b], u kterých defiujeme operace sčítáí, ásobeí, apod. Stadardě se komplexí čísla zapisují ve tvaru z = a + ib, kde i je komplexí jedotka a a,b R, pro komplexí jedotku platí i = 1, (1) (často se používá také ozačeí j). a se azývá reálá část a zapisuje se R(z) = a a imagiárí část I(z) = b. Nyí defiujeme základí operace komplexích čísel (z 1 = a + ib, z = c + id): sčítáí ásobeí z 1 + z = a + c + i(b + d), z 1 z = (a c b d) + i(a d + c b). Vyjádřeí komplexího čísla ve tvaru z = a + ib azýváme algebraický zápis. Komplexí čísla můžeme rověž vyjádřit v tzv. geometrickém vyjádřeí. Nejprve se podívejme a zázorěí komplexího čísla v tzv. Gaussově roviě a 1. Souřadice každého komplexího čísla mohou být vyjádřey bud pomocí x-ové a y-ové souřadice, ebo pomocí vzdáleosti od počátku, tj. absolutí hodoty komplexího čísla z = r = a + b, () a úhlu ϕ akresleém v grafu 1: ϕ = arcta b a, (3) I(z) = y b = r siϕ z r = z ϕ a = r cosϕ R(z) = x Obrázek 1: Zázorěí komplexího čísla v Gaussově roviě. Osa x zázorňuje reálou část čísla, osa y imagiárí část čísla. Číslo je možé také vyjádřit pomocí vzdáleosti od počátku r a úhlu ϕ. 1

reálou část komplexího čísla potom můžeme přepsat pomocí rovice: cosϕ = a r, což platí v pravoúhlém trojůhelíku, potom pro hodotu a: Aalogicky pro imagiárí část komplexího čísla: a = r cosϕ = z cosϕ. b = z siϕ. Komplexí číslo v algebraickém zápisu potom můžeme apsat ve tvaru: z = a + ib = z cosϕ + i z siϕ = z (cosϕ + isiϕ). (4) Narozdíl od vyjádřeí v algebraickém tvaru eí toto vyjádřeí jedozačé, protože úplě stejé číslo dostaeme, přičteme-li k úhlu π ebo jeho celočíselý ásobek: z = z [cos(ϕ + kπ) + isi(ϕ + kπ)], k Z. () Převod z algebraického tvaru a geometrický a aopak Mějme číslo z = 1 i, které chceme převést do geometrického tvaru. Postup je ásledující: 1. spočítáme absolutí hodotu komplexího čísla z = a + b = ( 1) + ( 1) =.. spočítáme úhel ϕ siϕ = b r = 1 =, cosϕ = a r = 1 =, ϕ = arcta(1) = π 4. Výsledý úhel však eodpovídá zadáí, číslo patří do třetího, e do prvího kvadratu, což je patré také z hodot siϕ a cosϕ. Musíme tedy ajít úhel, pro který platí taϕ = 1 a leží v itervalu (π,3/π). Takový úhel je rove 4 π. 3. zapíšeme výsledé číslo z = [ ( ) ( )] cos 4 π + kπ + isi 4 π + kπ, k Z. Jak spočítat z komplexího čísla v geometrickém tvaru číslo v algebraickém tvaru? Jedoduše :-) Stačí spočítat hodotu si a cos daého úhlu třeba pro k = 0: z = [ ( ) ( )] cos 4 π + isi 4 π = ( ) i = 1 i, což je původí zadáí čísla.

Další operace s komplexími čísly Komplexí čísla lze také odčítat: z 1 z = (a c) + i(b d), k daému komplexímu číslu z = e+i f musí existovat komplexí číslo opačé z = e i f. Komplexí čísla můžeme rověž dělit: z 1 = z 1 z = z 1 z (a c b d) + i(a d + c b) = z z z z c + d, kde z ozačuje číslo komplexě sdružeé: z = a + ib = a ib. Komplexě sdružeá čísla se často ozačují hvězdičkou: z = z. I zde je děleí podmíěo existecí iverzího prvku, tj. z 1 = z/ z. Mociy a odmociy z komplexích čísel, Moivreova věta Z oboru komplexích čísel jsou pojmy mocia a odmocia defiováy úplě stejě jako v oboru čísel reálých. Samotý výpočet už tak jedoduchý eí, apříklad -tou mociu je obecě uté spočítat pomocí biomického rozvoje: z = (a + ib) = k=0 ( ) a k (ib) k, k což je však pro velké hodoty velmi pracý výpočet. Pro výpočet se tak hodí použít vyjádřeí komplexího čísla v geometrickém tvaru, ve kterém má -tá mocia tvar: z = z (cosϕ + isiϕ), Výpočet mociy komplexího čísla popisuje právě Moivreova věta: z = z [cos(ϕ) + isi(ϕ)], (6) tato věta jde sado dokázat matematickou idukcí. Nejprve si rovost ověřme pro = : z (cosϕ + isiϕ) = z [cos ϕ si ϕ + i(cosϕ siϕ)] = z [cos(ϕ) + isi(ϕ)], pro k-tou mociu můžeme apsat k + 1 mocia je dáa: z k (cosϕ + isiϕ) k = z k [cos(kϕ) + isi(kϕ)], z k+1 (cosϕ + isiϕ) k+1 = z k+1 [cos((k + 1)ϕ) + isi((k + 1)ϕ)], upravujme pravou strau této rovice bez absolutí hodoty. Použijme vzorec pro si ebo cos součtu dvou úhlů: cos[(k + 1)ϕ] + isi[(k + 1)ϕ] = cos(kϕ)cosϕ si(kϕ)siϕ + icos(kϕ)siϕ + isi(kϕ)cosϕ = isiϕ[isi(ϕ) + cos(kϕ)] + cosϕ[cos(kϕ) + isi(kϕ)] = Spočítaý výraz dosadíme do vzorce pro k + 1-í mociu a dostaeme: [cos(kϕ) + isi(kϕ)](cosϕ + isiϕ). (7) z k+1 (cosϕ + isiϕ) k+1 = z k+1 [cos(kϕ) + isi(kϕ)](cosϕ + isiϕ), odkud po vyděleí čleem z (cosϕ + isiϕ) dostaeme te samý výraz jako pro k-tou mociu. Tím je Moivreova věta dokázáa. 3

