Maciej Grzesiak Instytut Matematyki Politechniki Poznańskiej. Liczby zespolone

Podobne dokumenty
Maciej Grzesiak Instytut Matematyki Politechniki Poznańskiej. Liczby zespolone

7 Liczby zespolone. 7.1 Działania na liczbach zespolonych. Liczby zespolone to liczby postaci. z = a + bi,

c 2 + d2 c 2 + d i, 2

x t 1 (x) o 1 : x s 3 (x) Tym samym S(3) = {id 3,o 1,o 2,s 1,s 2,s 3 }. W zbiorze S(n) definiujemy działanie wzorem

"Liczby rządzą światem." Pitagoras

Zadania z algebry liniowej - sem. I Liczby zespolone

Znajdowanie pozostałych pierwiastków liczby zespolonej, gdy znany jest jeden pierwiastek

Pierwiastki z liczby zespolonej. Autorzy: Agnieszka Kowalik

Wyk lad 2 W lasności cia la liczb zespolonych

Wykład 11. a, b G a b = b a,

Jarosław Wróblewski Analiza Matematyczna 2B, lato 2015/16

Spis treści. I. Wiadomości wstępne... 3

ALGEBRA LINIOWA Informatyka 2015/2016 Kazimierz Jezuita. ZADANIA - Seria 1. Znaleźć wzór na ogólny wyraz ciągu opisanego relacją rekurencyjną: x

Stwierdzenie 1. Jeżeli ciąg ma granicę, to jest ona określona jednoznacznie (żaden ciąg nie może mieć dwóch różnych granic).

III. LICZBY ZESPOLONE

Teoria. a k. Wskaźnik sumowania można oznaczać dowolną literą. Mamy np. a j = a i =

1. Liczby zespolone. Jacek Jędrzejewski 2011/2012

ZADANIA PRZYGOTOWUJĄCE DO SPRAWDZIANÓW W KLASIE DRUGIEJ.

O liczbach naturalnych, których suma równa się iloczynowi

I. Podzielność liczb całkowitych

LICZBY, RÓWNANIA, NIERÓWNOŚCI; DOWÓD INDUKCYJNY

UKŁADY RÓWNAŃ LINOWYCH

Internetowe Kółko Matematyczne 2004/2005

3. Funkcje elementarne

CAŁKA NIEOZNACZONA. F (x) = f(x) dx.

Matematyczne Metody Fizyki I

O trzech elementarnych nierównościach i ich zastosowaniach przy dowodzeniu innych nierówności

Funkcje tworz ce skrypt do zada«

a 2 + b, b ) ( ) Wówczas (a, b) =, =(1, 0). 2 a 2 + b 2 a 2 + b2 a 2 + b 2

Damian Doroba. Ciągi. 1. Pierwsza z granic powinna wydawać się oczywista. Jako przykład może służyć: lim n = lim n 1 2 = lim.

( ) WŁASNOŚCI MACIERZY

I. Ciągi liczbowe. , gdzie a n oznacza n-ty wyraz ciągu (a n ) n N. spełniający warunek. a n+1 a n = r, spełniający warunek a n+1 a n

Liczby zespolone. x + 2 = 0.

I kolokwium z Analizy Matematycznej

Dr Maciej Grzesiak, Instytut Matematyki

3 Arytmetyka. 3.1 Zbiory liczbowe.

a 1, a 2, a 3,..., a n,...

Wykłady z matematyki Liczby zespolone

MATURA 2014 z WSiP. Zasady oceniania zadań

MACIERZE STOCHASTYCZNE

Metody badania zbieżności/rozbieżności ciągów liczbowych

Twierdzenie Cayleya-Hamiltona

Liczby zespolone. Magdalena Nowak. 23 marca Uniwersytet Śląski

Przykład Obliczenie wskaźnika plastyczności przy skręcaniu

Szereg geometryczny. 5. b) b n = 4n 2 (b 1 = 2, r = 4) lub b n = 10 (b 1 = 10, r = 0). 2. jest równa 1 x dla x = 1+ Zad. 3:

Geometrycznie o liczbach

Parametryzacja rozwiązań układu równań

f '. Funkcja h jest ciągła. Załóżmy, że ciąg (z n ) n 0, z n+1 = h(z n ) jest dobrze określony, tzn. n 0 f ' ( z n

Ciągi liczbowe wykład 3

Jarosław Wróblewski Analiza Matematyczna 1, zima 2016/17

Egzaminy. na wyższe uczelnie zadania

Podprzestrzenie macierzowe

2 n < 2n + 2 n. 2 n = 2. 2 n 2 +3n+2 > 2 0 = 1 = 2. n+2 n 1 n+1 = 2. n+1

ZBIÓR LICZB RZECZYWISTYCH - DZIAŁANIA ALGEBRAICZNE

201. a 1 a 2 a 3...a n a 2 1 +a 2 2 +a a 2 n n a 4 1 +a 4 2 +a a 4 n n. a1 + a 2 + a a n 204.

Kongruencje Wykład 4. Kongruencje kwadratowe symbole Legendre a i Jac

Analiza I.1, zima wzorcowe rozwiązania

Relacje rekurencyjne. będzie następująco zdefiniowanym ciągiem:

Arkusz ćwiczeniowy z matematyki Poziom podstawowy ZADANIA ZAMKNIĘTE. W zadaniach od 1. do 21. wybierz i zaznacz poprawną odpowiedź. 1 C. 3 D.

Rekursja 2. Materiały pomocnicze do wykładu. wykładowca: dr Magdalena Kacprzak

CIĄGI LICZBOWE. Poziom podstawowy

P π n π. Równanie ogólne płaszczyzny w E 3. Dane: n=[a,b,c] Wówczas: P 0 P=[x-x 0,y-y 0,z-z 0 ] Równanie (1) nazywamy równaniem ogólnym płaszczyzny

Jarosław Wróblewski Analiza Matematyczna 2B, lato 2015/16

Wektory Funkcje rzeczywiste wielu. Matematyka Studium doktoranckie KAE SGH Semestr letni 2008/2009 R. Łochowski

Podprzestrzenie macierzowe

MATEMATYKA (poziom podstawowy) przykładowy arkusz maturalny wraz ze schematem oceniania dla klasy II Liceum

Jarosław Wróblewski Analiza Matematyczna 2, lato 2018/19

Klucz odpowiedzi do zadań zamkniętych oraz schematy oceniania zadań otwartych. Matematyka. Poziom podstawowy

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 11

Egzamin maturalny z matematyki CZERWIEC 2011

Podstawowe struktury algebraiczne

Wyk lad 8 Zasadnicze twierdzenie algebry. Poj. ecie pierścienia

Zasada indukcji matematycznej. Dowody indukcyjne.

Funkcje trygonometryczne Moduł - dział -temat Funkcje trygonometry czne dowolnego kąta

Analiza numeryczna. Stanisław Lewanowicz. Aproksymacja funkcji

Informatyka Stosowana-egzamin z Analizy Matematycznej Każde zadanie należy rozwiązać na oddzielnej, podpisanej kartce!

Przykładowe zadania dla poziomu rozszerzonego

1. Powtórzenie: określenie i przykłady grup

Zadanie 3. Na jednym z poniższych rysunków przedstawiono fragment wykresu funkcji. Wskaż ten rysunek.

Rozdział 2. Liczby zespolone

3. Regresja liniowa Założenia dotyczące modelu regresji liniowej

Klucz odpowiedzi do zadań zamkniętych oraz schematy oceniania zadań otwartych. Matematyka. Poziom podstawowy

Jarosław Wróblewski Analiza Matematyczna 1A, zima 2012/13. Ciągi.

Analiza matematyczna dla informatyków 4 Zajęcia 5

Funkcja wykładnicza i logarytm

Katalog wymagań programowych z matematyki od absolwenta II klasy (poziom rozszerzony).

LICZBY ZESPOLONE. 1. Wiadomości ogólne. 2. Płaszczyzna zespolona. z nazywamy liczbę. z = a + bi (1) i = 1 lub i 2 = 1

Elementy rach. macierzowego Materiały pomocnicze do MES Strona 1 z 7. Elementy rachunku macierzowego

1. Granica funkcji w punkcie

Wokół testu Studenta 1. Wprowadzenie Rozkłady prawdopodobieństwa występujące w testowaniu hipotez dotyczących rozkładów normalnych

zadań z pierwszej klasówki, 10 listopada 2016 r. zestaw A 2a n 9 = 3(a n 2) 2a n 9 = 3 (a n ) jest i ograniczony. Jest wiec a n 12 2a n 9 = g 12

Analiza Matematyczna I dla Inżynierii Biomedycznej Lista zadań

Matematyka. Zakres podstawowy. Nawi zanie do gimnazjum. n/m Rozwi zywanie zada Zadanie domowe Dodatkowe Komunikaty Bie ce materiały

Analiza matematyczna. Robert Rałowski

MARIUSZ KAWECKI zbiór zadań dla zainteresowanego matematyką licealisty

Tematy zadań 2 razy 33 przykładowe zadania maturalne. Matura podstawowa

Zadania z Matematyka 2 - SIMR 2008/ szeregi zadania z rozwiązaniami. n 1. n n. ( 1) n n. n n + 4

Jarosław Wróblewski Analiza Matematyczna 1A, zima 2014/15. n = Rozwiązanie: Stosując wzór na wartość współczynnika dwumianowego otrzymujemy

O kilku zastosowaniach grup i pierścieni grupowych

Transkrypt:

Maciej Grzesiak Istytut Matematyki Politechiki Pozańskiej Liczby zespoloe 1. Określeie liczb zespoloych Rówaie kwadratowe ie ma pierwiastków rzeczywistych gdy < 0, bo wzory ogóle wymagają wtedy obliczeia pierwiastka z liczby ujemej. Wśród liczb rzeczywistych taki pierwiastek ie istieje. Gdy jedak wprowadzimy dodatkową liczbę i = 1, to moża rachować a liczbach postaci a + bi, a, b R, dodając do zwykłych reguł arytmetyki rówość i = 1. Tak postępowao od XVI wieku, azywając liczby bi liczbami urojoymi, bo trudo było uzasadić ich byt. Liczby a + bi azywao liczbami zespoloymi. Stosowao do ich zwykłe prawa algebry. Np. 4 = 4i = i. Ścisłe określeie liczb zespoloych pochodzi od Hamiltoa, który określił liczby zespoloe jako pary liczb rzeczywistych. Przedstawimy tę kostrukcję. Tworzymy iloczy kartezjański R R. Jego elemetami są pary liczb rzeczywistych. W zbiorze par wprowadzamy działaia dodawaia: (a, b) + (c, d) = (a + c, b + d) i możeia (a, b) (c, d) = (ac bd, ad + bc). Parę z = (a, b) będziemy azywać liczbą zespoloą, a cały zbiór R R zbiorem liczb zespoloych. Będziemy go ozaczać literą C. Zbiór C z wprowadzoymi wyżej działaiami ma własości podobe do zbioru liczb rzeczywistych chodzi tu o własości działań: łączość, przemieość, istieie elemetu eutralego, przeciwego i odwrotego, oraz rozdzielość. Łatwo zauważyć, że para (0, 0) jest elemetem zerowym dodawaia, a para (1, 0) jest elemetem jedostkowym możeia. Rówież łatwo jest sprawdzić łączość dodawaia i możeia, i przemieość tych działań. Elemetem przeciwym do (a, b) jest taka para (x, y), że (a + x, b + y) = (0, 0); stąd (x, y) = ( a, b). Nieco trudiej jest wyliczyć elemet odwroty. Załóżmy więc, że z = (a, b) jest iezerową liczbą zespoloą, tj. a + b > 0 oraz że (a, b) (x, y) = (1, 0). Wtedy, zgodie z defiicją możeia, musi być: Rozwiązaiem tego układu jest para liczb ax by = 1, ay + bx = 0. x = a a + b, y = b a + b, a więc liczba zespoloa ( ) a a + b, b a + b jest odwrotością liczby z. 1

