background image

1

Complex numbers

Complex numbers can be interpreted in two 

ways:

Analitically      - as  ‘special numbers’ 

which solve polynomial equations.

Geometrically - as points on a 2-plane 

(which can be added and multiplied).

Mysterious  ‘e’.

Lecture 2

background image

2

Consider a simple equation:

                  

x

2

 + 1= 0

Wouldn’t it be nice to be able to solve it  

It doesn’t have any solutions  

 !!!

Lets imagine that we can  solve it, and lets name the 
solution  ‘

i

                                                   

i

2

 = 

-1

1. Analytical interpretation    ‘intro’

z = x + i·y 

where  

x

  and  

y

  are  Real Numbers

  

 

  

 

background image

3

 

 

 

.

v

y

i

u

x

iv

u

iy

x



)

(

yu

xv

i

yv

xu

yv

i

iyu

ixv

xu

iv

u

iy

x

2

 The addition of complex 
numbers
 

The multiplication of complex 
numbers
 

.

Let  z = x + i·y,   w = u + i·v   be two complex numbers

How do we add and multiply such numbers?

Can a "thing"  z = x + iy  be treated  like a number  ?
        

Yes

, we call it a 

complex number

.

background image

4

background image

5

Definition
The complex conjugate of  

z = a + ib

   is the 

number  

a – i b

.

Notation:

  .

Two numbers of which one is a conjugate of the other, 

are called 

conjugate numbers.

ib

a

z

background image

6

Solve the equation

i

z

i

z

3

1

)

1

(

2

Let

y

i

x

z

i

y

x

i

y

x

y

ix

iy

x

iy

x

y

i

x

i

y

i

x

z

i

z

3

1

)

(

)

3

(

2

2

)

)(

1

(

)

(

2

)

1

(

2

then

Because the real and imaginary parts on  the right hand side 
must be equal to the real and imaginary parts on the left hand side

3

1

3

y

x

y

x

The solution is 

5

,

2

 y

x

Example

background image

7

z

z

z

Im

i

2

z

z

z

Re

2

)

4

z

)

z

(

)

3

w

z

w

z

w

z

w

z

)

2

w

z

w

z

w

z

w

z

)

1

Properties 

background image

8

z = (2,1) = 2+

Real axis

Imaginary axis

complex number   z   can be viewed as a point or a position vector 
in a two-dimensional Cartesian coordinate system called   
                   the    Complex Plane  or   Argand diagram.

1. Geometrical ‘Intro’

The point z is described by two coordinates:

• x - the Real axis coordinate

• y - the Imaginary axis coordinate

background image

9

background image

10

The sum  of complex numbers  

z+ 

w

  

(you add them like vectors)

Analitical interpretation: 

z = x+iy,  w = u+iv       z + w = (x+u) + i(y+v)

 

Vector interpretation:     

z = (x,y)    w = (u,v)      z+w = (x+u, y+v)

background image

11

is the mirror reflection of 

z

z

Re z

Im z

y

i

x

z

y

i

x

z

background image

12

r

b

a

z

2

2

 

.

5

4

3

i

4

3

2

2

Definition

The modulus (or absolute value) of a complex 
number 
z = a + i b, is denoted by |z| or  r,

                             

    

Example
Find the modulus of  the complex number 3 - 4i.                            

Similarity:  1 = 1, i = 1,  0 = 0.

Fact
A complex number is equal to zero  iff  its modulus is zero:
                                                 z = 0

   |z| = 0.

background image

13

Properties of the modulus (absolute value) of   

z, |z|

w

z

w

z

)

2

w

z

w

z

)

2

w

z

w

z

)

1

x +iy

2

2

y

x

z

r

background image

14

Examples

1. Draw in the complex plane the set of points 'z' which satisfy:
                                         |z-z

0

|=R

z

0

R

Re z

Im z

A circle with centre z

0

 and radius R

2. Draw in the complex plane the set of points S
                       S={z: |z - z

1

| = |z - z

2

|}

z

1

z

2

Line symmetrical to segment  [z

1

 , z

2

]

background image

15

 Fact
(i)  Conjugate numbers have the same modulus: 

(ii) The product of conjugate numbers is the square of the 

modulus:

bi

a

z

z

z 

2

z

z

z 



.

b

a

bi

a

bi

a

2

2

background image

16

TRIGONOMETRIC REPRESENTATION

 OF COMPLEX NUMBERS

background image

17

z = (2,1) = 2+ i

 

Real axis

Imaginary axis

The complex point 

z = x + i y

  can be also described 

by: 
• the distance  

r

  from the origin of the Coordinate 

System 
• the angle  

  between the vector   

z = [x,y]

  and the 

Real Axis

r

background image

18

 

THE TRIGONOMETRIC REPRESENTATION OF COMPLEX NUMBERS

 (POLAR FORM)

,

z

x

cos 

,

z

y

sin 

0

y

x

z

2

2

Definition
The  argument  of a number    z = x +i y,    denoted by   arg 
z = α
   is any real number α which meets the conditions:

where 

 The argument of number 0 
is undefined
.

