== Комплексные числа == ~~TOC~~ Алгебра --- это ((:algebra2:course наука о решении уравнений)). Но в каких числах? Если принимать в рассмотрение только множество натуральных чисел $ \mathbb N_{} $, то уравнение $ 5+x=3 $ решений не имеет. Дополнив множество $ \mathbb N_{} $ нулем и отрицательными числами, мы добиваемся того, что во множестве $ \mathbb Z_{} $ целых чисел любое уравнение $ a+x=b $ получает решение, причем единственное. Но вот уравнение $ 2\cdot x=3 $ решений снова не имеет... Снова дополняем множество $ \mathbb Z_{} $ дробными числами до множества $ \mathbb Q_{} $ рациональных чисел. В этом множестве будет существовать единственное решение уравнения $ a\cdot x=b $ если только $ a_{}\ne 0 $. Но вот уравнение $ x^2-2=0 $ решений в $ \mathbb Q_{} $ не имеет. Пополнив множество рациональных чисел числами иррациональными, мы получаем решение --- в вещественных числах $ \mathbb R_{} $ --- и этого уравнения, но, однако же, не __любого__ квадратного! Так, не существует вещественного числа, удовлетворяющего уравнению $ x^2+1=0 $. **Задача.** Расширить множество вещественных чисел так, чтобы в этом расширении уравнение $ x^2+1=0 $ имело решение. Такое расширение должно "наследовать" все свойства вещественных чисел, т.е. в этом множестве операции должны подчиняться аксиомам коммутативности, ассоциативности и дистрибутивности: 1. $ {\mathfrak a}_1+{\mathfrak a}_2={\mathfrak a}_2+{\mathfrak a}_1 $; 2. $ ({\mathfrak a}_1+{\mathfrak a}_2)+{\mathfrak a}_3={\mathfrak a}_1+({\mathfrak a}_2 +{\mathfrak a}_3) $; 3. $ {\mathfrak a}_1\cdot {\mathfrak a}_2={\mathfrak a}_2\cdot {\mathfrak a}_1 $; 4. $ ({\mathfrak a}_1\cdot {\mathfrak a}_2)\cdot {\mathfrak a}_3={\mathfrak a}_1\cdot ({\mathfrak a}_2\cdot {\mathfrak a}_3) $; 5. $ ({\mathfrak a}_1+{\mathfrak a}_2)\cdot {\mathfrak a}_3={\mathfrak a}_1\cdot {\mathfrak a}_3+ {\mathfrak a}_2\cdot {\mathfrak a}_3 $; 6. существует нейтральный элемент $ {\mathfrak o} $ относительно сложения: $ {\mathfrak a}+{\mathfrak o}={\mathfrak a} $; 7. существует нейтральный элемент $ {\mathfrak e} $ относительно умножения: $ {\mathfrak a}\cdot {\mathfrak e}={\mathfrak a} $. Все указанные равенства должны выполняться для произвольных чисел $ {\mathfrak a}, {\mathfrak a}_1,{\mathfrak a}_2,{\mathfrak a}_3 $. === Определение == **Комплéксным**[[complexus (//лат.//) --- связь, сочетание; любовь, благожелательное отношение.]] **числом** называется упорядоченная пара вещественных чисел $ z=(a,b) $. Аксиоматически вводятся понятие равенства комплексных чисел, а также правила действий над ними. Два комплексных числа $ z_1=(a,b) $ и $ z_2=(c,d) $ называются **равными**: $ z_1=z_2 $ тогда и только тогда, когда $ a=c $ и $ b=d $. В противном случае они называюся **неравными**. !!?!! Доказать, что $$\left(2,\, \sqrt{12} \right)=\left(\frac{1}{2} \sqrt{7+4\sqrt{3}}+ \frac{1}{2} \sqrt{7-4\sqrt{3}},\, 2\sqrt{3} \right) \ .$$ **Суммой** комплексных чисел $ z_1=(a,b) $ и $ z_2=(c,d) $ называется комплексное число $$ z_3=z_1+z_2 = (a+c,b+d) \ . $$ !!П!! **Пример.** $$ (1,-1)+(2,1)=(3,0) ,\ (0,1)+(1,0)=\qquad \qquad , (3,2)+(-3,-2)=\qquad . $$ **Произведением** комплексных чисел $ z_1=(a,b) $ и $ z_2=(c,d) $ называется комплексное число $$ z_4=z_1\cdot z_2 = (ac-bd,\ ad+bc) \ . $$ !!§!! Так же как и в случае вещественных чисел, для знака умножения используют $ \times_{} $; часто его вовсе опускают: $ z_1\cdot z_2 = z_1\times z_2 = z_1z_2 $. !!П!! **Пример.** $ (2,3)\cdot (1,2)=(-4,7) $, $ (1,-1)\cdot(1,1)= \qquad $ , $ (0,1)\cdot(0,1)=\qquad $ . В отличие от суммы комплексных чисел, определение произведения кажется довольно искусственным. Ответ на вопрос Что послужило основанием для такого правила умножения? будет дан ((#а_зачем_они_всё_же_нужны НИЖЕ)). А пока убедимся, что даже введенное таким "неестественным" способом, оно, тем не менее, сохранит те свойства операций над числами вещественными, которые упомянуты выше. Имеем, например: $$z_1\cdot z_2=(ac-bd,\ ad+bc),\ z_2\cdot z_1=(ca-db,\, da+cb) \ \Rightarrow \ z_1\cdot z_2=z_2\cdot z_1 \ . $$ Остальные свойства проверяются аналогично. Теперь осталось определить операции, противоположные сложению и умножению, т.е. вычитание и деление. **Разностью** комплексных чисел $ z_1 $ и $ z_2 $ называется число $ z_5 $ такое, что $ z_2+z_5=z_1 $. Этот факт записывают: $ z_5 = z_1-z_2 $. Вопрос о существовании и единственности такого числа решается конструктивно: его построением. Пусть $ z_1=(a,b) $, $ z_2=(c,d) $, $ z_5=(x,y) $, тогда $$(c,d)+(x,y)=(a,b) \ \iff \ c+x=a,\ d+y=b \ \iff \ x=a-c,\ y=b-d \ , $$ т.е. $ (a,b)-(c,d)=(a-c,\, b-d) $. В частности, $$(a,b)-(a,b)=(0,0) \quad \mbox{ или }\quad (a,b)+(0,0)=(a,b)$$ для любого комплексного числа. Таким образом, комплексное число $ (0,0) $ играет для сложения ту же роль, что для вещественных чисел играл нуль $ 0 $. **Частным** комплексных чисел $ z_1 $ и $ z_2 $ называется число $ z_6 $ такое, что $ z_2\cdot z_6=z_1 $. Этот факт записывают: $$ z_6= z_1\colon z_2 \quad \mbox{ или }\ z_6 = z_1\big/ z_2 \ . $$ Вопрос о существовании и единственности такого числа решается конструктивно: его построением. Пусть $ z_1=(a,b) $, $ z_2=(c,d) $, $ z_6=(x,y) $, тогда $$(c,d)\cdot (x,y)=(a,b) \ \iff \ \left\{\begin{array}{c} cx-dy=a, \\ dx+cy=b \end{array} \right. \ \iff \ \left\{\begin{array}{c} (c^2+d^2)x=(ac+bd), \\ (c^2+d^2)y=(bc-ad). \end{array} \right. $$ Таким образом, необходимым условием существования частного является $ c^2+d^2\ne 0 $ т.е. $ z_2\ne (0,0) $. При выполнении этого условия, частное будет единственно и определяется формулой: $$(a,b) \colon (c,d) =\left( \frac{ac+bd}{c^2+d^2} \, ,\ \frac{bc-ad}{c^2+d^2} \right) \ . $$ Запомнить и применять эту формулу довольно сложно, но, как мы вскоре увидим, в этом и нет необходимости. А пока что заметим, что введенные на множестве комплексных чисел операции полностью подчиняются указанной в ((#комплексные_числа начале раздела)) системе аксиом 1 - 7 чисел вещественных. Нейтральный элемент относительно сложения совпадает с числом $ (0,0) $, а относительно умножения --- с числом $ (1,0) $: $$ (a,b)\cdot (x,y)=(a,b)\ \iff \ \left\{ \begin{array}{l} a\,x-b\,y=a, \\ b\,x+a\,y=b, \end{array} \right. \ \iff \ \left\{ \begin{array}{l} \left(a^2+b^2 \right)x=\left(a^2+b^2 \right), \\ \left(a^2+b^2 \right)y=0 \end{array} \right. $$ $$ \Rightarrow y=0,\, x=1 \ . $$ Каждое комплексное число может быть представлено в виде $$z=(a,b)=(a,0)+(0,b)=(a,0)+(b,0)(0,1) \ , $$ т.