Выражения с мнимой единицей
Обновлено: 04.10.2024
Сегодня на занятии мы отработаем типовые действия с комплексными числами, а также освоим технику решения выражений, уравнений и систем уравнений, которые эти числа содержат. Данный практикум является продолжением урока Комплексные числа для чайников, и поэтому если вы неважно ориентируетесь в теме, то, пожалуйста, пройдите по указанной выше ссылке. Ну а более подготовленным читателям предлагаю сразу же разогреться:
Упростить выражение , если . Представить результат в тригонометрической форме и изобразить его на комплексной плоскости.
Решение: итак, требуется подставить в «страшную» дробь, провести упрощения, и перевести полученное комплексное число в тригонометрическую форму. Плюс чертёж.
Как лучше оформить решение? С «навороченным» алгебраическим выражением выгоднее разбираться поэтапно. Во-первых, меньше рассеивается внимание, и, во-вторых, если таки задание не зачтут, то будет намного проще отыскать ошибку.
1) Сначала упростим числитель. Подставим в него значение , раскроем скобки и поправим причёску:
…Да, такой вот Квазимодо от комплексных чисел получился…
Напоминаю, что в ходе преобразований используются совершенно бесхитростные вещи – правило умножения многочленов и уже ставшее банальным равенство . Главное, быть внимательным и не запутаться в знаках.
2) Теперь на очереди знаменатель. Если , то:
Заметьте, в какой непривычной интерпретации использована формула квадрата суммы . Как вариант, здесь можно выполнить перестановку под формулу . Результаты, естественно, совпадут.
3) И, наконец, всё выражение. Если , то:
Чтобы избавиться от дроби, умножим числитель и знаменатель на сопряженное знаменателю выражение. При этом в целях применения формулы разности квадратов следует предварительно (и уже обязательно!) поставить отрицательную действительную часть на 2-е место:
А сейчас ключевое правило:
НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ НЕ ТОРОПИМСЯ! Лучше перестраховаться и прописать лишний шаг.
В выражениях, уравнениях и системах с комплексными числами самонадеянные устные вычисления чреваты, как никогда!
На завершающем шаге произошло хорошее сокращение и это просто отличный признак.
Примечание: строго говоря, здесь произошло деление комплексного числа на комплексное число 50 (вспоминаем, что ). Об этом нюансе я умалчивал до сих пор и о нём мы ещё поговорим чуть позже.
Обозначим наше достижение буквой
Представим полученный результат в тригонометрической форме. Вообще говоря, здесь можно обойтись без чертежа, но коль скоро, требуется – несколько рациональнее выполнить его прямо сейчас:
Вычислим модуль комплексного числа:
Если выполнять чертёж в масштабе 1 ед. = 1 см (2 тетрадные клетки), то полученное значение легко проверить с помощью обычной линейки.
Найдём аргумент. Так как число расположено во 2-й координатной четверти , то:
Угол элементарно проверяется транспортиром. Вот в чём состоит несомненный плюс чертежа.
Таким образом: – искомое число в тригонометрической форме.
Выполним проверку:
, в чём и требовалось убедиться.
Незнакомые значения синуса и косинуса удобно находить по тригонометрической таблице.
Ответ:
Аналогичный пример для самостоятельного решения:
Упростить выражение , где . Изобразить полученное число на комплексной плоскости и записать его в показательной форме.
Постарайтесь не пропускать учебные примеры. Кажутся-то они, может быть, и простыми, но без тренировки «сесть в лужу» не просто легко, а очень легко. Поэтому «набиваем руку».
Краткое решение и ответ в конце урока.
Нередко задача допускает не единственный путь решения:
Решение: прежде всего, обратим внимание на оригинальное условие – одно число представлено в алгебраической, а другое – в тригонометрической форме, да ещё и с градусами. Давайте сразу перепишем его в более привычном виде: .
В какой форме проводить вычисления? Выражение , очевидно, предполагает первоочередное умножение и дальнейшее возведение в 10-ю степень по формуле Муавра, которая сформулирована для тригонометрической формы комплексного числа. Таким образом, представляется более логичным преобразовать первое число. Найдём его модуль и аргумент:
Используем правило умножения комплексных чисел в тригонометрической форме:
если , то
Далее применяем формулу Муавра , которая является следствием указанного выше правила:
Делая дробь правильной, приходим к выводу, что можно «скрутить» 4 оборота ( рад.):
Второй способ решения состоит в том, чтобы перевести 2-е число в алгебраическую форму , выполнить умножение в алгебраической форме, перевести результат в тригонометрическую форму и воспользоваться формулой Муавра.
Как видите, одно «лишнее» действие. Желающие могут довести решение до конца и убедиться, что результаты совпадают.
В условии ничего не сказано о форме итогового комплексного числа, поэтому:
Ответ:
Но «для красоты» либо по требованию результат нетрудно представить и в алгебраической форме:
Здесь нужно вспомнить действия со степенями, хотя одного полезного правила в методичке нет, вот оно: .
И ещё одно важное замечание: пример можно решить в двух стилях. Первый вариант – работать с двумя числами и мириться с дробями. Второй вариант – представить каждое число в виде частного двух чисел: и избавиться от четырёхэтажности. С формальной точки зрения без разницы, как решать, но содержательное отличие есть! Пожалуйста, хорошо осмыслите:
– это комплексное число;
– это частное двух комплексных чисел ( и ), однако в зависимости от контекста можно сказать и так: число , представленное в виде частного двух комплексных чисел.
Краткое решение и ответ в конце урока.
Выражения – хорошо, а уравнения – лучше:
Уравнения с комплексными коэффициентами
Чем они отличаются от «обычных» уравнений? Коэффициентами =)
В свете вышеприведённого замечания начнём с этого примера:
И незамедлительная преамбула по «горячим следам»: изначально правая часть уравнения позиционируется, как частное двух комплексных чисел ( и 13), и поэтому будет нехорошим тоном переписать условие с числом (хотя это и не повлечёт ошибки). Более явственно данное различие, кстати, просматривается в дроби – если, условно говоря, , то это значение в первую очередь понимается как «полноценный» комплексный корень уравнения, а не как делитель числа , и тем более – не как часть числа !
Решение, в принципе, тоже можно оформить пошагово, но в данном случае овчинка выделки не стОит. Первоначальная задача состоит в том, чтобы упростить всё, что не содержит неизвестной «зет», в результате чего уравнение сведётся к виду :
Уверенно упрощаем среднюю дробь:
Результат переносим в правую часть и находим разность:
Примечание: и вновь обращаю ваше внимание на содержательный момент – здесь мы не вычли из числа число, а подвели дроби к общему знаменателю! Следует отметить, что уже в ХОДЕ решения не возбраняется работать и с числами: , правда, в рассматриваемом примере такой стиль скорее вреден, чем полезен =)
По правилу пропорции выражаем «зет»:
Теперь можно снова разделить и умножить на сопряжённое выражение, но подозрительно похожие числа числителя и знаменателя подсказывают следующий ход:
Ответ:
В целях проверки подставим полученное значение в левую часть исходного уравнения и проведём упрощения:
– получена правая часть исходного уравнения, таким образом, корень найден верно.
…Сейчас-сейчас… подберу для вас что-нибудь поинтереснее… держите:
Данное уравнение сводится к виду , а значит, является линейным. Намёк, думаю, понятен – дерзайте!
Конечно же… как можно без него прожить:
Квадратное уравнение с комплексными коэффициентами
На уроке Комплексные числа для чайников мы узнали, что квадратное уравнение с действительными коэффициентами может иметь сопряжённые комплексные корни, после чего возникает закономерный вопрос: а почему, собственно, сами коэффициенты не могут быть комплексными? Сформулирую общий случай:
Квадратное уравнение с произвольными комплексными коэффициентами (1 или 2 из которых либо все три могут быть, в частности, и действительными) имеет два и только два комплексных корня (возможно один из которых либо оба действительны). При этом корни (как действительные, так и с ненулевой мнимой частью) могут совпадать (быть кратными).
Квадратное уравнение с комплексными коэффициентами решается по такой же схеме, что и «школьное» уравнение, с некоторыми отличиями в технике вычислений:
Найти корни квадратного уравнения
Решение: на первом месте расположена мнимая единица, и, в принципе, от неё можно избавиться (умножая обе части на ), однако, в этом нет особой надобности.
Для удобства выпишем коэффициенты:
Не теряем «минус» у свободного члена! …Может быть не всем понятно – перепишу уравнение в стандартном виде :
А вот и главное препятствие:
Применение общей формулы извлечения корня (см. последний параграф статьи Комплексные числа для чайников) осложняется серьёзными затруднениями, связанными с аргументом подкоренного комплексного числа (убедитесь сами). Но существует и другой, «алгебраический» путь! Корень будем искать в виде:
Возведём обе части в квадрат:
Два комплексных числа равны, если равны их действительные и их мнимые части. Таким образом, получаем следующую систему:
Систему проще решить подбором (более основательный путь – выразить из 2-го уравнения – подставить в 1-е, получить и решить биквадратное уравнение). Предполагая, что автор задачи не изверг, выдвигаем гипотезу, что и – целые числа. Из 1-го уравнения следуют, что «икс» по модулю больше, чем «игрек». Кроме того, положительное произведение сообщает нам, что неизвестные одного знака. Исходя из вышесказанного, и ориентируясь на 2-е уравнение, запишем все подходящие ему пары:
Очевидно, что 1-му уравнению системы удовлетворяют две последние пары, таким образом:
Не помешает промежуточная проверка:
что и требовалось проверить.
В качестве «рабочего» корня можно выбрать любое значение. Понятно, что лучше взять версию без «минусов»:
Находим корни, не забывая, кстати, что :
Ответ:
Проверим, удовлетворяют ли найденные корни уравнению :
Таким образом, решение найдено правильно.
По мотивам только что разобранной задачи:
Найти корни уравнения
Следует отметить, что квадратный корень из чисто комплексного числа прекрасно извлекается и с помощью общей формулы , где , поэтому в образце приведены оба способа. Второе полезное замечание касается того, что предварительное извлечение корня из константы ничуть не упрощает решение.
А теперь можно расслабиться – в этом примере вы отделаетесь лёгким испугом :)
Решить уравнение и выполнить проверку
Решения и ответы в конце урока.
Заключительный параграф статьи посвящён
системе уравнений с комплексными числами
Расслабились и… не напрягаемся =) Рассмотрим простейший случай – систему двух линейных уравнений с двумя неизвестными:
Решить систему уравнений. Ответ представить в алгебраической и показательной формах, изобразить корни на чертеже.
Решение: уже само условие подсказывает, что система имеет единственное решение, то есть, нам нужно найти два числа , которые удовлетворяют каждому уравнению системы.
Систему реально решить «детским» способом (выразить одну переменную через другую), однако гораздо удобнее использовать формулы Крамера. Вычислим главный определитель системы:
, значит, система имеет единственное решение.
Повторюсь, что лучше не торопиться и прописывать шаги максимально подробно:
Домножаем числитель и знаменатель на мнимую единицу и получаем 1-й корень:
Перед тем, как продолжать дальше, целесообразно проверить решение. Подставим найденные значения в левую часть каждого уравнения системы:
Получены соответствующие правые части, ч.т.п.
Представим корни в показательной форме. Для этого нужно найти их модули и аргументы:
1) – арктангенс «двойки» вычисляется «плохо», поэтому так и оставляем:
Ответ:
Решить систему уравнений
Найти произведение корней и представить его в тригонометрической форме.
Краткое решение совсем близко.
И в заключение ответим на экзистенциальный вопрос: для чего нужны комплексные числа? Комплексные числа нужны для расширения сознания выполнения заданий других разделов высшей математики, кроме того, они используются во вполне материальных инженерно-технических расчетах на практике.
На этом курс Опытного пользователя комплексных чисел завершён – сертификат вам на стену и новых достижений!
Решения и ответы:
Пример 2: Решение: если , то:
Умножим числитель и знаменатель на сопряжённое знаменателю выражение:
Изобразим полученное число на чертеже:
Представим ответ в показательной форме. Найдем модуль и аргумент данного числа:
Поскольку число расположено в 3-й четверти, то:
Таким образом:
Ответ:
Пример 4: Решение:
Пример 6: Решение:
Умножим обе части уравнения на :
Ответ:
Пример 8: Решение:
Первый способ: корни уравнения ищем в виде:
Возведём обе части в квадрат:
Комплексные числа равны, если равны их действительные и их мнимые части:
Из 1-го уравнения следует, что:
1) , но это не удовлетворяет 2-му уравнению (равенство выполняется только в том случае, если и одного знака);
2) – подставим во 2-е уравнение:
Таким образом: либо
Ответ:
Второй способ: используем формулу . В данном случае :
Найдём модуль и аргумент комплексного числа:
;
очевидно, что .
Таким образом:
Ответ:
Пример 9: Решение: . Вычислим дискриминант:
Таким образом:
Ответ:
Проверка: подставим в исходное уравнение :
верное равенство;
верное равенство.
Что и требовалось проверить.
Пример 11: Решение: систему решим методом Крамера:
Таким образом, система имеет единственное решение.
Найдём произведение корней:
Представим результат в тригонометрической форме:
Ответ:
Автор: Емелин Александр
(Переход на главную страницу)
«Всё сдал!» — онлайн-сервис помощи студентам
Читайте также: