Liczby zespolone.html

Liczby zespolone – liczby uzyskane jako rozszerzenie ciała liczb rzeczywistych o jednostkę urojoną $i$ spełniającą warunek

i 2 = - 1

Każda liczba zespolona może być zapisana jako liczba postaci

a + b i

gdzie $a, b$ są liczbami rzeczywistymi nazywanymi odpowiednio częścią rzeczywistą oraz częścią urojoną.

Liczby zespolone stanowią ciało, określone są więc dla nich działania dodawania, odejmowania, mnożenia i dzielenia. Działania są rozszerzeniem odpowiednich działań w liczbach rzeczywistych i mają wiele eleganckich i użytecznych własności, np. ujemne liczby rzeczywiste mogą być uzyskane przez podniesienie do kwadratu (urojonych) liczb zespolonych.

Liczby zespolone mogą być przedstawione jako pary liczb tworzące wektor na płaszczyźnie zespolonej

edytuj Postać algebraiczna (kanoniczna)

Postać $a + b i$ nazywa się postacią algebraiczną liczby zespolonej.

Występująca tu jednostka urojona $i$ spełnia z definicji równość $i 2 = - 1$ . Spotykany czasami, a pochodzący od tej równości zapis $i = \sqrt{-1}$ jest niepoprawny, gdyż istnieją dwa pierwiastki algebraiczne z liczby $- 1$ , mianowicie $i$ oraz $- i$ .

Dla liczb zespolonych postaci $z = a + b i$ mamy:

$\operatorname{re}\;z \equiv \Re z = a$ nazywane częścią rzeczywistą,
$\operatorname{im}\;z \equiv \Im z = b$ nazywane częścią urojoną.

Przykładowo liczba $7 - 5 i$ jest liczbą zespoloną, której część rzeczywista wynosi $7$ , a część urojona $- 5$ . Każdą liczbę rzeczywistą można uważać za liczbę zespoloną o części urojonej równej $0$ .

Dwie liczby zespolone zapisane w postaci algebraicznej są równe, gdy odpowiednio ich części rzeczywiste i urojone są sobie równe.

Liczby postaci $z = 0 + b i$ określa się czasami mianem liczb urojonych.

edytuj Zapis alternatywny

W zastosowaniach fizycznych, elektrycznych, elektrotechnicznych itp. zapis $z = a + b i$ może okazać się mylący z powodu wykorzystywania w tych dziedzinach litery $i$ do innych celów, np. chwilowego natężenia prądu elektrycznego. Dlatego też stosuje się zapis niepowodujący podobnych kłopotów, mianowicie $z = a + j b$ , w którym to $j$ oznacza jednostkę urojoną.

Wykres funkcji
ƒ(x) =(x² − 1)(x − 2 − i)²/(x² + 2 + 2i) wykonany za pomocą techniki kolorowania dziedziny. Odcień oznacza argument funkcji, zaś nasycenie reprezentuje jej moduł.

edytuj Równość

Dwie liczby zespolone są równe wtedy i tylko wtedy, gdy ich części rzeczywiste i urojone są sobie równe. Innymi słowy, liczby zespolone postaci $a + b i$ oraz $c + d i$ są sobie równe, jeśli $a = c$ oraz $b = d$ .

edytuj Działania

Dodawanie, odejmowanie i mnożenie liczb zespolonych w postaci algebraicznej wykonuje się tak samo jak odpowiednie operacje na wyrażeniach algebraicznych; należy tylko pamiętać o równości $i 2 = - 1$ :

$(a + bi) \pm (c + di) = (a \pm c) + (b \pm d)i$ ,
$(a + bi)(c + di) = ac + (bc + ad)i + bd i^2 = (ac - bd) + (bc + ad)i\,\!$ .

Aby podzielić przez siebie dwie liczby zespolone, wystarczy pomnożyć dzielną i dzielnik przez liczbę sprzężoną do dzielnika (analogicznie do usuwania niewymierności z mianownika w wyrażeniach algebraicznych):

${a + bi \over c + di} = {(a + bi)(c - di) \over {(c + di)(c - di)}} = {(ac + bd) + (bc - ad)i \over c^2 + d^2}$

edytuj Płaszczyzna zespolona

Zobacz więcej w osobnym artykule: płaszczyzna zespolona.

