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复数

复数由实部和虚部组成,扩展了实数运算,为代数、几何、振荡和量子理论提供统一的语言。

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数实数算术域(数学)几何学向量空间欧几里得距离三角学复数

复数是可以表示为 z=a+biz=a+bi 的数,其中 aa 和 bb 是实数,ii 是虚数单位,满足 i2=−1i^2=-1。aa 和 bb 分别称为 zz 的实部和虚部;虚部是 bb,而不是 bibi。复数集记作 C\mathbb C。实数是其中 b=0b=0 的特殊情形;在复数范围内,z2+1=0z^2+1=0 等方程也有解。(ocw.mit.edu)

算术运算与代数结构

两个复数相等,当且仅当它们的实部和虚部分别相等。加法和减法分别对实部、虚部进行运算,乘法则遵循通常的分配律,并利用 i2=−1i^2=-1:

(a+bi)+(c+di)=(a+c)+(b+d)i,(a+bi)+(c+di)=(a+c)+(b+d)i,
(a+bi)(c+di)=(ac−bd)+(ad+bc)i.(a+bi)(c+di)=(ac-bd)+(ad+bc)i.

例如,(2+3i)(1−i)=5+i(2+3i)(1-i)=5+i。这些运算仍满足算术中熟悉的结合律、交换律和分配律。(ocw.mit.edu)

z=a+biz=a+bi 的共轭复数是 z‾=a−bi\overline z=a-bi。由于

zz‾=a2+b2,z\overline z=a^2+b^2,

每个非零复数都有倒数

1z=z‾a2+b2.\frac1z=\frac{\overline z}{a^2+b^2}.

因此,复数除法可以通过将分子和分母同时乘以分母的共轭复数来进行。除以零仍然没有定义。(ocw.mit.edu)

在这些运算下,C\mathbb C 构成一个域(数学)。复数也可以用实数的有序对来严格构造,其乘法定义为

(a,b)(c,d)=(ac−bd,ad+bc).(a,b)(c,d)=(ac-bd,ad+bc).

在这一构造中,i=(0,1)i=(0,1)。这表明,复数的定义并不依赖于将负数的平方根当作一个未经解释的符号。(math.mit.edu)

几何表示

复平面用点 (a,b)(a,b) 表示 a+bia+bi,其中实轴为水平轴,虚轴为竖直轴。复数加法对应于向量加法,取共轭则对应于将点关于实轴作镜像反射。这将复数运算与几何学联系起来,也使 C\mathbb C 成为一个二维实向量空间。(ocw.mit.edu)

复数的模,也称绝对值,定义为

∣z∣=a2+b2.|z|=\sqrt{a^2+b^2}.

它表示对应点到原点的距离;类似地,∣z−w∣|z-w| 是复平面上两点之间的欧几里得距离。当 z≠0z\ne0 时,辐角 θ\theta 表示它相对于实轴正方向的角度。相差 2π2\pi 整数倍的辐角表示同一方向。零的模为零,但辐角没有定义。(ocw.mit.edu)

利用三角学,非零复数可以写成极坐标形式

z=r(cos⁡θ+isin⁡θ),r=∣z∣.z=r(\cos\theta+i\sin\theta),\qquad r=|z|.

欧拉公式

eiθ=cos⁡θ+isin⁡θe^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta

给出了等价的指数形式 z=reiθz=re^{i\theta}。相乘时,模相乘、辐角相加;相除时,模相除、辐角相减。特别地,乘以 ii 相当于在平面上逆时针旋转 90∘90^\circ。(ocw.mit.edu)

乘方、开方与多项式方程

借助棣莫弗公式,极坐标形式可以简化乘方运算:

[r(cos⁡θ+isin⁡θ)]n=rn(cos⁡nθ+isin⁡nθ).[r(\cos\theta+i\sin\theta)]^n =r^n(\cos n\theta+i\sin n\theta).

对于正整数 nn,每个非零复数 z=reiθz=re^{i\theta} 恰有 nn 个不同的 nn 次方根:

r1/nei(θ+2πk)/n,k=0,…,n−1.r^{1/n}e^{i(\theta+2\pi k)/n}, \qquad k=0,\ldots,n-1.

这些根均匀分布在一个圆周上。单位根对应于 z=1z=1 的特殊情形;四次单位根为 1,i,−1,−i1,i,-1,-i。(ocw.mit.edu)

代数基本定理指出,每个复系数的非常数多项式都有复数根。因此,一个 nn 次多项式可以在 C\mathbb C 上分解为 nn 个一次因式,其中重根按其重数计入。这一性质称为代数闭性。对于实系数多项式,非实数根成共轭对出现,因为对方程取共轭不会改变其系数。(math.wustl.edu)

复变函数与复分析

复分析研究以复数为自变量的函数。其核心概念是复可微性:无论 hh 在平面上从哪个方向趋近于零,导数

f′(z)=lim⁡h→0f(z+h)−f(z)hf'(z)=\lim_{h\to0}\frac{f(z+h)-f(z)}h

都必须具有相同的值。如果一个函数在某个开区域内处处复可微,就称它在该区域内全纯。(math.wustl.edu)

对于 f=u+ivf=u+iv,复可微性要求满足柯西–黎曼方程,即 ux=vyu_x=v_y 和 uy=−vxu_y=-v_x。全纯函数还具有很强的性质:它们存在各阶导数,并且在局部可以表示为收敛的幂级数。这些特点使复微分与普通的实微分有所不同。(math.berkeley.edu)

历史发展

复数起源于16世纪对三次方程的研究。吉罗拉莫·卡尔达诺的《大术》(1545年)包含了涉及负数平方根的计算。拉斐尔·邦贝利的《代数学》(1572年)提出了处理这些数的运算规则,并展示了含复数的中间表达式如何得出实数解。后来出现的几何表示,尤其是韦塞尔、阿尔冈和卡尔·弗里德里希·高斯等人的工作,帮助确立了将复数解释为平面上点的观点。(math.mit.edu)

应用

在电气工程中,复阻抗和相量同时表示正弦电压与电流的大小和相位。为避免与电流符号混淆,通常用 jj 代替 ii。复指数也是傅里叶变换的基础;傅里叶变换用频率分量表示信号。复指数还可以简化对描述振荡的微分方程的处理。(ocw.mit.edu)

在量子力学中,波函数通常取复数值。在位置表象中,波函数的模平方给出位置的概率密度,而相对相位则影响干涉。因此,复数量包含了仅凭实部或模无法保留的信息。(live.ocw.mit.edu)