Wyklad-02-wd, różne, Algebra semestr 1


WYKŁAD 2

LICZBY ZESPOLONE

Niech a, b, c, d, ... będą elementami zbioru liczb rzeczywistych R. Wprowadzimy obecnie pewne

uogólnienie liczby rzeczywistej

Będzie nim uporządkowana para liczb rzeczywistych spełniająca pewne definicje i nazwana liczbą zespoloną.

Definicja

Liczbami zespolonymi nazywamy uporządkowane pary liczb rzeczywistych, np. (a, b), (c, d)…, dla których określamy równość, dodawanie i mnożenie

w sposób następujący:

0x01 graphic

Wynikiem dodawania i mnożenia liczb zespolonych są liczby zespolone, a więc są to działania wewnętrzne.

Przykład

Obliczyć sumę i iloczyn liczb zespolonych (2,-1) i (3,7)

(2, -1) + (3, 7) = (2 + 3, -1 + 7) = (5, 6)

(2, -1)(3, 7) =0x01 graphic
= (13, 11)

Zbiór liczb zespolonych oznaczymy literą C;

jest to początkowa litera łacińskiego słowa complexus

Zbiór liczb zespolonych jest ciałem liczbowym.

Definicja

Odejmowaniem liczb zespolonych

nazywamy działanie odwrotne do dodawania.

Wynik odejmowania liczb zespolonych nazywamy

różnicą liczb zespolonych.

(x,y) = (a,b) - (c,d) 0x01 graphic
(x,y) + (c,d) = (a,b)

Z definicji dodawania i równości liczb zespolonych wynika, że wtedy x + c = a i y +d = b, czyli :

(a, b) - (c, d) = (a - c, b - d)

Zatem odjęcie od siebie dwóch liczb zespolonych polega na odjęciu wartości odpowiednich współrzędnych.

Przykład

(2,-1) - (3,7) = (2 - 3, -1 - 7) = (-1,-8).

Definicja

Dzieleniem liczb zespolonych

nazywamy działanie odwrotne do mnożenia.

Wynik dzielenia liczb zespolonych nazywamy

ilorazem liczb zespolonych.

(x, y) = 0x01 graphic
0x01 graphic
(x, y)∙(c, d) = (a, b)

Z definicji mnożenia i równości liczb zespolonych wynika, że wtedy: 0x01 graphic

Mnożąc pierwsze równanie przez d a drugie przez c oraz odejmując pierwsze równanie od drugiego otrzymamy

0x08 graphic
0x01 graphic

Układ ten jest zatem jednoznacznie rozwiązalny, gdy wartość 0x01 graphic
jest różna od zera, czyli gdy liczba zespolona (c, d)≠(0,0). Stąd:

0x01 graphic

Przykład

0x01 graphic

W zbiorze liczb zespolonych wyodrębniamy

zbiór elementów postaci: (a,0)

gdzie a jest dowolną liczbą rzeczywistą.

Zbiór ten utożsamiamy ze zbiorem liczb rzeczywistych.

Możemy tak zrobić dlatego, że działania na elementach (a,0) są analogiczne do działań na liczbach rzeczywistych:

0x01 graphic

(poprzedniki dodajemy i mnożymy jak liczby typu real )

W dalszym ciągu będziemy utożsamiali liczbę zespoloną (a,0) z liczbą rzeczywistą a, w szczególności liczba (0,0) będzie utożsamiana z zerem rzeczywistym.

0x01 graphic

0x01 graphic

Reprezentacje liczb zespolonych w postaci a+bi

Jedynka urojona

Liczby (0, b) różnej od zera zespolonego, nie można

w analogiczny sposób utożsamić z żadną liczbą rzeczywistą.

Definicja

Liczbę (0,1) będziemy oznaczać symbolem i :

i = (0,1)

Liczbę tę nazywamy jedynką urojoną

Urojona, dlatego że 0x01 graphic
= (-1,0) ≡ -1

gdyż ogólnie: 0x01 graphic

a w szczególności: 0x01 graphic
(0, 1)∙(0, 1)=(-1, 0)= -1

Zatem liczbę 0x01 graphic
utożsamiamy z liczbą -1

0x01 graphic

Pamiętamy że nie istnieje liczba rzeczywista,

której kwadrat byłby liczbą ujemną.

Ponieważ:

0x01 graphic

możemy liczbę zespolona (a,b) utożsamiać z wyrażeniem: a+bi zwanym

postacią kanoniczną Gaussa liczby zespolonej (a,b)

W wyrażeniu a+bi wprowadzamy nazwy:

0x01 graphic
- część rzeczywista 0x01 graphic
- część urojona

a = Re(a + bi), Re - realis - rzeczywisty (łac.)

b = Im(a + bi), Im - imaginarius - urojony (łac.)

Liczba zespolona ib, gdy 0x01 graphic
- liczba urojona.

Liczbę zespoloną będziemy dalej nazywać krótko liczbą i oznaczać także jedną litera, np. z, gdzie z = a + bi.

Działania na liczbach zespolonych w postaci kanonicznej

0x01 graphic

Definicja

Modułem liczby zespolonej z = a + bi, oznaczanym przez 0x01 graphic
, nazywamy rzeczywistą liczbę nieujemną, będącą pierwiastkiem sumy kwadratów części rzeczywistej i części urojonej tej liczby

0x01 graphic

Przykład

0x01 graphic

Stwierdzenie

Liczba zespolona jest wtedy i tylko wtedy zerem,

gdy jej moduł jest równy zeru z=00x01 graphic
0x01 graphic
=0

Definicja

Liczbą sprzężoną z liczbą 0x01 graphic

nazywamy liczbę postaci 0x01 graphic

Definicja

Dwie liczby, z których jedna jest sprzężona z drugą, nazywamy liczbami sprzężonymi.

Stwierdzenie

  1. Liczby sprzężone mają równe moduły,

0x01 graphic

  1. Iloczyn liczb sprzężonych jest równy kwadratowi ich wspólnego modułu

0x01 graphic

Wzór (ii) można napisać w postaci

0x01 graphic

Wniosek

W zbiorze liczb zespolonych sumę kwadratów można rozłożyć na iloczyn czynników pierwszego stopnia.

Przykład

0x01 graphic

Stwierdzenie

Liczba odwrotna do liczby zespolonej ma postać

0x01 graphic
dla 0x01 graphic

Iloraz liczb zespolonych ma postać

0x01 graphic
dla 0x01 graphic

Przykład

Z pierwszej równości ostatniego stwierdzenia

0x01 graphic

Z drugiej równości ostatniego stwierdzenia

0x01 graphic

Przykład

Rozwiązanie równania kwadratowego dla 0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

INTERPRETACJA GEOMETRYCZNA LICZB ZESPOLONYCH

Diagram Arganda

Interpretacje liczby zespolonej:

0x01 graphic
punkt P(x, y) - diagram Arganda

Liczbę zespoloną z = x + yi możemy interpretować jako:

i o końcu w punkcie P(x,y)

Płaszczyznę zespoloną oznaczymy symbolem C.

0x08 graphic
0x08 graphic

Y

X

Oś rzeczywista =Re(z)

Geometryczna interpretacja działań
dla liczb zespolonych

0x01 graphic

0x01 graphic

Imz

0x08 graphic

z1-z2 z1 z1+z2

z2

Rez

- z2

Definicja

Argumentem liczby 0x01 graphic
, oznaczanym przez Arg (z), nazywamy każdą liczbę rzeczywistą 0x01 graphic
, spełniającą dwa warunki:

0x01 graphic
0x01 graphic

0x01 graphic

Uwaga: Argument liczby 0 nie jest określony.

Definicja

Argument główny liczby z - argument liczby z,

który należy do przedziału 0x01 graphic
.

Oznaczenie: Arg(z)

Stąd 0x01 graphic
< Arg(z) 0x01 graphic

oraz arg(z) = Arg(z) + 0x01 graphic
, 0x01 graphic
±1,...