Příklad Je dáo z = + i, spočítejte z 30 : Řešeí: Geometrický tvar čísla je: z [cos(0.464) + isi(0.464)], pomocí Moivreovy věty zjistíme, že odkud sado zjistíme z 30 1 [cos(13.909) + isi(13.909)], z 30 6.836 10 9 +.97 10 10 i. Defiice -té odmociy komplexího čísla je ásledující: -tá odmocia komplexího čísla a je každé takové komplexí číslo z, pro které platí z = a. -tou odmociu v oboru komplexích čísel můžeme začit ( a)c. V komplexím oboru má existuje ejvýše -tých odmoci daého čísla. Chceme-li odmociy spočítat, musíme řešit rovici a = z. Pro a = 0 existuje právě jeda odmocia, a to z = 0. Pro a 0 musíme odmociu spočítat pomocí zápisu čísel v geometrickém tvaru: R(cosΦ + isiφ) = z (cosϕ + isiϕ) = z [cos(ϕ) + isi(ϕ)]. Pravá a levá straa rovice si musí být rovy. To astae právě tehdy, pokud jsou zvlášt reálé části stejé a imagiárí části stejé: RcosΦ = z cos(ϕ), a RsiΦ = z si(ϕ), rovost bude splěa, pokud čísla budou mít stejou absolutí hodotu a stejý argumet, který se může lišit o ásobek kπ: R = z, (8) odtud Φ + kπ = ϕ,k = 0,1,..., 1, (9) z = R, (10) ϕ = Φ + kπ, k = 0,1,..., 1. (11) hledaé odmociy potom můžeme zapsat ve tvaru: z k = R [cos ( Φ + kπ ) + isi Je zřejmé, že pro k = dostaeme to samé řešeí, jako pro k = 0: [ ( ) ( )] [ Φ Φ R cos + isi = R cos ( Φ + kπ )], k = 0,1,..., 1. (1) ( Φ + π ) ( )] Φ + isi + π. 4

Příklad Spočítejte všechy čtvrté odmociy z imagiárí jedotky. Řešeí: Hledáme: z = 4 i, řešíme tedy rovici: z 4 = i, Absolutí hodota i je rova jedé a argumet ϕ = π/. Potom můžeme řešeí apsat: ( π z k = cos 8 + kπ ) ( π + isi 8 + kπ ), k = 0,1,,3. Tedy: + z 0 = + i 0.94 + 0.383i, + z 1 = + i 0.383 + 0.94i, + z = i 0.94 0.383i, z 3 = i + 0.383 0.94i. Řešeí rovic v komplexím oboru Rovost dvou komplexích čísel: komplexí čísla jsou si rova, pokud jsou si rovy jejich reálé a imagiárí části. Příklad a začátek Vyřešte rovici z + z = + 3i. Řešeí: Řešeí hledáme v algebraickém tvaru: z = a + ib, tedy po dosazeí 3a ib = + 3i, reálá část je potom rova: a = /3 a imagiárí: b = 3. Výsledek je tedy ve tvaru: z = 3 3i. Kvadratické rovice Kvadratická rovice je ve tvaru: obecé řešeí je dáo vztahem: ax + bx + c = 0, (13) x 1, = b ± b 4ac, (14) a pokud je výraz pod odmociou záporý, emá rovice v R řešeí. V komplexím oboru však řeší existuje. Můžeme jej pro b < 4ac zapsat: x 1, = b ± i 4ac b. (1) a Z tohoto vzorce je zřejmé, že kořey jsou komplexě sdružeé.

Příklad x x + = 0. Řešeí: Tuto rovici můžeme řešit bud doplěím a čtverec, ebo přímým dosazeím do rovice (16). Podívejme se a metodu doplěí a čtverec: x x + = (x 1) 1 + = (x 1) + 1, abychom mohli provést úpravu podle vzorce a b číslo 1 ahradíme (i) : (x 1) (i) = (x 1 i)(x 1 + i) = 0, kořey tedy jsou: x 1, = 1 ± i. Kvadratické rovice s komplexími koeficiety Řešíme stejou rovici, avšak koeficiety mohou být komplexí čísla. Obecé řešeí můžeme zapsat ve tvaru: x 1, = b ± b 4ac ( cos 1 α + isi 1 α), (16) a kde α je argumet diskrimiatu (D = b 4ac) pro D 0 a libovolé reálé číslo pro D = 0. 6