Liczbom zespolonym można przyporządkować wzajemnie jednoznacznie wektory na płaszczyźnie (zob. sekcję formalna konstrukcja), podobnie jak utożsamia się wektory na prostej z liczbami rzeczywistymi (w obu przypadkach można utożsamiać również same punkty, gdyż wspomniane wektory zaczepia się w początku układów współrzędnych).

Każdej więc liczbie zespolonej $z = a + b i$ można przyporządkować wektor $\vec z = (a, b)$ i odwrotnie. Działania dodawania i mnożenia w liczbach zespolonych odpowiadają następującym działaniom na wektorach:

$(a, b) + (c, d) = (a + c, b + d)$ ,
$(a, b)(c, d) = (a c - b d, b c + a d)$ .

Tak określoną płaszczyznę określa się mianem płaszczyzny zespolonej. Interpretacja ta, dla której w specjalny sposób określono mnożenie, znana była już pod koniec XVIII wieku Wesselowi, mimo to przez długi czas jej autorstwo przypisywało się Argandowi, stąd też wspomnianą płaszczyzną nazywa się również płaszczyzną Arganda. Inną spotykaną nazwą jest też płaszczyzna Gaussa.

edytuj Moduł

Zobacz więcej w osobnym artykule: moduł liczby zespolonej.

Zauważmy, iż długość wektora $\vec z$ jest równa z twierdzenia Pitagorasa $|\vec z| = \sqrt{a^2 + b^2}$ . Dla liczby $z$ moduł definiujemy jako $|z| = \sqrt{a^2 + b^2} \geqslant 0$ . Moduł liczby zespolonej ma analogiczne własności do wartości bezwzględnej liczby rzeczywistej spełniając przy tym definicję normy.

edytuj Argument

Zobacz więcej w osobnym artykule: argument liczby zespolonej.

Niech $φ$ oznacza kąt, który wektor $\vec z$ tworzy z prostą $\operatorname{Re}$ , oznaczmy go przez $\arg z$ . Jest to tzw. argument. Widać, iż $\sin \phi = \tfrac{b}{|z|}$ i $\cos \phi = \tfrac{a}{|z|}$ . Liczba zespolona różna od zera ma nieskończenie wiele argumentów, choć tylko jeden moduł.

Argument liczby $z$ spełniający nierówność $0 \leqslant \arg z < 2\pi$ (czasami też równoważnie $-\pi < \arg z \leqslant \pi$ ) oznacza się przez $\operatorname{Arg}\ z$ i nazywa argumentem głównym (wartością główną argumentu). W ten sposób $\operatorname{Arg}$ jest już funkcją na jeden z powyższych zbiorów nieokreśloną jedynie dla $z = 0 \iff |z| = 0$ . Dla liczb rzeczywistych argument główny jest równy zeru dla liczb dodatnich oraz $π$ dla ujemnych.

edytuj Postać trygonometryczna

Zobacz więcej w osobnym artykule: współrzędne biegunowe.

Liczba zespolona może być zatem wyrażona przez długość jej wektora (moduł) oraz jego kąt skierowany (argument):

$z = a + bi = |z|\tfrac{a}{|z|} + |z|\tfrac{b}{|z|}i = |z|(\cos \phi + i\sin \phi)$ .

Powyższą postać liczby zespolonej nazywa się postacią trygonometryczną (z powodu użycia funkcji trygonometrycznych), biegunową (jest przedstawieniem liczby zespolonej we współrzędnych biegunowych) lub geometryczną (prowadzi do geometrycznej interpretacji liczb zespolonych na płaszczyźnie). Warto zauważyć, że postać algebraiczna odpowiada współrzędnym prostokątnym.