Sprawdzimy jeszcze rozdzielość możeia względem dodawaia. Niech z 1 = (a, b), z = (c, d), z = (e, f). Wtedy (z 1 + z ) z = (a + c, b + d)(e, f) = = ((a + c)e (b + d)f, (b + d)e + (a + c)f) = = (ae + ce bf df, be + de + af + ef) = = (ae bf, be + af) + (ce df, de + cf) = = z 1 z + z z. W pewym sesie zbiór C zawiera zbiór R. Formalie C jest zbiorem par, ale jeśli rozważymy zbiór par postaci (a, 0), to poieważ zachodzą rówości: (a, 0) + (b, 0) = (a + b, 0) (a, 0) (b, 0) = (ab, 0), więc pary takie moża utożsamić z liczbami rzeczywistymi. Iaczej mówiąc mamy wzajemie jedozacze odwzorowaie (a, 0) a zbioru liczb zespoloych postaci (a, 0) a zbiór liczb rzeczywistych. W tym przyporządkowaiu liczbom 1 i 1 odpowiadają pary (1, 0) i ( 1, 0). Jeśli wprowadzimy ozaczeie i = (0, 1), to liczba zespoloa (a, b) daje się przedstawić za pomocą liczby i oraz liczb rzeczywistych (a, 0) i (b, 0). Mamy bowiem (a, b) = (a, 0) + (0, b) = (a, 0) + (b, 0)(0, 1) = a + bi, gdzie zamiast (a, 0), (b, 0) apisaliśmy krótko a, b. Zauważmy, że i = (0, 1) (0, 1) = ( 1, 0) = 1. W dalszym ciągu liczby zespoloe będziemy zapisywać w postaci a + bi. Zapis te pozwala przy działaiach arytmetyczych operować liczbami a + bi jak wielomiaami, przy czym ależy zastępować i przez 1. Na przykład: (1 + i)( i) = 1 1 i + i i i = i + 4i 6i = 8 + i.. Własości liczb zespoloych W prostokątym układzie współrzędych liczbę zespoloą z = a + bi moża iterpretować jako pukt o odciętej a i rzędej b. Pukty rzeczywiste, tj. takie pukty z = a + bi, dla których b = 0, wypełiają oś układu zwaą osią rzeczywistą, zaś pukty, dla których a = 0 wypełiają drugą oś, zwaą osią urojoą. Czasem wygodiej jest traktować liczbę z = a + bi jako wektor zaczepioy w początku układu współrzędych i końcu (a, b). Moża zauważyć, że dodawaie liczb zespoloych jest (geometryczie) dodawaiem wektorów. Iterpretacja możeia ie jest tak prosta. Jeśli z jest wektorem, to ma długość, kieruek i zwrot. Długość wyosi a + b. Nazywamy ją modułem bądź wartością bezwzględą liczby zespoloej z i ozaczamy z. Przykładowo: 1 + i = 1 + 4 = 5, 4i = 9 + 16 = 5. Zauważmy, że rówość z = 1 jest spełioa przez te pukty płaszczyzy, które leżą a okręgu o środku w początku układu i promieiu 1. Nierówość z < 1 charakteryzuje pukty wewątrz tego okręgu.

Rysuek 1. Suma liczb zespoloych Przykład. Narysować zbiory 1) z i = ; ) < z + 1 i 4; ) z + = z i. Niech z = a + bi. Przyjmiemy ozaczeie a bi = z. Liczbę z azywamy sprzężoą z liczbą z. Liczby sprzężoe leżą symetryczie względem osi rzeczywistej. Łatwo jest sprawdzić wzory: Mamy także dla z = a + bi: z 1 + z = z 1 + z, z 1 z = z 1 z, z 1 z = z 1 z, ( z1 z ) = z 1 z. z z = (a + bi)(a bi) = a b i = a + b = z. Ostatią własość wykorzystujemy przy dzieleiu liczb zespoloych. Wykoaie dzieleia polega a przedstawieiu ilorazu w postaci a+bi. Osiągiemy to, możąc liczik i miaowik przez liczbę sprzężoą do miaowika. Przykładowo: 1 + i (1 + i)( + 4i) + 4i + 6i 8 5 + 10i = = = = 1 4i ( 4i)( + 4i) 9 + 16 5 5 + 5 i. Twierdzeie 1. Dla dowolych liczb zespoloych z 1 i z Jeśli dodatkowo z 0, to z 1 z = z 1 z. z 1 z D o w ó d. Pierwszy wzór wyika z rówości: = z 1 z. z 1 z = (z 1 z )(z 1 z ) = z 1 z z 1 z = (z 1 z 1 )(z z ) = z 1 z, a drugi z pierwszego, bo z z 1 z = z 1 z = z 1. z