(cos 

α, sin α)

α

background image

19

ANGLES

The angle is measured in radians, not degrees.

radius

arc

an

of

length

  

of

 

measure

radian 

Notation:
We say, in geometry, that an arc or curve "subtends" an angle, (stretches under).
A line or curve AC subtends angle ABC at point B.

background image

20

360 degrees = 2    = 

6.28319... 
180 degrees =       = 

3.14159...
 90 degrees  = /2   = 

1.5708... 
 60 degrees  = /3   = 

1.0472...
 30 degrees  = /6   = 

0.523599...
 45 degrees  = /4   = 

0.785398...

1 radian = 57.2957 degrees
1 degree = 0.0174532 radians

In mathematics if you write the size of an angle as a pure number,

 

without the degree unit marker after it, then the angle is taken to be in 
radians. 

So, if someone were to write down:
                                                          
 = 4

Then that would mean that angle  has a measurement of 4 

radians and not 4 degrees.

background image

21

α  in 

degrees

 0

0

30

0

45

0

60

0

90

0

180

0

270

0

360

0

α  in 

radians

 0  

π/6

π/4

 

π/

3

 

π/2

   π 3π/

2

  2π

sin α

 0

1/2

  

1

0

  -1

   

0

cos α

 1

1/2

0

-1

0

1

/2

2

/2

3

/2

3

/2

2

background image

22

Definition
The 

main argument

 of the complex number  

z

  is  the 

argument of   

z

 

taken  from the interval  

( - , ].

The 

main argument

  is denoted  by   

Arg z

,

thus   

-  < Argz    

     and   

arg z = Arg z + 2k ,

                                                                                             k = 
0, 1, ...

o

o

o

o

360

k

90

i

90

i

Arg

360

k

1

0

1

Arg

k

2

2

i

2

i

Arg

k

2

1

0

1

Arg

arg

,

,

arg

,

.

/

arg

,

/

,

arg

,

Example:

i

1

/2

background image

23

DEFINITION
The polar form (trigonomeric representation) of a complex number 

z = x + i y

,  is

                                     

z = r ( cos  + i sin )

 , 

where r  is the modulus  r = |z| , and  

  is the argument of  

z

.

 x = r cos 
,    
 y = r sin 

x

y

r

background image

24

i

3

z

.

2

1

3

z

r

o

o

360

k

30

k

2

6

2

1

sin

2

3

cos



6

sin

i

6

cos

2

i

3

Example

Find the polar form of  

use the main argument.

The argument of the complex number     i.e.     the angle  

α

  which satisfies:

 

Thus:

1.

2.

The radius (modulus)

background image

25

.

sin

cos

6

6

2

3

i

i

3

1

/6

i

3

Re

Im

background image

26

MULTIPLICATION IN POLAR FORM

background image

27

Theorem

Let     

1

= r

(cos α

1

 + i∙sin α

1

)

       and        

z

2

 = r

(cos 

α

2

 + i∙sin α

2

).

 

Then:

.

0

z

for

)],

sin(

i

)

[cos(

r

r

z

z

)],

sin(

i

)

[cos(

r

r

z

z

2

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

Multiplying

 complex numbers we 

multiply their modules

 and 

add their arguments

.

Dividing

 complex numbers we 

divide their modules

 and 

subtract their arguments.

background image

28

How can we ‘multiply’ 

points???

Imaginary axis

z

w

Real Axis

1

z · w

The angle of   ‘z·w’   is    + β

β

Lets start with the
‘multiplication’ of points 
located on the unit circle

background image

29

The point X is the product of A and B.
The length of X is  the length of A times length 
of B.
The angle of X is the angle of A plus the angle of 
B.

The product of complex numbers of arbitrary length. 

Points on a 2-dimension plane with addition and 
multiplication defined as above form the  complex 
number system.

background image

30

Theorem  ( de Moivré's)
For every complex number   

z = r (cos 

α

 + i sin 

α

 )

 and natural number  

n = 0, 1, 2, 3, ... ,  the powers of   

z

  are given by:

                                       

z

n

 = r

n

 (cos n

α

 + i sin n

α

 ).

The above theorem is also true for negative integers.

EXAMPLE

i

2  

= ( cos(/2) + i sin (/2) )

2

 = {de Moivre’s} = cos  + i sin  = -1

i

-1

/2

background image

31

background image

32

)

sin

(cos

2

i

2

r

z

2

2

A formula for 

cos 2, sin 2

)

sin

(cos

i

r

z

1.  Let 

)

cos

sin

sin

(cos

)

sin

(cos

i

2

a

r

i

r

z

2

2

2

2

2

2

then its square is

2.  On the other hand   from the d'Moivre's theorem:

)

sin

(cos

cos

2

2

2

2

a

r

2

r

cos

sin

sin

2

r

2

r

2

2

We equate the real and imaginary parts:

2

2

a

2

sin

cos

cos

so

cos

sin

sin

2

2

Re

Im

so

background image

33

N-TH ROOTS OF COMPLEX 

NUMBERS

background image

34

THE n-TH ROOT OF A COMPLEX NUMBER 
                           is a set of numbers, 

it is not a function in the strict meaning of this word. 

For real numbers

 

2

4

2

4

2

2

 ,

This means that 

2

2

4

2

 ,

 

n

z

w

 

n

k

2

sin

i

n

k

2

cos

r

z

n

k

k

2

1

0

n

z

z

z

z

z

...

,

,

,

where

1

n

2

1

0

k

...

,

,

,

For complex numbers

background image

35

1

2

1

0

n

k

...

,

,

,

The roots   

0

, ...., 

n-1

   are the vertices of a 

regular – gon inscribed in a circle of radius 1 
and centre at  
(0, 0).

d'Moivre's theorem

                       The set of n-th roots of 1 

 

The number 1 is written as a complex number 
                             1 = 1 + 0 i = 1(cos 0 + sin 0).
The successive n-th  roots of 1 are denoted  by  

0

1

, ..., 

n-1

 .

From the d'Moivre's theorem  we obtain                            

n

k

2

i

n

k

2

k

sin

cos

k = 0,1,...,n-1.

REP.

n

k

2

sin

i

n

k

2

cos

r

z

n

k

background image

36

 

 

  

i

1

2

1

i

i

1

2

1

1

i

1

2

1

i

i

1

2

1

1

1

8

,

,

,

,

,

,

,

The roots of degree 8 of unity:

8

1

Each root is a vertex of a regular polygon. In the above case an 
octagon.

Re

Im 

background image

37

If we have some n-th root of a complex number

    : 

n

s

z

z 

z

then the other roots can be expressed as

s

k

k

z

z

some root of unity

 

 

i

1

2

1

i

1

2

1

i

2

,

Example

1

1

1

2

 ,

 

i

1

2

1

i

2

Note

Then, because one of the square roots of  

 is: 

background image

38

EXPONENTIAL FORM

background image

39

w

z

w

z

e

e

e

.

1

w

z

w

z

e

e

e

.

2

 

n

z

n

z

e

e

.

3

,  

.

PROPERTIES OF THE EXPONENTIAL FUNCTION

1

e

.

4

0

background image

40

Argz

i

i

e

z

e

r

z

The exponential form of  a complex number  

z =  r(cos α + i sinα)

The exponential form is the ‘friendliest’ form of the complex number!!!

sin

i

cos

e

i

Let

Example:   e

iπ 

= cosπ + i sinπ = -1,             e

iπ/2

 = cos π/2 + i sin π /2 = i

background image

41

i

)

k

2

(

i

n

i

n

i

)

(

i

i

i

)

(

i

i

i

e

e

e

)

e

(

e

e

/

e

e

e

e

background image

42

,  

.

Examples: 

   1)   -1·i = e 

i

· e 

i/2 

= e 

i3/2 

= -i

2)   

Find the real and imaginary parts of

  e

-

i

 :

     e

-i 

=cos(-1) + i sin(-1) = 0.540 + i 

0.841
                                               (in 
radians)

3)  1= e

2kπ

background image

43

 

0.20788...

e

e

e

i

2

/

2

/

i

i

i

2

/

i

i

background image

44

)

(

i

2

1

2

1

i

ik

k

k

i

2

2

2

)

(

i

i

2

1

e

r

r

z

z

.

7

e

r

1

z

1

.

6

e

r

z

.

5

e

r

z

.

4

e

r

z

.

3

e

r

z

.

2

r

z

.

1

background image

45

.

9

,

)

(

:

3

4

4

z

z

z

z

C

z

S

Use the exponential representation of a complex number to 
sketch the following set.    

Example

3

r

9

r

r

9

r

r

9

z

9

z

r

2

4

7

4

5

4

4

4

3

4

2

4

4

0

4

k

e

1

e

e

r

e

r

1

re

z

re

z

Let

2

3

3

3

k

2

i

i

8

i

4

4

i

4

4

i

i

)

,...,

,

,

,

,

,

)

,

background image

46

3

Re

Im

background image

47

EULER FORMULAS

sin

cos

i

2

e

e

2

e

e

i

i

i

i

e

i

e

-i

cosφ

the sum of two vectors  
     e

i

 + e

-i

 = 2 cosφ

background image

48

Euler's identity is remarkable for its mathematical beauty

Three basic arithmetic functions are present exactly once: 
addition, multiplication, and exponentiation. 

The identity links five fundamental mathematical constants:

•The number 0. 

•The number 1. 

•The number π,. 

•The number e, the base of natural logarithms, 

•The number i, imaginary unit of the complex numbers

.

Euler's identity

 

0

1

i

e


Document Outline