stringtranslate.com

Мнимая единица

Мнимая единица i на комплексной плоскости : Действительные числа условно откладываются на горизонтальной оси, а мнимые числа — на вертикальной.

Мнимая единица или единичное мнимое число ( i ) является решением квадратного уравнения x 2 + 1 = 0. Хотя не существует действительного числа с таким свойством, 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 являются важным математическим понятием; они расширяют систему действительных чисел до комплексной системы чисел , в которой существует по крайней мере один корень для каждого непостоянного многочлена (см. Алгебраическое замыкание и Основная теорема алгебры ). Здесь термин «мнимый» используется, поскольку не существует действительного числа, имеющего отрицательный квадрат .

Существует два комплексных квадратных корня из −1: i и i , так же как существует два комплексных квадратных корня из каждого действительного числа, кроме нуля (который имеет один двойной квадратный корень ).

В контекстах, в которых использование буквы i неоднозначно или проблематично, иногда вместо нее используется буква j . Например, в электротехнике и проектировании систем управления мнимая единица обычно обозначается как j вместо i , поскольку i обычно используется для обозначения электрического тока . [1]

Терминология

Квадратные корни из отрицательных чисел называются мнимыми , потому что в ранней современной математике только то, что сейчас называется действительными числами , получаемыми с помощью физических измерений или базовой арифметики, считалось числами вообще — даже к отрицательным числам относились скептически — поэтому квадратный корень из отрицательного числа ранее считался неопределенным или бессмысленным. Название мнимый 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 число единицы — это число один ( 1 ).

Определение

Мнимая единица i определяется исключительно тем свойством, что ее квадрат равен −1:

Если i определить таким образом, то из алгебры непосредственно следует , что i и i являются квадратными корнями из −1.

Хотя конструкция называется «мнимой», и хотя концепция мнимого числа может быть интуитивно более трудной для понимания, чем концепция действительного числа, конструкция верна 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 вхождения i 2 на −1 ). Высшие целые степени i — это, таким образом , и так далее, циклически проходя через четыре значения 1 , i , −1 и i . Как и в случае с любым ненулевым действительным числом, i 0 = 1.

Как комплексное число, i может быть представлено в прямоугольной форме как 0 + 1 i , с нулевым действительным компонентом и единичным мнимым компонентом. В полярной форме i может быть представлено как 1 × e πi /2 (или просто e πi /2 ), с абсолютным значением (или величиной) 1 и аргументом (или углом) радиан . (Добавление любого целого числа, кратного 2 π, к этому углу также работает.) В комплексной плоскости , которая является специальной интерпретацией декартовой плоскости , i является точкой, расположенной на одну единицу от начала координат вдоль мнимой оси (которая ортогональна действительной оси ).

япротив.− я

Будучи квадратным многочленом без кратных корней , определяющее уравнение x 2 = −1 имеет два различных решения, которые одинаково допустимы и которые являются аддитивными и мультипликативными обратными друг другу. Хотя два решения являются различными числами, их свойства неразличимы; нет такого свойства, которым обладало бы одно из них, но не обладало бы другое. Одно из этих двух решений обозначено как + i (или просто i ), а другое обозначено как i , хотя по сути неоднозначно, какое из них какое.

Единственные различия между + i и i возникают из-за этой маркировки. Например, по соглашению говорят, что + i имеет аргумент , а i имеет аргумент, связанный с соглашением о маркировке ориентаций в декартовой плоскости относительно положительной оси x с положительными углами, поворачивающимися против часовой стрелки в направлении положительной оси y . Кроме того, несмотря на знаки, написанные с ними, ни + i, ни i не являются изначально положительными или отрицательными в том смысле, в каком являются действительные числа. [5]

Более формальное выражение этой неразличимости + i и i заключается в том, что, хотя комплексное поле уникально (как расширение действительных чисел) с точностью до изоморфизма , оно не уникально с точностью до единственного 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. Группа Галуа .

Матрицы

Используя концепции матриц и умножения матриц , комплексные числа могут быть представлены в линейной алгебре. Действительная единица 1 и мнимая единица i могут быть представлены любой парой матриц I и J, удовлетворяющих соотношениям I 2 = I , IJ = JI = J и J 2 = − I . Тогда комплексное число a + bi может быть представлено матрицей aI + bJ , и все обычные правила комплексной арифметики могут быть выведены из правил матричной арифметики.

Наиболее распространенным выбором является представление 1 и i с помощью единичной матрицы I размером 2 × 2 и матрицы J ,

Тогда произвольное комплексное число a + bi можно представить в виде:

В более общем случае любая вещественная матрица 2 × 2 со следом , равным нулю, и определителем , равным единице в квадрате, равная I , может быть выбрана для J. Также могут использоваться матрицы большего размера; например, 1 может быть представлена ​​единичной матрицей 4 × 4 , а i может быть представлена ​​любой из матриц Дирака для пространственных измерений.

Кореньх 2 + 1

Многочлены (взвешенные суммы степеней переменной) являются основным инструментом в алгебре. Многочлены, коэффициенты которых являются действительными числами, образуют кольцо , обозначаемое как алгебраическая структура со сложением и умножением и разделяющее многие свойства с кольцом целых чисел .

Многочлен не имеет действительных корней , но множество всех действительных многочленов, делящихся на, образует идеал , и поэтому существует фактор-кольцо Это фактор-кольцо изоморфно комплексным числам, а переменная выражает мнимую единицу.

Графическое представление

Комплексные числа можно представить графически, изобразив прямую 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 с комплексным числом соответствует переносу в плоскости, тогда как умножение на комплексное число единичной величины соответствует вращению вокруг начала координат. Каждое преобразование подобия плоскости можно представить комплексно-линейной функцией

Геометрическая алгебра

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 подобно линии, а бивектор — это величина, ориентированная подобно плоскости.) Квадрат любого вектора является положительным скаляром, представляющим квадрат его длины, в то время как квадрат любого бивектора является отрицательным скаляром.

Частное вектора с самим собой — это скаляр 1 = u / u , и при умножении на любой вектор оставляет его неизменным ( тождественное преобразование ). Частное любых двух перпендикулярных векторов одинаковой величины, J = u / v , которое при умножении поворачивает делитель на четверть оборота в делимое, Jv = u , является единичным бивектором, который возводится в квадрат до −1 , и, таким образом, может быть взято в качестве представителя мнимой единицы. Любая сумма скаляра и бивектора может быть умножена на вектор для его масштабирования и поворота, и алгебра таких сумм изоморфна алгебре комплексных чисел. В этой интерпретации точки, векторы и суммы скаляров и бивекторов являются различными типами геометрических объектов. [6]

В более общем смысле, в геометрической алгебре любого многомерного евклидова пространства единичный бивектор любой произвольной плоской ориентации имеет квадрат, равный −1 , поэтому его можно рассматривать как представляющий мнимую единицу i .

Правильное использование

Мнимая единица исторически была написана и все еще используется в некоторых современных работах. Однако, необходимо проявлять большую осторожность при манипулировании формулами, включающими радикалы . Обозначение знака радикала зарезервировано либо для главной функции квадратного корня, которая определена только для вещественного x ≥ 0, либо для главной ветви комплексной функции квадратного корня. Попытка применить правила вычисления главной (вещественной) функции квадратного корня для манипулирования главной ветвью комплексной функции квадратного корня может привести к ложным результатам: [7]

Как правило, правила расчета и гарантированно действительны только для действительных положительных значений x и y . [8] [9] [10]

Когда x или y действительны, но отрицательны, этих проблем можно избежать, записывая и манипулируя выражениями типа , а не . Более подробное обсуждение см. в статьях Квадратный корень и Точка ветвления .

Характеристики

Как комплексное число, мнимая единица подчиняется всем правилам комплексной арифметики .

Мнимые целые числа и мнимые числа

При многократном добавлении или вычитании мнимой единицы результатом является некоторое целое число , умноженное на мнимую единицу, т. е. мнимое целое число ; любые такие числа можно сложить, и результатом также будет мнимое целое число:

Таким образом, мнимая единица является генератором группы по сложению, 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 , мнимой оси , которая как часть комплексной плоскости обычно рисуется с вертикальной ориентацией, перпендикулярной действительной оси, которая рисуется горизонтально.

Гауссовы целые числа

Целочисленные суммы действительной единицы 1 и мнимой единицы i образуют квадратную решетку в комплексной плоскости, называемую гауссовыми целыми числами . Сумма, разность или произведение гауссовых целых чисел также является гауссовым целым числом:

Вращение на четверть оборота

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,

Целые степени

Степени i повторяются в цикле, который можно выразить с помощью следующего шаблона, где n — любое целое число:

Таким образом, при умножении i является генератором циклической группы порядка 4, дискретной подгруппы непрерывной круговой группы единичных комплексных чисел при умножении.

Записано как частный случай формулы Эйлера для целого числа n :

При тщательном выборе ветвей и главных значений это последнее уравнение может также применяться к произвольным комплексным значениям n , включая такие случаи, как n = i . [ требуется ссылка ]

Корни

Два квадратных корня i в комплексной плоскости

Как и все ненулевые комплексные числа, имеет два различных квадратных корня , которые являются аддитивными обратными . В полярной форме они

В прямоугольной форме они [a]

Возведение любого выражения в квадрат дает

Три кубических корня из i в комплексной плоскости

Три кубических корня из i равны [12]

Для общего положительного целого числа n корни степени n из i равны, для k = 0, 1, ..., n − 1, Значение, связанное с k = 0, является главным корнем степени n из i . Набор корней равен соответствующему набору корней из единицы, повернутых главным корнем степени n из i . Это вершины правильного многоугольника , вписанного в комплексную единичную окружность .

Экспонента и логарифм

Комплексная экспоненциальная функция связывает комплексное сложение в области с комплексным умножением в кодомене. Действительные значения в области представляют масштабирование в кодомене (умножение на действительный скаляр), где 1 представляет умножение на e , в то время как мнимые значения в области представляют вращение в кодомене (умножение на единичное комплексное число), где i представляет вращение 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 , действительным кратным решетки 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 раскладывает экспоненту мнимого числа, представляющего поворот:

Этот факт можно использовать, помимо прочего, для демонстрации, по-видимому, противоречащего интуиции результата, который является действительным числом. [13]

Частное coth z = cosh z / sinh z при соответствующем масштабировании можно представить в виде разложения бесконечной дроби как суммы обратных функций, преобразованных в мнимые целые числа: [14]

Другие функции, основанные на комплексной экспоненте, хорошо определены с мнимыми входами. Например, число, возведенное в степень ni, равно:

Поскольку экспонента является периодической, ее обратная функция комплексный логарифм является многозначной функцией , причем каждое комплексное число в области соответствует нескольким значениям в области значений, отделенным друг от друга любым целым числом, кратным 2 πi . Один из способов получения однозначной функции — рассматривать область значений как цилиндр , а комплексные значения, разделенные любым целым числом, кратным 2 πi, рассматривать как одно и то же значение; другой способ — взять область значений как риманову поверхность, состоящую из нескольких копий комплексной плоскости, сшитых вместе вдоль отрицательной действительной оси как разрез ветви , причем каждая ветвь в области значений соответствует одной бесконечной полосе в области значений. [15] Функции, зависящие от комплексного логарифма, поэтому зависят от тщательного выбора ветви для четкого определения и оценки.

Например, если выбрать любую ветвь, то когда x — положительное действительное число,

Факториал

Факториал мнимой единицы i чаще всего задается в терминах гамма-функции, оцененной по формуле 1 + i : [16]

Величина и аргумент этого числа таковы: [17]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Чтобы найти такое число, можно решить уравнение ( x + iy ) 2 = i , где x и y — действительные параметры, которые необходимо определить, или, что эквивалентно, x 2 + 2 ixy - y 2 = i . Поскольку действительные и мнимые части всегда разделены, мы перегруппируем члены, x 2 - y 2 + 2 ixy = 0 + i . Приравнивая коэффициенты , разделяя действительную часть и мнимую часть, мы получаем систему из двух уравнений: Подставляя в первое уравнение, получаем Поскольку x — действительное число, это уравнение имеет два действительных решения для x и . Подставляя любой из этих результатов в уравнение 2 xy = 1 по очереди, мы получим соответствующий результат для y . Таким образом, квадратные корни из i — это числа и . [11]

