Мнимая единица или единичное мнимое число ( i ) является решением квадратного уравнения x 2 + 1 = 0. Хотя действительного числа с этим свойством не существует , i можно использовать для расширения действительных чисел до так называемых комплексных чисел . используя сложение и умножение . Простой пример использования i в комплексном числе: 2 + 3 i .
Мнимые числа — важное математическое понятие; они расширяют систему действительных чисел до комплексной системы счисления , в которой существует хотя бы один корень для каждого непостоянного многочлена (см. Алгебраическое замыкание и Основная теорема алгебры ). Здесь используется термин «мнимый», поскольку не существует действительного числа , имеющего отрицательный квадрат .
Есть два комплексных квадратных корня из −1: i и − i , точно так же, как есть два комплексных квадратных корня из каждого действительного числа, отличного от нуля (которое имеет один двойной квадратный корень ).
В контекстах, в которых использование буквы i неоднозначно или проблематично, вместо нее иногда используется буква j . Например, в электротехнике и системах управления мнимая единица обычно обозначается j вместо i , потому что i обычно используется для обозначения электрического тока . [1]
Квадратные корни отрицательных чисел называются мнимыми , потому что в ранней современной математике числами вообще считались только те числа, которые сейчас называются действительными числами , которые можно получить с помощью физических измерений или базовой арифметики – даже к отрицательным числам относились со скептицизмом – поэтому квадратные корни из отрицательных чисел называются мнимыми. корень отрицательного числа ранее считался неопределенным или бессмысленным. Имя «воображаемое» обычно приписывают Рене Декарту , а Исаак Ньютон использовал этот термин еще в 1670 году. [2] [3] Обозначение i было введено Леонардом Эйлером . [4]
Единица — это неделимое целое, а единица или номер единицы — это цифра один ( 1 ).
Мнимая единица i определяется исключительно тем свойством, что ее квадрат равен −1:
Если i определено таким образом, из алгебры непосредственно следует, что i и −i являются квадратными корнями из −1.
Хотя конструкция называется «мнимой» и хотя понятие мнимого числа может быть интуитивно более трудным для понимания, чем понятие действительного числа, конструкция действительна с математической точки зрения. Операции с действительными числами можно распространить на мнимые и комплексные числа, рассматривая i как неизвестную величину при манипулировании выражением (и используя определение для замены любого появления i 2 на −1 ). Таким образом, высшие целые степени i равны
Как комплексное число, i можно представить в прямоугольной форме как 0 + 1 i с нулевой действительной составляющей и единичной мнимой составляющей. В полярной форме i можно представить как 1 × e πi /2 (или просто e πi /2 ), с абсолютным значением (или величиной) 1 и аргументом (или углом) в радианах . (Добавление к этому углу любого целого числа, кратного 2 π, также работает.) В комплексной плоскости , которая является специальной интерпретацией декартовой плоскости , i — это точка, расположенная на одну единицу от начала координат вдоль мнимой оси (которая ортогональна реальная ось ).
Будучи квадратичным многочленом без кратного корня , определяющее уравнение x 2 = −1 имеет два различных решения, которые одинаково действительны и которые оказываются аддитивными и мультипликативными обратными друг другу. Хотя эти два решения представляют собой разные числа, их свойства неразличимы; не существует собственности, которой обладает один, которой нет у другого. Одно из этих двух решений помечено + i (или просто i ), а другое помечено - i , хотя это по своей сути неоднозначно.
Единственные различия между + i и − i возникают из-за этой маркировки. Например, по соглашению считается, что + i имеет аргумент , а - i имеет аргумент, связанный с соглашением об ориентации маркировки в декартовой плоскости относительно положительной оси x с положительными углами, поворачивающимися против часовой стрелки в направлении положительной оси Y. Несмотря на написанные ими знаки, ни + i , ни − i по своей сути не являются положительными или отрицательными в том смысле, в каком они являются действительными числами. [5]
Более формальное выражение этой неотличимости + i и − i состоит в том, что, хотя комплексное поле уникально ( как расширение действительных чисел) с точностью до изоморфизма , оно не уникально с точностью до уникального изоморфизма. То есть существуют два полевых автоморфизма комплексных чисел , которые сохраняют каждое действительное число фиксированным, а именно тождество и комплексное сопряжение . Подробнее об этом общем явлении см. в группе Галуа .
