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]
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 ).
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 ).
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 .
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.
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.
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
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 .
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 .
Как комплексное число, мнимая единица подчиняется всем правилам комплексной арифметики .
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.
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:
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 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 ]
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 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 .
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 мнимой единицы i чаще всего задается в терминах гамма-функции, оцененной по формуле 1 + i : [16]
Величина и аргумент этого числа таковы: [17]