е. в виде комбинации комплексных чисел вида $ (a,0) $ --- с нулевой второй компонентой, и одного специального числа $ (0,1) $. За последним закрепляется обозначение[[$ \mathbf i $maginarius (//лат.//) --- кажущийся, призрачный, воображаемый, мнимый. В теории автоматического управления и в электротехнике принято обозначение $ \mathbf j $ --- чтобы ибежать коллизии с обозначением силы тока.]] $$ \mathbf i = (0,1) \ . $$ Следует заметить, что множество комплексных чисел, имеющих нулевую вторую компоненту $$ \left\{ (a,0) \mid a\in \mathbb R \right\} $$ обладает свойством **замкнутости** относительно операций сложения и умножения. Замкнутость понимается в том смысле, что сумма и произведение чисел с нулевой второй компонентой снова будет числом с нулевой второй компонентой; то же справедливо и для разности и произведения: $$(a,0)+(b,0)=(a+b,0),\ (a,0)-(b,0)=(a-b,0), $$ $$ \ (a,0)\cdot(b,0)=(ab,0) \ , (a,0)\colon (b,0)= \left( \frac{a}{b} ,0 \right) \ (\mbox{ при} \ b\ne 0) . $$ Как легко видеть, первые компоненты под действием таких операций ведут себя в точности как обычные вещественные числа (с сохранением системы аксиом 1 - 7 ). Исходя из этого обстоятельства, производится **отождествление** комплексного числа $ (a,0) $ с вещественным числом $ a_{} $. Результатом этого является следующая **нормальная форма** записи комплексного числа $$ (a,b)=a+ b \mathbf i = a+ \mathbf i b \ npu \quad \{a,b \} \subset \mathbb R \ .$$ Для числа $ \mathbf i $ получаем одно определяющее равенство: $$ \mathbf i^2=(0,1)\cdot (0,1)=(-1,0)=-1 \ . $$ Из соображений упрощения записи, договорились число $ 0+\mathbf i b $ записывать просто в виде $ \mathbf i b $, а числа $ a+\mathbf i 1 $ и $ a-\mathbf i 1 $ записывать в виде $ a+\mathbf i $ и $ a-\mathbf i $. Польза от нормальной формы записи состоит в том, что она упрощает действия с комплексными числами. В самом деле, перемножение двух комплексных чисел, представленных в нормальной форме, можно начать производить по обычным правилам перемножения вещественных чисел: $$(a+\mathbf i \, b)(c+ \mathbf i \, d)=ac + \mathbf i\, ad+ \mathbf i\, bc+ \mathbf i^2 bd \ , $$ а затем воспользоваться равенством $ \mathbf i^2 = -1 $: $$= (ac-bd)+\mathbf i \, (ad+bc) \ . $$ Мы получили тот же результат, что формально определен аксиомой. Если $ n_{} $ --- целое число, то число $$ z^n = \left\{ \begin{array}{cl} \overbrace{z\times \dots \times z}^{n} \ & npu \ n>0, \\ 1 \ & npu \ n=0, z\ne 0, \\ 1/z^{-n} \ & npu \ n<0, z\ne 0 \end{array} \right. $$ называется $ \mathbf n $**-й степенью** числа $ z_{} $. Для вычисления $ z^n $ при $ n>1 $ и $ z=a+ \mathbf i\, b $ можно применить формулу ((:binomial бинома Ньютона)): $$ \left(a+ \mathbf i\, b \right)^n = $$ $$ =a^n+C_n^1 a^{n-1}b\mathbf i+C_n^2 a^{n-2}b^2\mathbf i^2 +C_n^3 a^{n-3}b^3\mathbf i^3+C_n^4 a^{n-4}b^4\mathbf i^4+\dots+b^n \mathbf i^n $$ (здесь $ C_n^k $ означает ((:binomial биномиальный коэффициент)) ); и для приведения этого числа к нормальной форме, нам потребуется вычислить степени $ \mathbf i $. Получаем последовательно: $$\mathbf i^2=-1,\ \mathbf i^3=\mathbf i^2\mathbf i=-\mathbf i,\ \mathbf i^4=1,\ \mathbf i^5=\mathbf i, \dots $$ и понятно, что последовательность оказывается циклической с периодом $ 4_{} $. Окончательно: $$\left(a+ \mathbf i\, b \right)^n =\left(a^n- C_n^2 a^{n-2}b^2 +C_n^4 a^{n-4}b^4 - \dots \right) + \mathbf i \left(C_n^1 a^{n-1}b-C_n^3 a^{n-3}b^3+ \dots \right) \ . $$ !!П!! **Пример.** Найти нормальную форму числа $ (1+\mathbf i )^3 $. **Решение.** Разложение по ((:binomial формуле бинома)) дает $ (1+\mathbf i)^3= (1-3) +\mathbf i (3-1) =-2+2\mathbf i $. !!П!! **Пример.** Найти нормальную форму числа $$ \frac{(3+2\mathbf i )^2(1-3\mathbf i )}{(3+\mathbf i )^2(1+2\mathbf i )}+\frac{1+\mathbf i }{1-\mathbf i } \ . $$ **Решение.** $$(3+2\mathbf i)^2=5+12 \mathbf i \ , (5+12 \mathbf i)(1-3\mathbf i)=5-15\mathbf i+12\mathbf i-36\mathbf i^2=41-3\mathbf i \ ,$$ $$(3+\mathbf i)^2=8+6\mathbf i \ ,\ (8+6\mathbf i)(1+2\mathbf i)=8+16\mathbf i +6\mathbf i +12\mathbf i^2=-4+22 \mathbf i \ .$$ Для вычисления частного $ (41-3\mathbf i)/(-4+22\mathbf i) $ воспользуемся следующим приемом: домножим и числитель и знаменатель дроби на число $ (-4-22 \mathbf i) $. Получим $$ \frac{(41-3\mathbf i)(-4-22 \mathbf i)}{(-4+22 \mathbf i)(-4-22 \mathbf i)}= \frac{-164-902 \mathbf i +12 \mathbf i +66 \mathbf i^2}{16+88\mathbf i - 88 \mathbf i - 484 \mathbf i^2}= \frac{-230-890 \mathbf i}{500} =-\frac{23}{50} -\frac{89}{50} \mathbf i \ . $$ Аналогично: $$ \frac{1+\mathbf i}{1-\mathbf i}=\frac{(1+\mathbf i)^2}{(1-\mathbf i)(1+\mathbf i)}=\frac{2\mathbf i}{2}=\mathbf i \ . $$ **Ответ.** $ -\frac{23}{50} -\frac{39}{50} \mathbf i $. Прием, использованный нами при решении последнего примера, можно сделать универсальным. Число $ a-\mathbf i b $ называется числом, **комплексно-сопряженным** (или просто **сопряженным**) числу $ z=a+\mathbf i b $. Оно обозначается $ \overline{z} $. Сама операция нахождения $ \overline{z} $ называется **комплексным сопряжением**. !!П!! **Пример.** $ \overline{-2-2\mathbf i}=-2+2\mathbf i,\ \overline{3\mathbf i}=-3\mathbf i,\ \overline{4}=4 $. !!?!! Доказать, что **а)** $ \overline{\overline{z}}=z $; **б)** $ \overline{z_1+z_2}=\overline{z_1}+\overline{z_2} $; **в)** $ \overline{z_1\cdot z_2}=\overline{z_1} \cdot \overline{z_2} $. Легко установить, что сумма и произведение двух комплексно-сопряженных чисел будет числом вещественным: $$ {.}_{} \mbox{ при } z= a+ \mathbf i b \ \mbox{ имеем: } z+\overline{z}=2a,\ z \cdot \overline{z}=a^2+b^2 \ . $$ На последнем свойстве и основан прием вычисления частного двух чисел $ z_1/z_2 $. Именно, эта дробь домножается на число, сопряженное к знаменателю: $$ \frac{z_1}{z_2}=\frac{z_1 \overline{z_2}}{z_2 \overline{z_2}} \ ; $$ при перемножении в знаменателе образуется вещественное число: $$ =\frac{(a+\mathbf i b)(c-\mathbf i d)}{c^2+d^2} \ , $$ и, таким образом, операцию деления сводим к операции умножения: $$ =\frac{(ac+bd)+ \mathbf i (bc-ad)}{c^2+d^2}=\frac{ac+bd}{c^2+d^2} + \mathbf i \frac{bc-ad}{c^2+d^2} \ . $$ Для комплексного числа, представленного в нормальной форме $ z=a+\mathbf i b $, число $ a $ называется **вещественной частью** и обозначается $ \mathfrak{Re}(z) $, число $ b_{} $ называется **мнимой частью** и обозначается $ \mathfrak{Im} (z) $. Таким образом, $ z=\mathfrak{Re}(z) +\mathbf i \mathfrak{Im}(z) $. Число $ \mathbf i $ называется **мнимой единицей**. Число $ z\ne 0 $, имеющее ненулевую мнимую часть: $ \mathfrak{Im}(z) \ne 0 $, называется **мнимым** числом, а число $ z $, имеющее нулевую вещественную часть: $ \mathfrak{Re}(z)=0 $, называется **чисто мнимым**. В некоторых учебниках (см., к примеру, ((#источники [5]))) мнимая часть числа $ a+\mathbf i b $ определяется как число $ \mathbf i b $; но всё же чаще я встречал это определение именно в приводимом здесь (и в дальнейшем используемом) варианте. Аксиому равенства комплексных чисел можно записать теперь в виде: $$z_1=z_2 \quad \iff \quad \mathfrak{Re}(z_1)=\mathfrak{Re} (z_2),\ \mathfrak{Im} (z_1)=\mathfrak{Im} (z_2) \ .$$ !!?!! Найти вещественное число $ x_{} $, удовлетворяющее уравнению $$ (1+ \mathbf i)x^3+(1+2\, \mathbf i)x^2- (1+4\,\mathbf i)x - 1+ \mathbf i = 0 \ . $$ !!?!! Верно ли равенство $ \mathfrak{Re}(z_1z_2)= \mathfrak{Re}(z_1) \mathfrak{Re}(z_2) $? Множество всех комплексных чисел с определенными выше операциями обозначается $ \mathbb C_{} $ . Отождествление комплексного числа $ z_{} $, у которого $ \mathfrak{Im} (z)=0 $, с вещественным числом $ \mathfrak{Re}(z) $ позволяет говорить, что множество $ \mathbb C_{} $ включает в себя множество вещественных чисел $ \mathbb R_{} $: $ \mathbb R_{} \subset \mathbb C_{} $. Комплексные числа "наследуют" все привычные нам свойства чисел вещественных, кроме одного: их нельзя сравнивать в смысле отношений $ >_{} $ или $ < $: неравенство $ 1+7\mathbf i>3-2\mathbf i $ так же бессмысленно, как и $ 1+7\mathbf i<3-2\mathbf i $. === Геометрическая интерпретация == Определение комплексного числа как упорядоченной пары вещественных чисел напоминает определение вектора на плоскости. Если на плоскости $ (x,y) $ задана декартова прямоугольная система координат, то задание точки $ {\mathbf A} $ ее координатами $ x=a,y=b $ однозначно определяет вектор, имеющий начало в начале координат $ {\mathbf O} $ ($ x=0,y=0 $), а конец --- в точке $ {\mathbf A} $. Такое соответствие {{ complex1.png |}} $$ \vec{\mathbf OA} \ \longleftrightarrow \ (a,b) \ \longleftrightarrow \ z=a+\mathbf i \, b $$ позволяет дать интерпретацию комплексного числа как вектора на плоскости. Сама эта плоскость называется **комплексной плоскостью**, ось абсцисс на ней --- **вещественной осью** (на ней располагаются вещественные числа), ось ординат --- **мнимой осью** (на ней располагаются чисто мнимые числа). !!?!! Изобразить на комплексной плоскости **а)** число $ (-z) $; **б)** число $ \overline{z} $. Определения равенства и суммы (разности) векторов и комплексных чисел {{ sum.gif |}} оказываются идентичными: сумма комплексных чисел определяет вектор на плоскости, равный сумме векторов, соответствующих слагаемым (по какому бы способу --- параллелограмма или треугольника --- она ни вычислялась). Подмеченная аналогия между алгебраическим объектом и геометрическим прекращается как только мы попытаемся установить соответствие между операциями умножения. В самом деле, согласно введенному в предыдущем пункте определению, произведение комплексных чисел есть снова комплексное число, т.е. --- в нашей геометрической интерпретации --- **вектор**. Вспомним, что скалярное произведение векторов определяется как число вещественное, т.е. является скаляром[[В курсе аналитической геометрии определяется еще одно произведения двух векторов --- так называемое, **векторное произведение**; его результатом является вектор. Тем не менее, и этот результат не будет соответствовать произведению комплексных чисел.]]. Однако, несмотря на то, что не всегда удается установить параллель между свойствами двух объектов, хотя бы некоторые результаты, а также приемы исследования, могут допускать распространение. Один из таких приемов лежит на виду. Вспомним, что вектор на плоскости может быть задан не только в декартовых координатах, но и в полярных, т.е. своей длиной и углом, образованным с полярной осью. ===Тригонометрическая форма комплексного числа== Для числа $ z=a+\mathbf i \, b $ его **модулем** (или **абсолютной величиной**) называется неотрицательное вещественное число обозначаемое $ |z| $, определяемое как $$|z|=\sqrt{a^2+b^2}= \sqrt{z\, \overline{z}} \ ; $$ при этом корень квадратный в правой части понимается как корень //арифметический//, т.е. как единственное неотрицательное вещественное число, квадрат которого равен $ a^2+b^2 $. Геометрическая интерпретация модуля комплексного числа очевидна: это длина вектора, этим числом порождаемого. В случае когда $ \mathfrak{Im} (z) =0 $ введенное определение модуля соответствует определению модуля вещественного числа: $ |z|=|a| $. **Аргументом** комплексного числа $ z=a+\mathbf i \, b\ne 0 $ {{ complex2.png |}} называется величина угла[[В дальнейшем будем говорить просто "угол".]], образованного на комплексной плоскости вектором $ \vec{\mathbf OA} $ с вещественной осью. При этом, для однозначности определения, договоримся, что угол будет отсчитываться от вещественной оси в положительном направлении, т.е. против часовой стрелки, и что он будет находиться в интервале $ [0,2\, \pi[ $ если вычисляется в радианах. Аргумент комплексного числа $ 0_{} $ не определяется. Будем обозначать аргумент числа $ z_{} $ через $ \operatorname{arg}\, (z) $. Для определения $ \operatorname{arg}\, (z) $ мы имеем две формулы: $$ \cos \left( \operatorname{arg}\, (z) \right) = \frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}} \ , \ \sin \left( \operatorname{arg}\, (z) \right) = \frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}} \ , $$ которые позволяют однозначно восстановить[[Как правило, приближенно.]] угол в интервале $ [0, 2\, \pi[ $. Итак, ненулевое комплексное число $ z\ne 0 $, наряду со своей нормальной формой $ z=a+\mathbf i \, b $, может быть представлено еще и в форме $$ z= \rho \left(\cos \varphi + \mathbf i \sin \varphi \right) \quad npu \ \rho\ge 0,\ 0 \le \varphi < 2\, \pi \ . $$ Последняя называется **тригонометрической формой** комплексного числа. Формулы, связывающие две формы: $$ \rho=|z|=\sqrt{a^2+b^2}, \ \cos \varphi = a / \rho, \ \sin \varphi = b / \rho \, . $$ !!П!! **Пример.** Найти тригонометрическую форму комплексных чисел **а)** $ -4 $ ; **б**) $ \mathbf i $ ; **в)** $ -6\,\mathbf i $ ; **г)** $ -1+\mathbf i $; **д)** $ \frac{1}{2}-\mathbf i \frac{\sqrt{3}}{2} $; **е)** $ -2+\mathbf i $ . **Решение.** $$ \begin{array}{c|c|c|c|c} z & |z| & \cos &\operatorname{sign} (\sin ) & \operatorname{arg}(z) \\ \hline -4=-4+0\mathbf i\ & 4 & -1 & & \pi \\ \mathbf i=0+1\mathbf i\ & \sqrt{0+1}=1 & 0 & >0 & \pi/2 \\ -6\,\mathbf i=0-6\,\mathbf i \ & \sqrt{0+36}=6 & 0 &<0 & 3\pi/2\\ -1+\mathbf i=-1+1\mathbf i \ & \sqrt{1+1}=\sqrt{2}& -\frac{\scriptstyle 1}{\scriptstyle{\sqrt{2}}}=-\frac{\scriptstyle{\sqrt{2}}}{\scriptstyle 2} & >0 & 3\pi/4 \\ \frac{1}{2}-\mathbf i \frac{\scriptstyle{\sqrt{3}}}{\scriptstyle 2} \ & \sqrt{\frac{1}{4}+\frac{3}{4}}=1\ & \frac{1}{2} & <0 & 5\pi/3 \\ -2+\mathbf i & \sqrt{4+1}=\sqrt{5} & \scriptstyle{-2}/{\scriptstyle \sqrt{5}}& >0 & \arccos \left(-\scriptstyle{2}/\scriptstyle{\sqrt{5}} \right) \approx \\ & & & & \approx 2.67794 \end{array} $$ **Ответ.** **а)** $ 4\left(\cos \pi + \mathbf i \, \sin \pi \right) $; **б)** $ \cos \pi/2 + \mathbf i \, \sin \pi/2 $; **в)** $ 6\left(\cos 3\pi/2 + \mathbf i \, \sin 3\pi/2 \right) $; **г)** $ \sqrt{2} \left(\cos 3\pi/4 + \mathbf i \, \sin 3\pi/4 \right) $; **д)** $ \cos 5\pi/3 + \mathbf i \, \sin 5\pi/3 $; **е)** $ \sqrt{5} \left\{\cos \left( \arccos \left( -\scriptstyle{2}/\scriptstyle{\sqrt{5}} \right) \right) +\mathbf i \sin \left( \arccos \left(-\scriptstyle{2}/\scriptstyle{\sqrt{5}} \right) \right) \right\} \approx 2.23606 \left( \cos 2.67794 + \mathbf i \sin 2.67794 \right) $. !!?!! Пусть $ z=a+\mathbf i \, b $. Выразить **а)** $ \operatorname{arg} (-z) $ ; **б)** $ \operatorname{arg} (\overline{z}) $ **в)** $ \operatorname{arg} (1/z) $; **г)** $ \operatorname{arg} (b+\mathbf i\, a) $ через $ \operatorname{arg} (z) $. В дальнейшем я иногда буду пренебрегать требованием, чтобы в тригонометрической форме аргумент соответствовал интервалу $ [0, 2\, \pi[ $, т.е. буду допускать неоднозначность в определении $ \operatorname{arg} (z) $. С учетом этого допущения, сформулируем следующий критерий равенства чисел $ z_{1} $ и $ z_{2} $, представленных в тригонометрической форме. !!Т!! **Теорема.** //Комплексные числа равны тогда и только тогда, когда их модули равны, а их аргументы различаются на целое кратное числа// $ 2\, \pi $ //или, если использовать терминологию из теории чисел, ((:modular#сравнения сравнимы по модулю)) //$ 2\, \pi $: $$ \rho_1 \left(\cos \varphi_1 + \mathbf i \, \sin \varphi_1 \right)= \rho_2 \left(\cos \varphi_2 + \mathbf i \, \sin \varphi_2 \right) \ \iff $$ $$ \iff \ \rho_1=\rho_2 , \ \varphi_1 \equiv \varphi_2 \pmod{2\, \pi} \ . $$ **Доказательство** следует из аксиомы равенства комплексных чисел. В каждом разделе математики имеется исторически сложившаяся система названий и обозначений, при этом иногда одни и те же слова или символы в разных разделах обозначают совершенно не связанные по