Используя понятия матриц и умножения матриц , комплексные числа можно представить в линейной алгебре. Реальная единица 1 и мнимая единица i могут быть представлены любой парой матриц I и J , удовлетворяющих условиям I 2 = I , IJ = JI = J и J 2 = − I . Тогда комплексное число a + bi можно представить матрицей aI + bJ , и все обычные правила комплексной арифметики можно вывести из правил матричной арифметики.
Наиболее распространенный выбор — представить 1 и i единичной матрицей I размера 2 × 2 и матрицей J ,
Тогда произвольное комплексное число a + bi можно представить следующим образом:
В более общем смысле, в качестве J можно выбрать любую вещественную матрицу размера 2 × 2 со следом , равным нулю, и определителем , равным единице в квадрате до −I . Также можно использовать матрицы большего размера, например, 1 может быть представлена единичной матрицей 4 × 4 , а i может быть представлена любой из матриц Дирака для пространственных измерений.
Полиномы (взвешенные суммы степеней переменной) — основной инструмент алгебры. Полиномы, коэффициенты которых являются действительными числами, образуют кольцо , обозначающее алгебраическую структуру со сложением и умножением и имеющую много общих свойств с кольцом целых чисел .
Многочлен не имеет корней из действительных чисел , но набор всех многочленов с действительными коэффициентами, делящихся на, образует идеал , и поэтому существует факторкольцо. Это факторкольцо изоморфно комплексным числам, а переменная выражает мнимую единицу.
Комплексные числа можно представить графически, нарисовав линию действительных чисел как горизонтальную ось, а мнимые числа как вертикальную ось декартовой плоскости, называемой комплексной плоскостью . В этом представлении числа 1 и i находятся на одинаковом расстоянии от 0 , с прямым углом между ними. Сложение на комплексное число соответствует перемещению в плоскости, а умножение на комплексное число единичной величины соответствует вращению вокруг начала координат. Каждое преобразование подобия плоскости можно представить комплексно-линейной функцией
В геометрической алгебре евклидовой плоскости геометрическое произведение или частное двух произвольных векторов представляет собой сумму скалярной (действительной) части и бивекторной части. (Скаляр — это величина без ориентации, вектор — это величина, ориентированная как линия, а бивектор — это величина, ориентированная как плоскость.) Квадрат любого вектора является положительным скаляром, представляющим квадрат его длины, а квадрат любого бивектора является отрицательным скаляром.
Фактор вектора с самим собой является скаляром 1 = u / u , и при умножении на любой вектор оставляет его неизменным ( тождественное преобразование ). Частное любых двух перпендикулярных векторов одной и той же величины, J = u / v , которое при умножении поворачивает делитель на четверть и превращается в делимое, Jv = u , является единичным бивектором, который приводится в квадрат к −1 , и поэтому его можно взять как представитель воображаемой единицы. Любую сумму скаляра и бивектора можно умножить на вектор, чтобы масштабировать и повернуть его, и алгебра таких сумм изоморфна алгебре комплексных чисел. В этой интерпретации точки, векторы и суммы скаляров и бивекторов представляют собой отдельные типы геометрических объектов. [6]
В более общем смысле, в геометрической алгебре любого многомерного евклидова пространства единичный бивектор любых произвольных плоских ориентационных квадратов до −1 может быть взят для представления мнимой единицы i .
Воображаемая единица была исторически записана и до сих пор присутствует в некоторых современных работах. Однако при работе с формулами, включающими радикалы , необходимо соблюдать большую осторожность . Обозначение радикального знака зарезервировано либо для функции главного квадратного корня, которая определена только для действительного x ≥ 0, либо для главной ветви функции комплексного квадратного корня. Попытка применить правила вычисления главной (действительной) функции квадратного корня для манипулирования основной ветвью функции комплексного квадратного корня может привести к ложным результатам: [7]
Как правило, правила расчета и гарантированно действительны только для реальных положительных значений x и y . [8] [9] [10]
Когда x или y действительны, но отрицательны, этих проблем можно избежать, написав и манипулируя выражениями типа , а не . Более подробное обсуждение см. в разделе « Квадратный корень и точка ветвления» .
Как комплексное число, мнимая единица подчиняется всем правилам комплексной арифметики .
Когда мнимая единица многократно добавляется или вычитается, результатом является некоторое целое число , умноженное на мнимую единицу, мнимое целое число ; любые такие числа можно сложить, и результат также будет мнимым целым числом:
Таким образом, мнимая единица является генератором складывающейся группы , а именно бесконечной циклической группы .
Мнимую единицу также можно умножить на любое произвольное действительное число, чтобы получить мнимое число . Эти числа можно изобразить на числовой прямой , воображаемой оси , которая как часть комплексной плоскости обычно рисуется с вертикальной ориентацией, перпендикулярной действительной оси, нарисованной горизонтально.
Целые суммы вещественной единицы 1 и мнимой единицы i образуют квадратную решетку на комплексной плоскости, называемую гауссовскими целыми числами . Сумма, разность или произведение гауссовых целых чисел также является гауссовским целым числом:
При умножении на мнимую единицу i любое произвольное комплексное число в комплексной плоскости поворачивается на четверть оборота ( радианы или 90° ) против часовой стрелки . При умножении на − i любое произвольное комплексное число поворачивается на четверть оборота по часовой стрелке. В полярной форме:
В прямоугольной форме,
Степени числа i повторяются в цикле, который можно выразить следующим образом, где n — любое целое число:
Таким образом, при умножении i является генератором циклической группы порядка 4, дискретной подгруппы группы непрерывного круга единичных комплексных чисел при умножении.
Написано как частный случай формулы Эйлера для целого числа n :
Для тщательного выбора ветвей и главных значений это последнее уравнение также применимо к произвольным комплексным значениям n , включая такие случаи, как n = i . [11]
Как и все ненулевые комплексные числа, оно имеет два различных квадратных корня , которые являются обратными аддитивными числами . В полярной форме они
В прямоугольной форме они представляют собой [a]
Возведение в квадрат любого выражения дает
Три кубических корня из i равны [13]
Для общего положительного целого числа n корни n -й степени из i равны для k = 0, 1, ..., n - 1,
Комплексная экспоненциальная функция связывает сложное сложение в домене с комплексным умножением в кодомене. Действительные значения в домене представляют масштабирование в кодомене (умножение на действительный скаляр), где 1 представляет умножение на e , а мнимые значения в домене представляют вращение в кодомене (умножение на единичное комплексное число), где i представляет поворот на 1 . радиан. Таким образом, комплексная экспонента является периодической функцией в мнимом направлении с периодом 2 πi и изображением 1 в точках 2 kπi для всех целых чисел k , кратных решетке мнимых целых чисел.
Комплексную экспоненту можно разбить на четные и нечетные компоненты, гиперболические функции cosh и sinh или тригонометрические функции cos и sin :
Формула Эйлера разлагает экспоненту мнимого числа, представляющего вращение:
Частное coth z = cosh z / sinh z при соответствующем масштабировании может быть представлено как разложение бесконечных частных дробей как сумма обратных функций , переведенных мнимыми целыми числами: [14]
Другие функции, основанные на комплексной экспоненте, четко определены с мнимыми входными данными. Например, число, возведенное в степень ni :
Поскольку экспонента является периодической, ее обратный комплексный логарифм является многозначной функцией , где каждое комплексное число в области значений соответствует множеству значений в области значений, отделенных друг от друга любым целым числом, кратным 2 πi . Один из способов получения однозначной функции — рассматривать кодомен как цилиндр , где комплексные значения, разделенные любым целым числом, кратным 2 πi , рассматриваются как одно и то же значение; другой — принять область как риманову поверхность , состоящую из нескольких копий комплексной плоскости, сшитых вместе вдоль отрицательной вещественной оси в виде разреза ветвления , причем каждая ветвь в области соответствует одной бесконечной полосе в кодомене. [15] Таким образом, функции, зависящие от комплексного логарифма, зависят от тщательного выбора ветви для четкого определения и оценки.
Например, если кто-то выберет любую ветвь, где тогда, когда x - положительное действительное число,
Факториал мнимой единицы i чаще всего выражается через гамма-функцию , оцениваемую как 1 + i : [ 16 ]
Величина и аргумент этого числа: [17]