Przykład

Arg(1) = 0, arg(1) =0x01 graphic
, Arg(i) =0x01 graphic
/2, arg(i) = 0x01 graphic
/2 +0x01 graphic

Moduł liczby zespolonej -długość wektora wodzącego punktu odpowiadającego tej liczbie

Argument liczby zespolonej - miara względna kąta,

jaki tworzy wektor wodzący punktu z z osią rzeczywistą

0x08 graphic
Im(z)

z=x+yi

r=|z|

0

Z rysunku wynika, że liczbę zespoloną z możemy utożsamiać z parą 0x01 graphic
, gdzie φ jest argumentem głównym z.

Takie przedstawienie nazywa się często przedstawieniem we współrzędnych biegunowych

Kąt φ jest kątem skierowanym:

Dodatnim w kierunku przeciwnym do wskazówek zegara,

Ujemnym w kierunku zgodnym ze wskazówkami zegara,

Postać trygonometryczna liczby zespolonej

0x01 graphic

r - moduł liczby zespolonej

0x01 graphic
- argument liczby zespolonej

Przykład

Zapisać w postaci trygonometrycznej liczbę 0x01 graphic
posługując się jej głównym argumentem.

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

0x08 graphic
Im(z)

r=2

ϕ=π/6

0x01 graphic
Re(z)

Definicja

Równość dwóch liczb zespolonych w postaci trygonometrycznej

0x01 graphic

Uwaga

Zapis arg z0x01 graphic
arg z0x01 graphic
(mod 20x01 graphic
)oznacza, że argumenty liczb

z0x01 graphic
i z0x01 graphic
są równe modulo 20x01 graphic
tzn. argz0x01 graphic
argz0x01 graphic
+k20x01 graphic

Mnożenie liczb zespolonych w postaci trygonometrycznej

0x01 graphic
, 0x01 graphic

0x01 graphic
0x01 graphic
=

0x01 graphic

Dzielenie liczb zespolonych w postaci trygonometrycznej

0x01 graphic

Wnioski

1

Moduł iloczynu dwóch liczb zespolonych jest równy iloczynowi ich modułów

0x01 graphic

2

Argument iloczynu dwóch liczb zespolonych jest równy sumie ich argumentów

0x01 graphic

3

Moduł ilorazu liczb zespolonych jest równy ilorazowi ich modułów

0x01 graphic

4

Argument ilorazu dwóch liczb zespolonych

jest równy różnicy ich argumentów

0x01 graphic

Twierdzenie ( de Moivre'a)

0x01 graphic

Potęgowanie liczb zespolonych

Dla każdej liczby zespolonej 0x01 graphic

oraz dla liczby naturalnej 0x01 graphic
zachodzi:

0x01 graphic

Powyższe twierdzenie zachodzi również dla liczb całkowitych ujemnych:

0x01 graphic
=

0x01 graphic
0x01 graphic

0x01 graphic

W szczególności, dla: 0x01 graphic

0x01 graphic

PIERWIASTKOWANIE LICZB ZESPOLONYCH

Funkcja: pierwiastek stopnia n

Definicja

Rozwiązania równania: 0x01 graphic

gdzie 0x01 graphic
oraz 0x01 graphic
;

nazwiemy pierwiastkami stopnia n z liczby 0x01 graphic
.

Twierdzenie

Pierwiastków stopnia n z liczby zp jest n

Wniosek

Rozwiązanie równania: 0x01 graphic

dla trygonometrycznej postaci liczb zespolonych:

0x01 graphic

0x01 graphic

Z twierdzenia de Moivre'a:

0x01 graphic

otrzymujemy:

(1) 0x01 graphic
0x01 graphic
0x01 graphic

(2) 0x01 graphic

(3) 0x01 graphic

Układ równań (2),(3) ma rozwiązanie postaci:

0x01 graphic
czyli 0x01 graphic
gdzie 0x01 graphic

Stąd:

0x01 graphic

0x01 graphic

Łatwo zauważyć że jeśli 0x01 graphic
.

Zatem otrzymujemy n różnych wartości 0x01 graphic
,

numerowanych przez liczby 0x01 graphic
.

Pierwszy pierwiastek ( dla liczby k=0 )

0x01 graphic

nazywamy pierwiastkiem głównym

Przykład

0x01 graphic
dwa pierwiastki stopnia 2 z liczby 0x01 graphic

0x01 graphic
0x01 graphic

Można udowodnić że 0x01 graphic

Interpretacja geometryczna pierwiastków

0x01 graphic

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x01 graphic

Pierwiastki stopnia n są położone w wierzchołkach

n-kąta foremnego wpisanego w okrąg o środku (0, 0).

i promieniu 0x01 graphic

Zastosowanie Liczb Zespolonych.

Liczby zespolone wykorzystuje się w matematyce,fizyce, elektrotechnice (obwody prądu zmiennego).

FUNKCJE ZMIENNEJ ZESPOLONEJ

Wielomiany :

0x01 graphic

Własności wielomianów

Dwa wielomiany możemy podzielić przez siebie z resztą lub bez reszty.

Twierdzenie o podzielności wielomianów

Dla każdej pary wielomianów W(z) i P(z) gdzie stopień P(z)>0, istnieją wielomiany Q(z) i R(z) takie, że:

0x01 graphic

stopień R(z) < stopień P(z)

Powyższe przedstawienie jest jednoznaczne.

Wielomian Q(z) nosi nazwę ilorazu, a R(z) jest resztą.

Jeżeli R(z) = 0 dla każdego 0x01 graphic
to mówimy, że wielomian W jest podzielny przez wielomian P.

Przykład

Niech: 0x01 graphic

Wówczas: 0x01 graphic

Dzielenie wielomianu polega na sukcesywnym eliminowaniu najwyższych potęg wielomianu W(z).

W powyższym przykładzie 0x01 graphic
eliminuje

(po odjęciu) wyraz 0x01 graphic
wielomianu W(z)

0x01 graphic

Iloczyn 0x01 graphic
eliminuje wyraz 0x01 graphic
w reszcie.

Mamy zatem: 0x01 graphic

Ponieważ wynik odejmowania jest wielomianem stopnia 0, wzór daje wynik dzielenia W(z) przez P(z).

Ważny przypadek dzielenia wielomianów występuje gdy P(z) jest wielomianem st. 1, tzn. P(z) = z-a

Prawdziwe jest wówczas twierdzenie Bezout.

Twierdzenie Bezout

Resztą z dzielenia W(z) przez (z-a) jest W(a)

0x01 graphic

Liczba a jest pierwiastkiem wielomianu W(z)

wtedy i tylko wtedy gdy 0x01 graphic

0x01 graphic

Twierdzenie

Jeśli wielomian

0x01 graphic

jest wielomianem zmiennej zespolonej, to 0x01 graphic
możemy zapisać w postaci:

0x01 graphic

gdzie 0x01 graphic
i 0x01 graphic
są wielomianami o współczynnikach rzeczywistych od zmiennych x i y.

Dowód

Z równości : 0x01 graphic
, 0x01 graphic
, 0x01 graphic
, 0x01 graphic
,...

oraz z definicji dodawania i mnożenia.

Przykład

0x01 graphic

0x01 graphic
0x01 graphic
0x01 graphic

0x01 graphic

Wniosek

Ponieważ:

0x01 graphic
0x01 graphic

0x01 graphic
0x01 graphic

to dla wielomianu o współczynnikach rzeczywistych zachodzi: 0x01 graphic

czyli ogólnie: 0x01 graphic

Twierdzenie

Jeśli 0x01 graphic
jest pierwiastkiem wielomianu

0x01 graphic

o wspólczynnikach rzeczywistych to liczba sprzężona

0x01 graphic
jest też pierwiastkiem wielomianu 0x01 graphic
.

Krócej: 0x01 graphic

Dowód

Dla 0x01 graphic
mamy:

0x01 graphic
oraz 0x01 graphic

Stąd: 0x01 graphic

0x01 graphic

Przykład

Znaleźć wszystkie pierwiastki wielomianu

0x01 graphic

wiedząc, że jednym z nich jest 0x01 graphic
.

Rozwiązanie:

Ponieważ 0x01 graphic
jest pierwiastkiem równania również liczba do niego sprzężona 0x01 graphic

jest jego pierwiastkiem.

Z twierdzenia Bezout wynika, że wielomian w(z)

jest podzielny przez:

0x01 graphic

Iloraz z dzielenia wielomianu w(z) przez 0x01 graphic
wynosi

0x01 graphic

Wystarczy zatem rozwiązać równanie:

0x01 graphic

aby otrzymać ostatnie pierwiastki wielomianu w(z):

0x01 graphic

Uwaga

Z poprzednich twierdzeń wynika, że wielomian stopnia nieparzystego ma zawsze pierwiastek rzeczywisty.

Tak jest w istocie, ponieważ z faktu, że sprzężenie pierwiastka jest pierwiastkiem wynika, że liczba pierwiastków zespolonych jest parzysta.

Twierdzenie (zasadnicze twierdzenie algebry)

Każdy wielomian stopnia naturalnego n

o współczynnikach zespolonych

ma n pierwiastków w dziedzinie zespolonej

W jego postaci iloczynowej występują tylko czynniki liniowe.

0x01 graphic

Generalnie nie wszystkie pierwiastki są różne i wtedy krotność niektórych pierwiastków jest większa od 1.

0x01 graphic

gdzie 0x01 graphic
to krotności poszczególnych pierwiastków spełniające równanie:

0x01 graphic

Opierając się na postaci iloczynowej wielomianu można pokazać że spełnione są wzory Viete'a:

0x01 graphic

Uwaga:

W dziedzinie rzeczywistej ogólna postać iloczynowa może zawierać oprócz czynników liniowych również czynniki kwadratowe nierozkładalne w R czyli czynniki postaci :

0x01 graphic

W praktyce zachodzi potrzeba badania krotności pierwiastków wielomianu. Można przy tym wykorzystywać twierdzenie Bezout'a lub wykorzystać własności różniczkowania wielomianu.

Liczba z0 jest k-krotnym pierwiastkiem wielomianu

W(z0) = 0, W'(z0) = 0, W''(z0) = 0, … W(k-1)( z0) = 0 i W(k)(z0) ≠ 0

gdzie W(k)(z0) oznacza pochodną rzędu k wielomianu W dla z0.

Twierdzenie

Każdy wielomian kwadratowy o współczynnikach rzeczywistych postaci:

W(z) = 0x01 graphic

ma w zbiorze C liczb zespolonych dwa pierwiastki

z1, z2 przy czym ma miejsce trychotomia:

0x01 graphic

Dowód

Postać kanoniczna wielomianu

0x01 graphic

0x01 graphic

gdzie 0x01 graphic

1. 0x01 graphic
, dwa różne pierwiastki rzeczywiste

0x01 graphic
0x01 graphic
0x01 graphic

0x01 graphic
0x01 graphic
0x01 graphic
0x01 graphic

2. 0x01 graphic
, jeden pierwiastek o krotności 2

0x01 graphic
tj. 0x01 graphic

3. 0x01 graphic
, nie ma rozwiązań w zbiorze liczb rzeczywistych

W zbiorze liczb zespolonych zachodzi:

0x01 graphic

Zatem:0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

Dwa pierwiastki zespolone

0x01 graphic
, 0x01 graphic
0x01 graphic

Przykład Rozwiązać równanie: 0x01 graphic

Ponieważ 0x01 graphic

0x01 graphic
0x01 graphic

Uogólnienie powyższego twierdzenia jest następujące:

Każdy wielomian kwadratowy o współczynnikach zespolonych postaci: W(z) = 0x01 graphic

ma w zbiorze C liczb zespolonych dwa pierwiastki z1, z2 :

0x01 graphic
0x01 graphic
gdzie 0x01 graphic

a 0x01 graphic
to pierwiastek główny w sensie zespolonym.

W tym przypadku w ogólności 0x01 graphic

bo współczynniki zespolone a nie rzeczywiste.

Jeżeli współczynniki będą rzeczywiste (bez części urojonej)

to oczywiście zachodzi: 0x01 graphic

Rozkład funkcji wymiernej właściwej na ułamki

proste w dziedzinie zespolonej.

Funkcja wymierna to funkcja będąca ilorazem dwóch wielomianów:

0x01 graphic

określona dla wszystkich liczb zespolonych nie będących pierwiastkami wielomianu P(z).

Jeżeli stopień W(z) >= stopień P(z) wtedy funkcję wymierną nazywamy niewłaściwą.

Jeżeli stopień W(z) < stopień P(z) wtedy funkcję wymierną nazywamy właściwą

Jeżeli stopień wielomianu W(z) jest wyższy od stopnia wielomianu P(z) to wówczas możemy wykonać dzielenie wielomianów i uzyskujemy postać:

0x01 graphic

gdzie :

Wówczas funkcja R(z)/P(z) jest funkcją wymierną właściwą, którą można przedstawić jako sumę ułamków prostych.

Postać tych ułamków można wypisać po przedstawieniu P(z) w postaci iloczynowej:

0x01 graphic

Czynnikowi 0x01 graphic
odpowiada suma

ułamków prostych pierwszego rodzaju postaci:

0x01 graphic

..........

Czynnikowi 0x01 graphic

odpowiada suma ułamków prostych I rodzaju postaci

0x01 graphic

Przykład:

Rozłożyć na ułamki proste funkcję wymierną:

0x01 graphic

Funkcja podana jest już funkcją wymierną właściwą zatem nie wykonujemy dzielenia wielomianów lecz od razu wypisujemy ułamki proste zgodnie z ogólną teorią:

0x01 graphic

Dodając ułamki po prawej stronie i sprowadzając do mianownika takiego jak po lewej stronie możemy porównać liczniki:

0x01 graphic

Porównanie daje wartości stałych A, B, C, D:

A = -2, B = -i, C = 2, D = 3i

Rozkład funkcji wymiernej właściwej na ułamki

proste w dziedzinie rzeczywistej

Dla niektórych wielomianów uzyskamy rozkład na czynniki liniowe i wówczas postępujemy podobnie

jak dla dziedziny zespolonej.

Jednakże dla niektórych wielomianów w postaci iloczynowej mogą wystąpić czynniki kwadratowe nierozkładalne w dziedzinie rzeczywistej:

0x01 graphic

Z takimi czynnikami związane są ułamki proste II rodzaju postaci:

0x01 graphic

Zatem w rozkładzie wystąpią:

Przykład:

Rozłożyć na ułamki proste funkcję wymierną:

0x01 graphic

Zauważamy że jest to funkcja wymierna właściwa i przedstawiamy jej mianownik w postaci iloczynowej:

0x01 graphic

W postaci iloczynowej występuje:

zatem wystąpią ułamki proste I i II rodzaju:

0x01 graphic

Sprowadzając do wspólnego mianownika i porównując ułamki dostajemy:

A = -1, B = 1, C = 4

FUNKCJA LINIOWA

f : CC

0x01 graphic

gdzie:

0x01 graphic
= 0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

Zobaczmy jaki jest wynik iloczynu :

0x01 graphic

0x01 graphic

Zatem iloczyn odpowiada wydłużeniu 0x01 graphic

oraz obrotowi o kąt (0x01 graphic
)

Zobaczmy jaki jest wynik dodawania:

0x01 graphic

0x01 graphic

Zatem dodawanie odpowiada translacji o wektor [c,d]Interpretacja geometryczna

(złożenie trzech przekształceń w płaszczyźnie )

(i) Wydłużenie(skrócenie) w stosunku 0x01 graphic

(ii) Obrót o kąt 0x01 graphic

(iii) Przesunięcie o wektor odpowiadający 0x01 graphic

0x08 graphic

Y

[c,d]

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x01 graphic
0x01 graphic

(rx,ry)

0x08 graphic

0x08 graphic

0x08 graphic
0x01 graphic
(x,y)

0x08 graphic

0 X

Przykład:

Znaleźć obraz prostokąta o wierzchołkach 0x01 graphic

w przekształceniu liniowym 0x01 graphic

Ponieważ 0x01 graphic
więc z ogólnej teorii wynika że przekształcenie to składa się z trzech przekształceń elementarnych:

A zatem obrazem prostokąta jest prostokąt. Żeby precyzyjnie wyznaczyć jego

położenie na płaszczyźnie zespolonej można analitycznie okreslić

wierzchołki prostokąta po przekształceniu:

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

FUNKCJA WYKŁADNICZA: f(z) = ez

Definicja

Dla z = x + iy, przyjmiemy (wzory Eulera)

0x01 graphic

0x01 graphic

Stąd:

0x01 graphic

0x01 graphic

Zaobserwujmy interpretację geometryczną przekształcenia f(z) = ez.

Prześledzimy jak zmienia się w tym przekształceniu kwadrat na płaszczyźnie zespolonej:

0x01 graphic

Kwadrat ten jest częścią wspólną pasa nieskończonego ograniczonego prostymi x = 1 i x = 2 oraz pasa nieskończonego ograniczonego prostymi y = 2 i y = 3.

0x01 graphic

Zobaczmy najpierw jak przekształca się prosta x = 1.

0x01 graphic

A zatem obrazem prostej x = 1 jest okrąg o promieniu e.

Obrazem prostej x = 2 jest okrąg o promieniu e².

Wobec tego pas nieskończony zawarty między x = 1 i x = 2 przechodzi w pierścień kołowy o promieniach e i e².

Zobaczmy teraz jak przekształca się prosta y = 2.

0x01 graphic

Zatem obrazem prostej y = 2 jest półprosta o początku w punkcie (0,0) bez tego początku i nachyleniu 2 rad(1 rad≈57º).

Obrazem prostej y = 3 jest półprosta o początku w punkcie (0,0)

bez tego początku i nachyleniu 3 rad (1 rad≈57º).

Wobec tego pas nieskończony zawarty między y = 2 i y = 3 przechodzi w obszar zawarty między ramionami kąta o nachyleniu

2 rad i 3 rad.

Podsumowując kwadrat D= [1,2]x[2,3] przechodzi w przekształceniu

f(z)=ez w wycinek pierścienia kołowego D' o promieniach e i e² zawarty miedzy promieniami o nachyleniu 2 rad i 3 rad.

0x01 graphic

Własności funkcji f(z) = ez

  • 0x01 graphic

  • 0x01 graphic

  • 0x01 graphic

Funkcja ez jest funkcją okresową tzn.:

0x01 graphic
dla 0x01 graphic

Funkcja wykładnicza a pierwiastki stopnia n

Pamiętamy że pierwiastkowanie w dziedzinie zespolonej

nie jest jednoznaczne - istnieje n pierwiastków stopnia n:

0x01 graphic

numerowanych przez liczby 0x01 graphic
.

Wzór na k-ty pierwiastek:

0x01 graphic

Jeżeli k-ty pierwiastek przedstawimy w postaci wykładniczej korzystając ze wzoru Eulera i z własności funkcji wykładniczej to:

0x01 graphic

A więc k-ty pierwiastek możemy wygenerować z pierwiastka głównego poprzez pomnożenie go przez k-tą potęgę liczby:

0x01 graphic

Punktem startowym do generacji kolejnych pierwiastków

nie musi być pierwiastek główny, bowiem zachodzi również:

0x01 graphic

Wzór ten jest szczególnie użyteczny gdy chcemy przedstawić pierwiastki stopnia n w postaci kanonicznej.

Przykład:

Wyznaczyć 0x01 graphic

Zauważamy że jednym z pierwiastków jest liczba

0x01 graphic

Zatem następny pierwiastek da się obliczyć jako:

0x01 graphic

a następny czyli ostatni:

0x01 graphic

FUNKCJA LOGARYTMICZNA: f(z) = log(z) = ln(z)

Definicja

0x01 graphic
jeżeli 0x01 graphic

Uwaga: log(z) nie jest funkcją jednoznaczną ponieważ

dla 0x01 graphic
otrzymujemy:

0x01 graphic

każdej ustalonej wartości k odpowiada jedna gałąź logarytmu będąca funkcją w dotychczasowym naszym rozumieniu tego terminu.

Gałąź główna: 0x01 graphic
0x01 graphic

Zaobserwujmy jak funkcja log(z) przekształca wycinek pierścienia kołowego o promieniach e i e² zawartego między promieniami o nachyleniach 2 rad i 3 rad.

0x01 graphic

Tak więc obrazem wycinka pierścienia kołowego o promieniach e i e² zawartego między promieniami o nachyleniach 2 rad i 3 rad jest nieskończenie wiele kwadratów [1,2]x[2,3] przesuniętych

wzdłuż osi OY o wielokrotność 2π.

Własności funkcji log(z)

  • 0x01 graphic

  • 0x01 graphic

  • 0x01 graphic
    ,

  • 0x01 graphic

Możemy też zdefiniować w zbiorze C dowolną potęgę liczby :

0x01 graphic

Dowód:

Dla 0x01 graphic
, 0x01 graphic
mamy:

0x01 graphic

0x01 graphic
0x01 graphic

0x01 graphic

Ponadto:

0x01 graphic
.

Zadania

1. Obliczyć

a) 0x01 graphic

b) 0x01 graphic

c) 0x01 graphic

d)0x01 graphic

2. Niech liczba 0x01 graphic
ma moduł 2 i argument 0x01 graphic
,

a liczba 0x01 graphic
moduł 1 i argument 0x01 graphic

  1. narysuj 0x01 graphic
    jako wektory na płaszczyźnie

  2. korzystając z postaci trygonometrycznej oblicz 0x01 graphic

  3. zapisz 0x01 graphic
    w postaci x+iy

  4. używając wyniku c) oblicz 0x01 graphic
    ponownie.

Czy wynik jest zgodny z wynikiem b)

3. Korzystając z przedstawienia geometrycznego liczb

zespolonych, uzasadnij kiedy

0x01 graphic

4. Rozwiąż równanie w dziedzinie zespolonej:

0x01 graphic

Poszukiwanie miejsc zerowych wielomianów

- algorytmy pierwiastnikowe

Algorytm Ferro, Tartaglii - wielomiany stopnia 3

Algorytm Ferrari - wielomiany stopnia 4

Twierdzenie Nielsa Abela i Evarista Galois

Dla wielomianów stopnia ≥ 5 nie istnieje algorytm pierwiastnikowy

Algorytm poszukiwania zer wielomianu stopnia 3

0x01 graphic

Założenie: 0x01 graphic
,

jeśli nie - dzielimy obie strony równania przez 0x01 graphic
. 0x01 graphic
= 0x01 graphic
0x01 graphic

Założenie: 0x01 graphic

Krok 1. Szukamy zera wielomianu w postaci:

0x01 graphic
dla pewnego u0x01 graphic

Stąd 0x01 graphic

0x01 graphic

Krok 2. Przyjmujemy 0x01 graphic
i rozwiązujemy równanie

0x01 graphic

Rozwiązanie równania:

0x01 graphic
0x01 graphic

0x01 graphic

Krok 3. Wyliczamy

0x01 graphic
, 0x01 graphic

Krok 4. Wyliczamy 0x01 graphic
.

Przykład

Obliczyć pierwiastki wielomianu 0x01 graphic
= x3 -x+1

za pomocą algorytmu pierwiastkowego

Krok 1. Szukamy zer wielomianu w postaci:

0x01 graphic
dla pewnego u0x01 graphic

a1= -1 zatem: 0x01 graphic

0x01 graphic

Po redukcji: 0x01 graphic

0x01 graphic

Krok 2. Przyjmujemy 0x01 graphic
i rozwiązujemy równanie:

0x01 graphic

0x01 graphic
, 0x01 graphic

0x01 graphic
0x01 graphic

Krok 3. Wyliczamy

0x01 graphic
0x01 graphic

Krok 4. Wyliczamy 0x01 graphic
.

0x01 graphic
0x01 graphic
+0x01 graphic

0x01 graphic
0x01 graphic
+0x01 graphic

Algebra Liniowa z Geometrią

47

z=x+yi

P(x,y)

[x,y]

1

0

i

1

Oś urojona =Im(z)



Wyszukiwarka