Ссылки

  1. ^ Стаббингс, Джордж Вилфред (1945). Элементарные векторы для инженеров-электриков . Лондон: I. Pitman. С. 69.
    Боас, Мэри Л. (2006). Математические методы в физических науках (3-е изд.). Нью-Йорк [ua]: Wiley. стр. 49. ISBN 0-471-19826-9.
  2. Сильвер, Дэниел С. (ноябрь–декабрь 2017 г.). «Новый язык математики». American Scientist . 105 (6): 364–371. doi :10.1511/2017.105.6.364.
  3. ^ "мнимое число" . Оксфордский словарь английского языка (Электронная правка). Oxford University Press . (Требуется подписка или членство в участвующем учреждении.)
  4. ^ Бойер, Карл Б .; Мерцбах, Ута К. (1991). История математики. John Wiley & Sons . С. 439–445. ISBN 978-0-471-54397-8.
  5. ^ Доксиадес, Апостолос К.; Мазур, Барри (2012). Круги нарушены: взаимодействие математики и повествования (иллюстрированное издание). Princeton University Press. стр. 225. ISBN 978-0-691-14904-2– через Google Книги.
  6. ^ Интерпретация мнимой единицы как отношения двух перпендикулярных векторов была предложена Германом Грассманом в предисловии к его Ausdehnungslehre 1844 года; позднее Уильям Клиффорд понял, что это отношение можно интерпретировать как бивектор.
    Хестенес, Дэвид (1996). «Видение Грассмана» (PDF) . В Шубринге, Г. (ред.). Герман Гюнтер Грассманн (1809–1877) . Спрингер. дои : 10.1007/978-94-015-8753-2_20.
  7. ^ Банч, Брайан (2012). Математические заблуждения и парадоксы (иллюстрированное издание). Courier Corporation. стр. 31-34. ISBN 978-0-486-13793-3– через Google Книги.
  8. ^ Крамер, Артур (2012). Математика для электричества и электроники (4-е изд.). Cengage Learning. стр. 81. ISBN 978-1-133-70753-0– через Google Книги.
  9. ^ Пиччиотто, Анри; Ва, Анита (1994). Алгебра: темы, инструменты, концепции (ред. для учителей). Анри Пиччиотто. стр. 424. ISBN 978-1-56107-252-1– через Google Книги.
  10. ^ Нахин, Пол Дж. (2010). Воображаемая история: история «i» [квадратный корень из минус одного]. Princeton University Press. стр. 12. ISBN 978-1-4008-3029-9– через Google Книги.
  11. ^ "Чему равен квадратный корень из i?". Сеть математики Университета Торонто . Получено 26 марта 2007 г.
  12. ^ Зилл, Деннис Г.; Шанахан, Патрик Д. (2003). Первый курс комплексного анализа с приложениями. Бостон: Джонс и Бартлетт. С. 24–25. ISBN 0-7637-1437-2. OCLC  50495529.
  13. ^ "i в степени i — это действительное число — математические забавные факты". math.hmc.edu . Получено 22 августа 2024 г.
  14. ^ Эйлер выразил разложение тригонометрического котангенса на части как
    Варадараджан, ВС (2007). «Эйлер и его работа о бесконечных рядах». Бюллетень Американского математического общества . Новая серия. 44 (4): 515–539. doi : 10.1090/S0273-0979-07-01175-5 .
  15. ^ Gbur, Greg (2011). Математические методы для оптической физики и техники. Cambridge University Press. С. 278–284. ISBN 978-0-511-91510-9.
  16. ^ Иван, М.; Торнбер, Н.; Коуба, О.; Консталес, Д. (2013). «Arggh! Факториал глаза . . . Arg(i!)». American Mathematical Monthly . 120 : 662–665. doi :10.4169/amer.math.monthly.120.07.660. S2CID  24405635.
    Слоан, NJA (ред.). "Десятичное разложение действительной части i!", последовательность A212877; и "Десятичное разложение отрицаемой мнимой части i!", последовательность A212878. Онлайновая энциклопедия целочисленных последовательностей . Фонд OEIS.
  17. ^ Sloane, NJA (ред.). "Десятичное разложение абсолютного значения i!", последовательность A212879; и "Десятичное разложение отрицаемого аргумента i!", последовательность A212880. Онлайновая энциклопедия целочисленных последовательностей . Фонд OEIS.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки