Тригонометрическая форма комплексных чисел
Второй урок по комплексным числам. Если вы только начинаете изучать эту тему (что такое комплексная единица, модуль, сопряжённые), см. первый урок: «Что такое комплексное число».
Сегодня мы узнаем:
Начнём с ключевого определения.
1. Тригонометрическая форма
Определение. Тригонометрическая форма комплексного числа — это выражение вида
\[z=\left| z \right|\cdot \left( \cos \text< >\!\!\varphi\!\!\text< >+i\sin \text< >\!\!\varphi\!\!\text < >\right)\]
где $\left| z \right|$ — модуль комплексного числа, $\text< >\!\!\varphi\!\!\text< >$ — некоторый угол, который называется аргумент комплексного числа (пишут $\text< >\!\!\varphi\!\!\text< >=\arg \left( z \right)$).
Любое число $z=a+bi$, отличное от нуля, можно записать с тригонометрической форме. Для этого нужно вычислить модуль и аргумент. Например:
Записать в тригонометрической форме число $z=\sqrt<3>+i$.
Переписываем исходное число в виде $z=\sqrt<3>+1\cdot i$ и считаем модуль:
Выносим модуль за скобки:
\[z=\sqrt<3>+1\cdot i=2\cdot \left( \frac<\sqrt<3>><2>+\frac<1><2>\cdot i \right)\]
Вспоминаем тригонометрию, 10-й класс:
Понятно, что вместо $\frac<\text< >\!\!\pi\!\!\text< >><6>$ с тем же успехом можно взять аргумент $\frac<13\text< >\!\!\pi\!\!\text< >><6>$. Синус и косинус не поменяется. Главное — выбрать такой аргумент, чтобы в тригонометрической форме не осталось никаких минусов. Все минусы должны уйти внутрь синуса и косинуса. Сравните:
Записать в тригонометрической форме число $z=-1-i$.
2. Умножение и деление комплексных чисел
Комплексные числа, записанные в тригонометрической форме, очень удобно умножать и делить.
Теорема. Пусть даны два комплексных числа:
\[\begin
Тогда их произведение равно
\[<
А если ещё и $\left| <
Получается, что при умножении комплексных чисел мы просто умножаем их модули, а аргументы складываем. При делении — делим модули и вычитаем аргументы. И всё!
Найти произведение и частное двух комплексных чисел:
\[\begin
\[\begin
По сравнению со стандартной (алгебраической) формой записи комплексных чисел экономия сил и времени налицо.:)
3. Формула Муавра
Пусть дано комплексное число в тригонометрической форме:
\[z=\left| z \right|\cdot \left( \cos \text< >\!\!\varphi\!\!\text< >+i\sin \text< >\!\!\varphi\!\!\text < >\right)\]
Возведём его в квадрат, умножив на само себя:
\[\begin
Затем возведём в куб, умножив на себя ещё раз:
Несложно догадаться, что будет дальше — при возведении в степень $n$. Это называется формула Муавра.
Формула Муавра. При возведении всякого комплексного числа
\[z=\left| z \right|\cdot \left( \cos \varphi +i\sin \varphi \right)\]
в степень $n\in \mathbb
Простая формула, которая ускоряет вычисления раз в десять! И кстати: эта формула работает при любом $n\in \mathbb
Представим первое число в тригонометрической форме:
\[\begin
По формуле Муавра:
Последним шагом мы воспользовались периодичностью синуса и косинуса, уменьшив аргумент сразу на 28π.
Следующую задачу в разных вариациях любят давать на контрольных работах и экзаменах:
Теперь второе число запишем в комплексной форме:
По формуле Муавра:
Вот так всё просто! Следующие два раздела предназначены для углублённого изучения. Для тех, кто хочет действительно разобраться в комплексных числах.
4. Дополнение 1. Геометрический подход
Многие путают местами косинус и синус. Почему комплексная единица стоит именно у синуса? Вспомним, что есть декартова система координат, где точки задаются отступами по осям $x$ и $y$:
А есть полярная система координат, где точки задаются поворотом на угол $\varphi $ и расстоянием до центра $r$:
А теперь объединим эти картинки и попробуем перейти из декартовой системы координат в полярную:
Комплексное число $z=a+bi$ задаёт на плоскости точку $C$, удалённую от начала координат на расстояние
Треугольник $ABC$ — прямоугольный. Пусть $\angle BAC=\varphi $. Тогда:
\[\begin
С другой стороны, длины катетов $AB$ и $BC$ — это те самые отступы $a$ и $b$, с помощью которых мы задаём комплексное число. Поэтому:
\[\begin
Итак, мы перешли от пары $\left( a;b \right)$ к паре $\left( \left| z \right|;\varphi \right)$, где $\left| z \right|$ — модуль комплексного числа, $\varphi $ — его аргумент (проще говоря, угол поворота).
Важное замечание. А кто сказал, что такой угол $\varphi $ существует? Возьмём число $z=a+bi$ и вынесем модуль за скобку:
Осталось подобрать такой угол $\varphi $, чтобы выполнялось два равенства:
Такой угол обязательно найдётся, поскольку выполняется основное тригонометрическое тождество:
На практике основная трудность заключается именно в поиске подходящего аргумента.
5. Дополнение 2. Как найти аргумент?
В учебниках пишут много разной дичи, типа вот этой:
Формула правильная, но пользы от неё — ноль. Запомнить сложно, а применять и вовсе невозможно. Мы пойдём другим путём.
5.1. Точки на координатных осях
Для начала рассмотрим точки, лежащие осях координат.
Тут всё очевидно:
- На положительной полуоси абсцисс $\varphi =0$ (фиолетовая точка $A$).
- На отрицательной — $\varphi =\pi $ (синяя точка $B$).
- На положительной полуоси ординат $\varphi =\frac<\pi ><2>$ (зелёная точка $B$).
- На отрицательной — $\varphi =\frac<3\pi ><2>$ (красная точка $C$). Однако ничто не мешает рассмотреть $\varphi =-\frac<\pi ><2>$ — результат будет тем же самым.:)
5.2. Точки с арктангенсом
А если точки не лежат на осях, то в записи комплексного числа $a+bi$ числа $a\ne 0$ и $b\ne 0$. Рассмотрим вспомогательный угол
Очевидно, это острый угол:
Зная знаки чисел $a$ и $b$, мы немедленно определим координатную четверть, в которой располагается искомая точка. И нам останется лишь отложить вспомогательный угол $<<\varphi >_<1>>$ от горизонтальной оси в эту четверть.
В правой полуплоскости мы откладываем от «нулевого» луча:
Точка $A\left( 3;4 \right)$ удалена от начала координат на расстояние 5:
\[\begin
Для точки $B\left( 6;-6 \right)$ арктангенс оказался табличным:
\[6-6i=6\sqrt<2>\cdot \left( \cos \left( -\frac<\pi > <4>\right)+i\sin \left( -\frac<\pi > <4>\right) \right)\]
В левой полуплоскости откладываем от луча, соответствующего углу $\pi $:
Итого для точки $C\left( -2;5 \right)$ имеем:
\[\begin
И, наконец, для точки $D\left( -5;-3 \right)$:
\[\begin
Звучит просто, выглядит красиво, работает идеально! Но требует небольшой практики. Пробуйте, тренируйтесь и берите на вооружение.
А в следующем уроке мы научимся извлекать корни из комплексных чисел.:)
Примеры решений задач с комплексными числами
На этой странице вы найдете подробные готовые задания с ответами по разделу «Комплексные числа»: действия с комплексными числами, преобразование в алгебраическую, тригонометрическую и показательную форму, возведение в степень и извлечение корня по формуле Муавра, решение уравнений с комплексными корнями и т.п.
Если вам нужна помощь в выполнении работы по комплексным числам, мы будем рады помочь: стоимость задания от 70 рублей, срок от 1 дня, гарантия месяц, подробное оформление (см. Решение задач на заказ).
Еще полезные ссылки для изучения:
Графические задачи с комплексными числами
Задача 1. Найдите геометрическое место точек, изображающих $z$, удовлетворяющих системе неравенств: $$ |z-1| \lt 1, \\ Re z \le 1, \\ Im z \le 1.$$
Задача 2. Изобразите на $C$: $Re z^2 =-1$.
Действия с комплексными числами. Решения задач
Задача 3. Вычислить сумму $(z_1 + z_2)$ и разность $(z_1 — z_2)$ комплексных чисел, заданных в показательной форме, переведя их в алгебраическую форму. Построить операнды и результаты на комплексной плоскости. $$ z_1 = 2 e^<-\pi i>, z_2=4 e^<\pi i>.$$
Задача 4. Вычислить произведение $z_1 \cdot z_2$ и частное $z_1 / z_2$ комплексных чисел. Операнды и результаты изобразить на комплексной плоскости. $$ z_1 = 4+3i, z_2=1-\sqrt <3>i.$$
Задача 5. Найти все значения корней из заданного комплексного числа $\sqrt[4]<-9>.$
Задача 6. Вычислить $\left(\frac<1-i> <1+i>\right)^<40>.$ Представить результат в алгебраической и показательной формах.
Формы комплексных чисел. Решения задач
Задача 7. Найти $|z|$, $\arg z$, записать число $z$ в тригонометрической и показательной форме $z=-\sqrt<3>-i.$
Задача 8. Найдите $z$ в тригонометрической форме, если $z=(3-3i\sqrt<3>)(5\sqrt<3>+5i).$
Задача 9. Дано комплексное число $a$. Требуется:
1) записать число $a$ в алгебраической и тригонометрической формах;
2) найти корни уравнения $z^3+a=0$. $$a=\frac<1><\sqrt<3>-i>.$$
Уравнения с комплексными числами. Решения задач
Задача 10. Решите уравнение (ответ запишите в алгебраической форме): $sh z — ch z =2i.$
Задача 11. Решить уравнения или вычислить: $$ \frac
Задача 12. Найти все комплексные корни заданного уравнения, отметить найденные корни на комплексной плоскости: $z^6-7z^3-8=0.$
Тригонометрическая форма комплексного числа
Рассмотрим комплексное число, заданной в обычной (алгебраической) форме:
z=a+ib. | (1) |
Задача заключается в представлении комплексного числа (1) в тригонометрической форме. Для этого на комплексной плоскости введем полярные координаты. Примем за полюс начало координат, а за полярную ось вещественную ось R.
Как известно, полярными координатами точки z являются длина r ее радиус-вектора, равной расстоянию от точки z до полюса, и величина ее полярного угла, т.е. угла, образованного между полярной осью и вектором-радиусом точки z. Отметим, что направление отсчета угла берется от полярной оси до вектора-радиуса против часовой стрелки (Рис.1, Рис.2).
На Рис.3 изображено комплексное число z. Координаты этого числа в декартовой системе координат (a, b). Из определения функций sin и cos любого угла, следует:
. |
. | (2) |
Подставляя (2) в (1), получим:
. | (3) |
Эта форма записи называется тригонометрической формой записи комплексного числа.
Уравнения (2) возведем в квадрат и сложим:
. |
(4) |
r−длина радиус-вектора комплексного числа z называется модулем комплексного числа и обозначается |z|. Очевидно |z|≥0, причем |z|=0 тогда и только тогда, когда z=0.
Величина полярного угла точки, соответвующей комплексному числу z, т.е. угла φ, называется аргументом этого числа и обозначается arg z. Заметим, что arg z имеет смысл лишь при z≠0. Аргумент комплексного числа 0 не имеет смысла.
Аргумент комплексного числа определен неоднозначно. Если φ аргумент комплексного числа, то φ+2πk, k=0,1. также является аргументом комплексного числа, т.к. cos(φ+2πk)=cosφ, sin(φ+2πk)=sinφ.
Приведение комплексного числа из алгебраической формы в тригонометрическую
Пусть комплексное число представлено в алгебраической форме: z=a+bi. Представим это число в тригонометрической форме. Вычисляем модуль комплексного числа: . Вычисляем аргумент φ комплексного числа из выражений или . Полученные значения вставляем в уравнение (3).
Пример 1. Представить комплексное число z=1 в тригонометрической форме.
Решение. Комплексное число z=1 можно представить так: z=1+0i. Вычислим модуль этого числа: . Вычислим аргумент этого числа: cosφ=1/1. Откуда имеем φ=0. Подставляя значения модуля и аргумента в (3), получим: z=1(cos0+isin0).
Пример 2. Представить комплексное число z=i в тригонометрической форме.
Решение. Комплексное число z=i можно представить так: z=0+1i. Вычислим модуль этого числа: . Вычислим аргумент этого числа: cosφ=0/1. Откуда имеем φ=π/2. Подставляя значения модуля и аргумента в (3), получим: .
Ответ. .
Пример 3. Представить комплексное число z=4+3i в тригонометрической форме.
Решение. Вычислим модуль этого числа: . Вычислим аргумент этого числа: cosφ=4/5. Откуда имеем φ=arccos(4/5). Подставляя значения модуля и аргумента в (3), получим: .
Ответ. , где φ=arccos(4/5).
Умножение комплексных чисел в тригонометрической форме записи
z1·z2=[r1(cosφ1+i sinφ1)][r2(cosφ2+i sinφ2]=r1r2[cos(φ1+φ2)+isin(φ1+φ2)] |
z1z2=r1r2[cos(φ1+φ2)+isin(φ1+φ2)] | (5) |
В результате умножения комплексных чисел в тригонометрической форме мы получили комплексное число в тригонометрической форме, следовательно |z1z2|=r1r2, или
|z1z2|=|z1||z2|, | (6) |
т.е. модуль произведения комплексных чисел равен произведению модулей сомножителей .
arg(z1z2)=arg(z1)+arg(z2), | (7) |
т.е. аргумент произведения комплексных чисел равен сумме аргументов сомножителей .
Пример 4. Умножить комплексные числа и .
Решение. Воспользуемся формулой (5):
Ответ. .
Деление комплексных чисел в тригонометрической форме записи
(8) |
Отсюда следует, что или
(9) |
Далее , или
(10) |
Следовательно, модуль частного двух комплексных чисел равен модулю делимого, деленному на модуль делителя, а аргумент частного двух комплексных чисел получается вычитанием аргумента делителя от аргумента делимого .
Пример 5. Делить комплексные числа и .
Решение. Воспользуемся формулой (8):
Ответ. .
http://www.matburo.ru/ex_ma.php?p1=makn
http://matworld.ru/kompleksnye-chisla/trigonometricheskaja-forma-kompleksnogo-chisla.php