Liczby zespolone w postaci trygonometrycznej są równe, gdy ich moduły i argumenty są równe, tj. $v = a + b i$ oraz $w = c + d i$ są równe, gdy

$|v| = \sqrt{a^2 + b^2} = \sqrt{c^2 + d^2} = |w|$ oraz

$\operatorname{Arg}\;v = \operatorname{Arg}\;w$ .

Wzory pozwalające na przejście od postaci trygonometrycznej do algebraicznej są oczywiste:

$\begin{cases}a = |z|\cos \phi \\ b = |z|\sin \phi \end{cases}$ .

Przejście odwrotne jest nieco bardziej skomplikowane:

$|z| = \sqrt{x^2 + y^2}$ ,

$\phi = \begin{cases} \operatorname{arctg}\;\tfrac{y}{x}, & \mbox{dla } x > 0 \\ \operatorname{arctg}\;\tfrac{y}{x} + \pi, & \mbox{dla } x < 0 \mbox{ oraz } y \geqslant 0 \\ \operatorname{arctg}\;\tfrac{y}{x} - \pi, & \mbox{dla } x < 0 \mbox{ oraz } y < 0 \\ +\tfrac{\pi}{2}, & \mbox{dla } x = 0 \mbox{ oraz } y > 0 \\ -\tfrac{\pi}{2}, & \mbox{dla } x = 0 \mbox{ oraz } y < 0 \\ \mathrm{niezdefiniowane}, & \mbox{dla } x = 0 \mbox{ oraz } y = 0 \end{cases}$ .

Powyższy wzór posiada dużo przypadków, jednakże w wielu językach programowania istnieje wariant funkcji arcus tangens, często nazywany arctan2, który przetwarza je wewnętrznie. Wzór korzystający z funkcji arcus cosinus wymaga mniejszej liczby przypadków:

$\phi = \begin{cases} +\arccos \tfrac{a}{|z|}, & \mbox{dla } b \geqslant 0 \mbox{ oraz } |z| \ne 0 \\ -\arccos \tfrac{a}{|z|}, & \mbox{dla } b < 0 \\ \mathrm{niezdefiniowane}, & \mbox{dla } |z| = 0 \end{cases}$ .

edytuj Mnożenie

Warto zwrócić uwagę na mnożenie liczb w postaci trygonometrycznej, niech

x = | x | (cosα + i sinα)

y = | y | (cosβ + i sinβ)

Wówczas iloczyn

$x \cdot y = (|x| \cos \alpha \cdot |y|\cos \beta - |x|\sin \alpha \cdot |y| \sin \beta) + (i|x|\sin \alpha \cdot |y|\cos \beta + i|x|\cos \alpha |y|\sin \beta)$ .

Stosując odpowiednie tożsamości trygonometryczne otrzymujemy ostatecznie

$x \cdot y = |x| \cdot |y|\left(\cos (\alpha + \beta) + i\sin (\alpha + \beta)\right)$ ,

co oznacza, że iloczyn dwóch liczb zespolonych posiada moduł będący iloczynem modułów mnożników oraz argument równy sumie argumentów mnożonych liczb.

Mnożenie przez $i$ można zinterpretować jako obrót płaszczyzny o kąt $\frac{\pi}{2}$ .

edytuj Wzór de Moivre'a

Zobacz więcej w osobnym artykule: wzór de Moivre'a.

Potęgowanie za pomocą mnożenia liczb zespolonych w postaci algebraicznej prowadzi do obliczenia wartości wyrażenia $(a + b i) n$ dla danego wykładnika $n$ przy warunku $i 2 = - 1$ . Mimo że można korzystać z własności trójkąta Pascala, to porządkowanie tego wyrażenia może okazać się czasochłonne. Zwykle działanie to łatwiej przeprowadzić w postaci trygonometrycznej.

Rozpatrzmy $z = | z | (cosφ + i sinφ)$ . Na podstawie reguły indukcji matematycznej zachodzi wzór

z n = | z | n (cosφ + i sinφ) n = | z | n (cos n φ + i sin n φ)

Powyższy wzór jest również pomocny przy obliczaniu $n$ -tej potęgi funkcji $sin$ i $cos$ – należy wówczas obliczyć $z n$ przy $| z | = 1$ .

edytuj Pierwiastkowanie

Zobacz więcej w osobnym artykule: pierwiastek algebraiczny.

Wzór de Moivre'a jest prawdziwy również dla liczb wymiernych. Każda liczba zespolona $z \ne 0$ posiada $n$ różnych pierwiastków $n$ -tego stopnia:

$z_k = \sqrt[n]{|z|}\left(\cos \tfrac{\phi + 2k\pi}{n} + i\sin \tfrac{\phi + 2k\pi}{n}\right)$ , gdzie $k = 0,1, \dots, n - 1$ oraz

φ = arg(z)

edytuj Postać wykładnicza

Rozpatrzmy liczbę $z = | z | (cosφ + i sinφ)$ wyrażając funkcje $sin$ i $cos$ za pomocą funkcji wykładniczej (zob. wzory Eulera):

$\sin \psi = {e^{i\psi} - e^{-i\psi} \over 2i}$

$\cos \psi = {e^{i\psi} + e^{-i\psi} \over 2}$

Mamy $\cos \psi + i\sin \psi = {e^{i\psi} + e^{-i\psi} \over 2} + i{e^{i\psi} - e^{-i\psi} \over 2i} = {{e^{i\psi} + e^{-i\psi} + e^{i\psi} - e^{-i\psi}} \over 2} = e^{i\psi}$ .

Zatem ostatecznie $z = | z | (cosφ + i sinφ) = | z | e i φ$ .

Pierwiastki zespolone wyrażają się wówczas wzorem

$z_k = \sqrt[n]{|z|}\ e^{i\tfrac{\phi + 2k\pi}{n}}$ dla $k = 0,1, \dots, n - 1$ .

edytuj Sprzężenie

Zobacz więcej w osobnym artykule: sprzężenie zespolone.

Niech $z = a + b i = | z | (cosφ + i sinφ) = | z | e i φ$ . Bardzo ważną operacją jest sprzężenie liczby zespolonej, jest ona najprostsza dla liczby w postaci algebraicznej:

$\overline z = a - bi$

Działanie to powoduje odbicie wektora liczby zespolonej względem osi $O X$ płaszczyzny zespolonej. Zatem liczba w postaci trygonometrycznej zachowa moduł, lecz jej argument ulegnie zmianie na $2π - φ$ lub równoważnie – zmieni on znak na przeciwny. Skoro postać wykładnicza również zależy od modułu oraz argumentu, ta sama obserwacja dotyczy i jej. Prawdą jest też, że sprzężenie liczby rzeczywistej (liczby zespolonej o zerowej części urojonej) jest równe tej liczbie.

Sprzężenie przeprowadza izomorficznie ciało liczb zespolonych na siebie, jest zatem automorfizmem. Oprócz tożsamości jest to jedyny ciągły automorfizm tego ciała, moc zbioru nieciągłych automorfizmów wynosi zaś $2^\mathfrak c$ . Działanie sprzężenia zespolonego jest inwolucją: $\overline{(\overline z)} = z$ .

edytuj Relacja porządku

Choć można sztucznie wprowadzić jakiś porządek liczb zespolonych (np. porządek leksykograficzny), to jednak taka relacja nie została określona i szerzej przyjęta. Nie da się bowiem sformułować jej w taki sposób, aby w zbiorze liczb zespolonych spełniała aksjomaty ciała uporządkowanego, jak w przypadku liczb rzeczywistych. Tak więc nie da się określić, która z dwóch liczb jest większa lub mniejsza. Można natomiast porównywać ich moduły oraz argumenty (główne), gdyż zarówno moduł jak i argument liczby zespolonej są liczbami rzeczywistymi.

edytuj Przykłady

Przedstawmy liczbę $u = (1, \sqrt{3})$ (zob. sekcję dot. konstrukcji) w postaciach: algebraicznej, trygonometrycznej (biegunowej) i wykładniczej obliczając za każdym razem jej sprzężenie.

Postać algebraiczna:

$u = 1 + i\sqrt 3$ ,

$\overline u = 1 - i\sqrt 3$ .

Obliczamy

$|u| = |1 + i\sqrt 3| = \sqrt{1 + 3} = \sqrt 4 = 2$ ,

$\cos \arg u = \cos \arg\left(1 + i\sqrt 3\right) = \tfrac{1}{2}$ ,

$\sin \arg u = \sin \arg\left(1 + i\sqrt 3\right) = \tfrac{\sqrt 3}{2}$ ,

$\arg u = \arg\left(1 + i\sqrt 3\right) = \tfrac{\pi}{3}$ .

Stąd postać trygonometryczna $u$ oraz $\overline u$ to

$u = 2\left(\cos \tfrac{\pi}{3} + i\sin \tfrac{\pi}{3}\right)$ ,

$\overline u = 2\left(\cos \tfrac{5\pi}{3} + i\sin \tfrac{5\pi}{3}\right)$ ,
zaś wykładnicza

$u = 2e^\tfrac{\pi i}{3}$ ,

$\overline u = 2e^\tfrac{5\pi i}{3}$ .

edytuj Konstrukcje i własności

edytuj Konstrukcja Hamiltona

Zobacz więcej w osobnym artykule: Aksjomaty i konstrukcje liczb#Liczby zespolone.

Następująca formalna definicja liczb zespolonych pochodzi od Hamiltona, matematyka irlandzkiego.

W iloczynie kartezjańskim $\mathbb R^2$ wprowadza się działania dodawania i mnożenia:

$(a, b) + (c, d) = (a + c, b + d)$ ,
$(a, b) \cdot (c, d) = (ac - bd, ad + bc)$ ,

gdzie $a, b, c, d \in \mathbb R$ .

Tak określona struktura $(\mathbb R^2, +, \cdot)$ jest ciałem zwanym ciałem liczb zespolonych oznaczanym symbolem $\mathbb C$ (od ang. complex – złożony)^[1]. Wówczas $i$ odpowiada wektorowi $(0,1)$ .

edytuj Ciało

Ciało to struktura algebraiczna z działaniami dodawania, odejmowania, mnożenia i dzielenia, która spełnia określone prawa algebraiczne. Liczby zespolone jako ciało w szczególności mają więc:

element neutralny dodawania („zero”), $0 + 0 i$ ,
element neutralny mnożenia („jedynka”), $1 + 0 i$ ,
element odwrotny dodawania (element przeciwny) dla każdej liczby zespolonej, dla liczby $a + b i$ jest nim $- a - b i$ ,
element odwrotny mnożenia (odwrotność) dla dowolnej niezerowej liczby zespolonej, dla liczby $a + b i$ jest nim $\tfrac{a}{a^2 + b^2} + \tfrac{-b}{a^2+b^2}i$ .

Innymi ciałami są liczby rzeczywiste i liczby wymierne. Utożsamienie każdej liczby rzeczywistej $a$ z liczbą zespoloną $a + 0 i$ sprawia, że liczby rzeczywiste $\mathbb R$ stają się podciałem $\mathbb C$ .

Liczby zespolone $\mathbb C$ mogą być scharakteryzowane również jako domknięcie topologiczne liczb algebraicznych oraz jako domknięcie algebraiczne $\mathbb R$ , co opisano dalej.

edytuj Reprezentacja macierzowa

Chociaż niezbyt użyteczne, alternatywne reprezentacje ciała liczb zespolonych mogą dać pewien wgląd w jego naturę. Jedna ze szczególnie eleganckich reprezentacji przedstawia każdą liczbę zespoloną jako 2×2-macierz o współczynnikach rzeczywistych, które rozciągają i obracają punkty (wektory) płaszczyzny. Każda taka macierz jest postaci

$\begin{bmatrix} a & -b \\ b & \;\; a \end{bmatrix}$ ,

gdzie $a, b \in \mathbb R$ . Suma i iloczyn dwóch takich macierzy także ma tę postać, a działanie mnożenia macierzy tego typu jest przemienne. Każda niezerowa macierz tego typu jest odwracalna, a jej odwrotność także ma tę postać. Stąd macierze tego typu są ciałem izomorficznym z ciałem liczb zespolonych. Każda taka macierz może być zapisana jako

$\begin{bmatrix} a & -b \\ b & \;\; a \end{bmatrix} = a \begin{bmatrix} 1 & \;\; 0 \\ 0 & \;\; 1 \end{bmatrix} + b \begin{bmatrix} 0 & -1 \\ 1 & \;\; 0 \end{bmatrix}$ ,

co sugeruje, że liczba rzeczywista $1$ powinna być utożsamiana z macierzą identycznościową

$\begin{bmatrix} 1 & \;\; 0 \\ 0 & \;\; 1 \end{bmatrix}$ ,

a jednostka urojona $i$ z

$\begin{bmatrix} 0 & -1 \\ 1 & \;\; 0 \end{bmatrix}$ ,

obrotem o $90^\circ$ w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Kwadrat drugiej z macierzy rzeczywiście jest równy 2×2-macierzy reprezentującej $- 1$ .

Kwadrat modułu liczby zespolonej wyrażonej jako macierz jest równy wyznacznikowi tej macierzy.

$|z|^2 = \begin{vmatrix} a & -b \\ b & \;\; a \end{vmatrix} = a^2 - (-b)b = a^2 + b^2$ .

Jeżeli macierz postrzegana jest jako przekształcenie płaszczyzny, to obraca ono punkty o kąt równy argumentowi liczby zespolonej i skaluje o wspólczynnik równy modułowi liczby zespolonej. Sprzężenie liczby zespolonej $z$ odpowiada przekształceniu, które obraca o ten sam kąt, co $z$ , lecz w przeciwnym kierunku i skaluje w ten sam sposób, co $z$ ; może to być oddane jako transpozycja macierzy odpowiadającej $z$ .

Jeżeli elementy macierzy same są liczbami zespolonymi, to powstała w ten sposób algebra może być utożsamiana z kwaternionami. Innymi słowy, ta reprezentacja macierzowa jest sposobem wyrażenia konstrukcji Cayleya-Dicksona algebr.

Istnieją dwa wektory własne 2×2-macierzy reprezentującej liczbę zespoloną: rzeczona liczba zespolona i jej sprzężenie.

edytuj Rzeczywista przestrzeń liniowa

Ciało $\mathbb C$ jest dwuwymiarową rzeczywistą przestrzenią liniową. W przeciwieństwie jednak do liczb rzeczywistych, liczby zespolone nie mogą być w żaden sposób uporządkowane liniowo tak, by było to zgodne z działaniami arytmetycznymi w nich określonymi: $\mathbb C$ nie może być przekształcone w ciało uporządkowane. Ogólniej: żadne ciało zawierające pierwiastek z $- 1$ nie może być uporządkowane.

$\mathbb R$ -liniowe przekształcenie $\mathbb C \to \mathbb C$ są w ogólności postaci

$f(z) = az + b\overline z$ ,

gdzie $a, b$ są współczynnikami zespolonymi. Tylko pierwszy wyraz jest $\mathbb C$ -liniowy i tylko on jest holomorficzny, drugi jest różniczkowalny w sensie rzeczywistym, lecz nie spełnia równań Cauchy'ego-Riemanna.

Funkcja

f (z) = a z

odpowiada obrotom złożonym ze skalowaniem (która nie zmienia orientacji), zaś funkcja

$f(z) = b \overline z$

odpowiada symetriom złożonym ze skalowaniem (zmienia orientację).

edytuj Rozwiązania równań wielomianowych

Pierwiastkiem wielomianu $p$ jest liczba zespolona $z$ taka, że $p (z) = 0$ . Zaskakującym wynikiem analizy zespolonej jest to, iż wszystkie wielomiany stopnia $n$ o współczynnikach rzeczywistych lub zespolonych mają dokładnie $n$ pierwiastków zespolonych (licząc pierwiastki wielokrotnie zgodnie z ich wielokrotnością). Znany jest on jako podstawowe twierdzenie algebry i pokazuje, że liczby zespolone są ciałem algebraicznie domkniętym. Rzeczywiście, są one domknięciem algebraicznym liczb rzeczywistych, jak opisano niżej.

edytuj Konstrukcja algebraiczna

Jedna z możliwych konstrukcji $\mathbb C$ to rozszerzenie ciała liczb rzeczywistych $\mathbb R$ poprzez dodanie pierwiastka $x 2 + 1$ . Aby skonstruować to rozszerzenie, należy wziąć pierścień $\mathbb R[x]$ wielomianów o współczynnikach rzeczywistych zmiennej $x$ . Ponieważ wielomian $x 2 + 1$ jest nierozkładalny nad $\mathbb R$ , to pierścień ilorazowy $\mathbb R[x]/(x^2 + 1)$ jest ciałem. Rozszerzenie to zawiera dwa pierwiastki kwadratowe z $- 1$ ; wybiera się jeden z nich i oznacza przez $i$ . Zbiór ${1, i}$ stanowi bazę rozszerzenia nad liczbami rzeczywistymi, co oznacza, że każdy element tego rozszerzenia można zapisać w postaci $a + b i$ . Równoważnie, elementy rozszerzenia można zapisywać jako pary uporządkowane $(a, b)$ liczb rzeczywistych.

edytuj Algebraiczna domkniętość

Chociaż dodano wyłącznie pierwiastki $x 2 + 1$ , to otrzymane ciało ciało liczb zespolonych jest algebraicznie domknięte – każdy wielomian o współczynnikach w $\mathbb C$ można rozłożyć na wielomiany liniowe o współczynnikach z $\mathbb C$ . Ponieważ każde ciało ma tylko jedno, co do izomorfizmu, domknięcie algebraiczne, liczby zespolone mogą być scharakteryzowane jako domknięcie algebraiczne liczb rzeczywistych.

edytuj Charakteryzacja algebraiczna

Opisywane rozszerzenie odpowiada dobrze znanej płaszczyźnie zespolonej, lecz fakt ten charakteryzuje je wyłącznie algebraicznie. Ciało $\mathbb C$ jest scharakteryzowane co do izomorfizmu ciał przez następujące trzy własności:

jego charakterystyka wynosi $0$ ,
jego stopień przestępności nad ciałem prostym jest mocy continuum,
jest algebraicznie domknięte.

Jedną z konsekwencji tej charakteryzacji jest to, że $\mathbb C$ zawiera wiele podciał właściwych izomorficznych z $\mathbb C$ (to samo jest prawdą dla $\mathbb R$ , które zawiera wiele podciał izomorficznych do siebie). Jak opisano poniżej, aby odróżnić te podciała od samych ciał $\mathbb C$ i $\mathbb R$ wymagane są rozważania topologiczne.

edytuj Charakteryzacja topologiczna

Jak zauważono wyżej, algebraiczna charakteryzacja $\mathbb C$ nie dostarcza pewnych z jego najważniejszych własności topologicznych. Własności te są kluczowe podczas studiowania analizy zespolonej, gdzie liczby zespolone badane są jako ciało topologiczne.

Następujące własności charakteryzują $\mathbb C$ jako ciało topologiczne:^{potrzebne źródło}

$\mathbb C$ jest ciałem,
zawiera podzbiór P niezerowych elementów spełniających:
- $P$ jest zamknięte ze względu na dodawanie, mnożenie i branie elementów odwrotnych,
- jeżeli $x$ i $y$ są różnymi elementami $P$ , to tak $x - y$ , jak i $y - x$ należą do $P$ ,
- jeżeli $S$ jest niepustym podzbiorem $P$ , to $S + P = x + P$ dla pewnego $x \in P$ ,
$\mathbb C$ ma nietrywialny, będący inwolucją automorfizm $x \mapsto x^*$ , który dla ustalonego $P$ spełnia własność, że $x x *$ należy do $P$ dla dowolnego niezerowygo $x \in \mathbb C$ .

Dla danego ciała o tych własnościach można zdefiniować topologię biorąc zbiory

$B(x, p) = \{y\colon p - (y-x)(y-x)^* \in P\}$

jako bazę, gdzie $x$ przebiega to ciało, a $p$ przebiega $P$ .

Aby przekonać się, że te własności charakteryzują $\mathbb C$ jako ciało topologiczne, należy zauważyć, że $P \cup \{0\} \cup -P$ to ciało uporządkowane zupełnie w sensie Dedekinda, które może być w związku z tym utożsamiane z liczbami rzeczywistymi $\mathbb R$ poprzez jednoznacznie wyznaczony izomorfizm ciał. Z ostatniej własności łatwo wynika, że grupa Galois nad liczbami rzeczywistymi ma rząd równy dwa, co uzupełnia charakteryzację.

Lew Pontriagin pokazał, że jedynymi spójnymi lokalnie zwartymi ciałami topologicznymi są $\mathbb R$ oraz $\mathbb C$ . Fakt ten umożliwia jeszcze jedną charakteryzację $\mathbb C$ jako ciała topologicznego, ponieważ $\mathbb C$ może być odróżnione od $\mathbb R$ poprzez uwagę, iż niezerowe liczby zespolone są spójne w przeciwieństwie do niezerowych liczb rzeczywistych.

edytuj Historia

Liczby zespolone zostały wprowadzone do matematyki przez Girolama Cardana. Nadał on w szczególności liczbie $i$ nazwę jednostki urojonej, nie wierząc w rzeczywiste istnienie takiego obiektu, a jedynie uznając go za pomocniczy element w rachunku, mającym w zamierzeniu dać pierwiastki równania wielomianowego trzeciego stopnia (tzw. wzory Cardano).

Liczbami zespolonymi zajmowali się wielcy matematycy tacy jak Hamilton, czy Euler (zob. wzór Eulera). Jest to ciekawy przykład pojęcia o fundamentalnym znaczeniu dla techniki (m.in. elektrotechniki), które znalazło swoje główne zastosowanie po kilkuset latach od odkrycia. Formalne określenie zbioru liczb zespolonych jako zbioru $\mathbb R^2$ , z odpowiednio zdefiniowanymi działaniami dodawania i mnożenia, pochodzi od Hamiltona.

edytuj Zastosowania

Ten artykuł wymaga uzupełnienia źródeł podanych informacji.
Aby uczynić go weryfikowalnym, należy podać przypisy do materiałów opublikowanych w wiarygodnych źródłach.
Adnotacja: "choć ostatnimi czasy istnieje trend(...)" - jakieś źródełko, pliiz.

Liczby zespolone są dość wygodnym sposobem zapisu punktów płaszczyzny, choć ostatnimi czasy istnieje trend, aby liczby zespolone, kwaterniony, czy oktawy Cayleya zastępować odpowiednio wektorami przestrzeni $\mathbb R^2, \mathbb R^4, \mathbb R^8$ z odpowiednimi działaniami, z powodu ich względnie łatwego uogólniania na inne potęgi. Jednak użycie liczb zespolonych jest dalekie od zarzucenia: analizą euklidesowej przestrzeni dwuwymiarowej zajmuje się w ogólności tzw. analiza wielowymiarowa, zaś analizą przestrzeni zespolonej analiza zespolona.

Liczby zespolone znajdują zastosowanie m.in. w:

wyznaczaniu pierwiastków równań kwadratowych, których wyróżnik jest mniejszy od zera,
teorii fraktali,
analizie obwodów elektrycznych prądu przemiennego.

Liczby zespolone można rozumieć jako szczególny przypadek:

W zbiorze liczb zespolonych możemy wyróżnić podzbiory izomorficzne ze zbiorami:

Przypisy

↑ istnieje też nieużywane powszechnie polskie oznaczenie szkolne: $\mathbf Z$

edytuj Zobacz też

Zobacz publikację na Wikibooks:
Liczby zespolone

przegląd zagadnień z zakresu matematyki,
liczby całkowite Gaussa,
wzór Eulera,
sfera Riemanna (rozszerzona płaszczyzna zespolona),
kwaterniony,
liczby hiperzespolone,
ciało lokalne.