Twierdzeie. Dla dowolych liczb zespoloych z 1 i z zachodzą ierówości z 1 + z z 1 + z, z 1 z z 1 z. Dowód aalityczy pomiiemy. Zauważmy jedak, że wektor odpowiadający liczbie z 1 + z jest bokiem trójkąta, którego pozostałymi bokami są wektory odpowiadające liczbom z 1 i z. W trójkącie długość każdego boku jest ie większa iż suma długości pozostałych boków. Stąd mamy pierwszą ierówość, którą azywamy ierówością trójkąta. Niech z = a + bi. Wprowadzamy ozaczeia Re z = a, Im z = b. Liczby Re z i Im z azywamy odpowiedio częścią rzeczywistą i częścią urojoą liczby z.. Postać trygoometrycza liczby zespoloej Kieruek i zwrot wektora z = a + bi moża określić, podając miarę ϕ kąta skierowaego, którego pierwszym ramieiem jest półoś rzeczywista dodatia, a drugim ramieiem wektor z. Tę miarę azwiemy argumetem liczby z. Jak wiadomo jest oa wielozacza i wyraża się wzorem: ϕ = ϕ 0 + kπ, gdzie: 0 ϕ 0 < π, k Z. ϕ 0 azywamy argumetem główym. Ozaczamy: ϕ 0 = arg z, ϕ = Arg z. Argumetem liczby 0 azywamy dowolą liczbę ϕ. Rysuek. Moduł i argumet liczby zespoloej Przykładowo: arg i = 1 π, Arg i = 1 π + kπ, arg 1 = 0, Arg 1 = kπ. Odotujmy, że liczby rzeczywiste dodatie mają argumet główy rówy 0, a ujeme rówy π. Po rozpatrzeiu odpowiediego trójkąta prostokątego otrzymamy: cos ϕ = a a + b, si ϕ = b a + b. 4

W takim razie ( a z = a + bi = z z + i b ) = z (cos ϕ + i si ϕ). z Stąd otrzymujemy poiższe twierdzeie: Twierdzeie. Każda liczba zespoloa daje się przedstawić w postaci z = z (cos ϕ + i si ϕ), zwaej postacią trygoometryczą liczby z. Na przykład 1 = 1 (cos 0 + i si 0), i = 1 (cos π + i si π ), 1 + i = (cos π 4 + i si π 4 ). Wiemy już, że możeiu (dzieleiu) liczb zespoloych odpowiada możeie (dzieleie) modułów tych liczb. Następujące twierdzeie wyjaśia, co dzieje się z argumetami tych liczb. Twierdzeie 4. Dla dowolych liczb zespoloych z 1 i z : Arg z 1 z = Arg z 1 + Arg z. (1) U w a g a. Poieważ Arg z ie jest określoy jedozaczie, więc powyższy wzór ależy rozumieć astępująco: do każdych dwóch wartości argumetów występujących we wzorze moża dobrać trzecią wartość argumetu, tak aby zachodziła rówość. D o w ó d. Niech Wówczas z 1 = z 1 (cos ϕ 1 + i si ϕ 1 ), z = z (cos ϕ + i si ϕ ). z 1 z = z 1 (cos ϕ 1 + i si ϕ 1 ) z (cos ϕ + i si ϕ ) = = z 1 z (cos ϕ 1 cos ϕ si ϕ 1 si ϕ + + i si ϕ 1 cos ϕ + i cos ϕ 1 si ϕ ) = = z 1 z (cos(ϕ 1 + ϕ ) + i si(ϕ 1 + ϕ )). Podobie udowadia się astępe dwa twierdzeia. Twierdzeie 5. Dla dowolych liczb zespoloych z 1 i z, (z 0): Arg z 1 z = Arg z 1 Arg z. () Twierdzeie 6. Dla każdej liczby zespoloej z i każdego całkowitego : W szczególości zachodzi tzw. wzór de Moivre a: Arg z = Arg z. () (cos ϕ + i si ϕ) = cos ϕ + i si ϕ. (4) D o w ó d. Dla aturalego wzór () otrzymamy po wielokrotym zastosowaiu wzoru (1). Gdy = 0, to prawdziwość wzoru wyika z rówości Arg 1 = kπ. Natomiast, gdy = k, gdzie k N, to Arg z = Arg z k = Arg 1 z k = Arg 1 Arg zk = k Arg z = Arg z. 5

Przykłady. ( + i ) 6 = ( ) 1 + i = ( cos π 4 + i si π ) 6 6π 6π = cos + i si 4 4 4 = ( = cos 6π + π ) ( + i si 6π + π ) = 4 4 = cos π + i si π = i, ( cos π + i si π ) = cos ( π) + i si ( π) = = cos 0 + i si 0 = 1. Jak widać potęgowaie jest łatwe, gdy zamy postać trygoometryczą liczby. Jeśli jej ie zamy, pozostaje wzór dwumiaowy Newtoa: ( ) z = (a + bi) = a k b k i k. k k=0 4. Postać wykładicza liczby zespoloej 4.1. Symbol e iϕ. Określamy: e iϕ = cos ϕ + i si ϕ. W te sposób został zdefiioway pewie symbol. Uzasadieiem celowości jego wprowadzeia są astępujące własości, pokazujące, że moża go traktować jako potęgę liczby e. Własości symbolu e iϕ. 1. e i(ϕ1+ϕ) = e iϕ1 e iϕ ;. e i(ϕ1 ϕ) = eiϕ 1 e ; iϕ. (e iϕ ) k = e ikϕ ; 4. e i(ϕ+kπ) = e iϕ ; 5. e iϕ 0; 6. e iϕ = 1; 7. e iϕ1 = e iϕ ϕ 1 = ϕ + kπ; Przykłady. Obliczyć e i π, e πi, e i. e i π π = cos + i si π = i, 4.. Wzory Eulera Poieważ e πi = cos π + i si π = 1, e i = cos 1 + i si 1. e iϕ = cos ϕ + i si ϕ e iϕ = cos ϕ i si ϕ więc po dodaiu (odjęciu) stroami i podzieleiu przez (odpowiedio i) otrzymujemy tożsamości, azywae wzorami Eulera: cos ϕ = eiϕ + e iϕ si ϕ = eiϕ e iϕ i 6

Przykład. Wyrazić cos ϕ w zależości od cos ϕ. ( e cos iϕ + e iϕ ) ϕ = = 1 ( e iϕ + + e iϕ ) = 1 (1 + eiϕ + e iϕ ) 4 = 1 (1 + cos ϕ). 4.. Postać wykładicza liczby Defiicja 1. Jeżeli ϕ jest argumetem liczby z, a r jej modułem, to re iϕ azywamy postacią wykładiczą liczby z. Przykład. Rozwiązać rówaie z = z. Podstawiając z = re iϕ otrzymujemy r e iϕ = re iϕ, skąd mamy r = 0 lub r = 1 i iϕ = kπ dla k Z. Róże kąty otrzymujemy dla k = 0, 1,. Są to ϕ = 0, ϕ = π, ϕ = 4 π. Zatem są 4 rozwiązaia: z = 0, z = 1 e 0, z = 1 e πi, z = 1 e 4 πi, czyli z = 0, z = 1, z = 1 + i, z = 1 i. Przykład. Rozwiązać rówaie z = ( + i) 6. Przykład. Rozwiązać rówaie z z = 1. Niech z = re iα. Wtedy (re iα ) re iα = 1, e iα = 1 iα = kπ, k Z. Zatem r jest dowole, a α ma wartości: 0, π/, 4π/. Geometryczie są to półproste wychodzące z początku układu, achyloe do osi rzeczywistej pod kątami 0, π/, 4π/. 5. Pierwiastki z liczb zespoloych Dla liczby rzeczywistej dodatiej a liczbę rzeczywistą dodatią b taką, że b = = a azywamy pierwiastkiem arytmetyczym z liczby a i ozaczamy a. Taka liczba jest tylko jeda. W przypadku zespoloym, pierwiastkiem stopia z liczby z azywamy taką liczbę w, że w = z. Jak zobaczymy, takich liczb jest dokładie (wyjątkiem jest 0, które ma jede pierwiastek). Rozważymy ajpierw pierwiastki kwadratowe. Zaczijmy od przykładu. Zajdziemy pierwiastki kwadratowe liczby z = 4i. Szukamy takiej liczby w = x + iy, że (x + iy) = 4i, tz. x + ixy y = 4i, czyli x y =, xy = 4. Po podstawieiu p. z drugiego rówaia y = /x do pierwszego otrzymamy (po pomożeiu przez x ) rówaie x 4 x 4 = 0, które ma dwa pierwiastki rzeczywiste x 1 =, x =. Stąd y 1 = 1, y = 1, więc pierwiastkami z 4i są liczby w 1 = i, w = + i. 7

Rachuek powyższy moża przeprowadzić w przypadku ogólym, choć wymaga to rozróżieia kilku przypadków. Wprowadzamy dla liczb rzeczywistych fukcję sg x (czytaj: sigum) wzorem: 1 dla x > 0, sg x = 0 dla x = 0, 1 dla x < 0. Twierdzeie 7. Każda liczba zespoloa z = a + bi 0 ma dwa róże pierwiastki drugiego stopia, określoe wzorami: z = ± a dla b = 0, a 0, ± ai dla b = 0, a < 0, ( ) a+ z a+ z ± + isg b dla b 0. Na przykład 4i = ± ( + 5 ) + 5 + i( 1) = ±( i). Obliczaie pierwiastków stopia wyższego iż wymaga postaci trygoometryczej liczby z. Twierdzeie 8. Liczba z = z (cos ϕ + i si ϕ) 0 ma dokładie różych pierwiastków -tego stopia. Określoe są oe wzorem: w k = ( z cos ϕ + kπ + i si ϕ + kπ ), k = 0, 1,..., 1. Szczegóły dowodu pomiiemy, ograiczając się do zauważeia, że dla każdego w k mamy a mocy wzoru Moivre a: wk = [ z (cos ϕ + kπ + i si ϕ + kπ )] = = z (cos (ϕ + kπ) + i si (ϕ + kπ)) = z. Obliczymy i (tu uwaga: te symbol ozacza trzy liczby). Mamy: zatem ( π w 1 = cos i = cos π + i si π, w 0 = cos π 6 + i si π 6 = + 1 i, 6 + π ) ( π + i si 6 + π ) = ( π w = cos 6 + 4π ) ( π + i si 6 + 4π ) = i. + 1 i, Pierwiastki stopia szóstego liczby 64 = 64(cos 0 + i si 0) to: ( w k = cos kπ ) kπ + i si, k = 0, 1,..., 5. 6 6 Są oe wierzchołkami sześciokąta foremego wpisaego w okrąg o promieiu. 6. Rówaia algebraicze Rówaie algebraicze drugiego stopia: az + bz + c = 0, 8

Rysuek. Pierwiastki szóstego stopia liczby 64 o współczyikach zespoloych rozwiązujemy w zwykły sposób, tz. obliczamy wyróżik = b 4ac i stosujemy wzory: z 1, = b ±. a Zauważmy, że w tym przypadku (w przeciwieństwie do przypadku liczb rzeczywistych) zawsze istieje w istocie są dwa pierwiastki różiące się zakiem. Do powyższych wzorów wystarczy podstawiać dowoly z ich (te drugi da te same wartości z 1, ). Przykłady. 1. Rozwiązać rówaie z 4z + 5 = 0. Obliczamy = 4, = ±i, z 1 = 4+i = + i, z = 4 i = i. To rówaie miało współczyiki rzeczywiste i jego pierwiastki są liczbami sprzężoymi.. Rozwiązać rówaie z + ( 1 + i)z + ( + i) = 0. Obliczamy = 8 6i, = ±(1 i), więc z 1 = 1 i + 1 i = 1 i, z = 1 i 1 i W ogólym przypadku pierwiastki ie są sprzężoe. Tak więc rówaie algebraicze drugiego stopia ma dokładie dwa pierwiastki (jeśli przyjmiemy, że pierwiastek podwójy występujący, gdy = 0 liczymy dwa razy). Rozważmy teraz rówaie postaci: a z + a 1 z 1 + + a 1 z + a 0 = 0, gdzie a k C dla k = 0, 1,..., i a 0. Takie rówaie azywamy rówaiem algebraiczym stopia. Twierdzeie 9. (zasadicze twierdzeie algebry) Rówaie algebraicze stopia o współczyikach zespoloych ma w ciele liczb zespoloych dokładie pierwiastków (każdy pierwiastek liczymy tyle razy, ile wyosi jego krotość). 9 = i.

Trudy dowód tego twierdzeia pomiiemy. Zauważymy dla przykładu, że rozwiązaiami rówaia z 1 = 0 są pierwiastki stopia z liczby 1. Tradycyjie używa się ozaczeia: ε k = cos kπ kπ + i si, k = 0, 1,..., 1. Dla k = 0 otrzymujemy oczywisty pierwiastek 1. Jeśli jest ieparzyste, to ie ma iych pierwiastków rzeczywistych. Gdy jest parzyste, to drugi pierwiastek rzeczywisty 1 otrzymujemy dla k = /. Geometryczie, pierwiastki leżą a okręgu o promieiu 1, w rówych odstępach kątowych (kąt między dwoma kolejymi pierwiastkami stopia wyosi π ). Łącząc je odcikami otrzymamy -kąt foremy wpisay w okrąg jedostkowy. Do rozwiązywaia rówań wyższych rzędów moża stosować zae metody. Np. rozwiązywaie rówaia: z 4z + 14z 0 = 0 moża rozpocząć od szukaia pierwiastków całkowitych wśród dzielików 0. Zajdziemy i stąd z 4z + 14z 0 = (z )(z z + 10). Wystarczy teraz rozwiązać rówaie z z + 10 = 0. W przypadku rówaia dwukwadratowego, p. podstawiamy t = z i zajdujemy z 4 z + 4 = 0 t 1 = 1 + i, t = 1 i. Dla każdej ze zalezioych wartości ależy teraz obliczyć pierwiastki kwadratowe. Otrzymamy z 1 = 1 ( + i), z = 1 ( + i), z = 1 ( i), z 4 = 1 ( + i). Rozwiązywaie rówań stopi wyższych wymaga a ogół pewej pomysłowości. Jeśli się da, warto korzystać z postaci trygoometryczej. Przykładowo rozważmy rówaie: (x + i) + i(x i) = 0 gdzie x R. Zauważmy, że i a pewo ie jest pierwiastkiem. Zatem możemy rówaie podzielić przez (x i). Otrzymamy ( ) x + i = i. x i Stadardowo obliczamy pierwiastki stopia liczby i = cos π + i si π: Zatem skąd wyliczamy x: w k = cos π + kπ + i si π + kπ, k = 0, 1,... 1. x + i x i = w k, x = i 1 + w k 1 w k. Podstawimy teraz wartości w k. Przy tym będziemy korzystać ze wzorów: 1 + cos ϕ + i si ϕ = cos ϕ (cos ϕ + i si ϕ ), 10

1 cos ϕ i si ϕ = 1 + cos(ϕ + π) + i si(ϕ + π) = cos ϕ + π (cos ϕ + π + i si ϕ + π ). Rachuek przebiega tak (dla uproszczeia zapisu piszemy a razie ϕ zamiast π+kπ ): x = i 1 + w k cos ϕ = i (cos ϕ + i si ϕ ) 1 w k cos ϕ+π ϕ+π (cos + i si ϕ+π ). Uwzględiając, że cos ϕ+π = si ϕ i wykoując dzieleie postaci trygoometryczych otrzymamy x = i ctg ϕ (cos( π ) ) + i si( π ) = i ctg ϕ ( i) = ctg ϕ. Podstawiamy teraz ϕ = π+kπ czyli ϕ = +4k 4 π. Otrzymujemy: x = ctg + 4k π, k = 0, 1,,... 1. 4 11