смыслу объекты. В частности, это относится к слову "модуль": если в разделе ((:modular#сравнения МОДУЛЯРНАЯ АРИФМЕТИКА)) оно означает натуральное число $ M_{} $, по отношению к которому сравниваются два других целых числа (одинаковы ли у них остатки при делении на $ M_{} $), то в теории комплексных чисел оно закреплено за другим понятием. К сожалению,:-| в настоящем разделе приходится использовать оба этих определения; хорошо хоть обозначения у них разные... В противоположность предыдущему замечанию --- удобное обозначение почему бы не тиражировать?;-) В разделе ((:modular#сравнения МОДУЛЯРНАЯ АРИФМЕТИКА)) сравнимость понималась по отношению к натуральному числу и формально вводилось через операцию деления на модуль; мы же использовали в только что приведенной теореме обобщение этого понятия: $ \varphi_1 \equiv \varphi_2 \pmod{2\, \pi} $, основанное на свойстве разности двух чисел $ \varphi_1 - \varphi_2 $ быть целым кратным (иррационального!) числа $ 2\, \pi $. В дальнейшем мы заимствуем и другое полезное обозначение из теории чисел: $ \varphi_1 = \varphi \pmod{2\, \pi} $ означает, что угол $ \varphi_1 $ --- это "загнанный в интервал" $ [0,\ 2\, \pi[ $ угол $ \varphi $, т.е. $ \varphi_1 $ отличается от $ \varphi_{} $ на целое кратное числа $ 2\, \pi $ и, при этом, $ \varphi_1 \in [0,\ 2\, \pi[ $. Тригонометрическая форма комплексных чисел позволяет дать геометрическую интерпретацию правилам их умножения и деления. !!Т!! **Теорема.** //Имеет место равенство:// $$\rho_1 \left(\cos \varphi_1 + \mathbf i \, \sin \varphi_1 \right) \cdot \rho_2 \left(\cos \varphi_2 + \mathbf i \, \sin \varphi_2 \right)= $$ $$ = \rho_1 \rho_2 \left(\cos (\varphi_1+\varphi_2) + \mathbf i \, \sin (\varphi_1+\varphi_2) \right)\ ; $$ //иными словами: при перемножении комплексных чисел перемножаются их модули и складываются аргументы// (//по модулю// $ 2\, \pi $): $$ \left| z_1\cdot z_2 \right| = \left| z_1 \right| \cdot \left| z_2 \right| \ ,\ \operatorname{arg} (z_1 \cdot z_2)= \operatorname{arg} (z_1) + \operatorname{arg} (z_2) \pmod{2\, \pi} \ . $$ **Доказательство**. $$ z_1z_2=\rho_1 \rho_2\big(\left[\cos \varphi_1\cos \varphi_2 - \sin \varphi_1\sin \varphi_2 \right] + \mathbf i \, \left[\cos \varphi_1\sin \varphi_2 + \sin \varphi_1\cos \varphi_2 \right] \big) = $$ $$ =\rho_1 \rho_2\left(\cos (\varphi_1+\varphi_2) + \mathbf i \, \sin (\varphi_1+\varphi_2) \right) \ . $$ Настоящее замечание может быть пропущено без ущерба для понимания оставшейся части раздела. Переписав равенство для модуля произведения из последней теоремы для ((#определение нормальной формы)) записи комплексных чисел, получаем совершенно вещественное равенство (фактически, если рассматривать входящие в это равенство параметры как переменные величины --- тождество для полиномов от ((:polynomialm нескольких переменных)) ): $$(a^2+b^2)(c^2+d^2)=(ac-bd)^2+(ad+bc)^2 \ , $$ иными словами: произведение суммы квадратов на сумму квадратов есть снова сумма двух квадратов. Существуют ли подобные тождества с большим, чем $ 2_{} $ числом квадратов? Ответ оказывается положительным: подобные тождества для $ 4_{} $-х квадратов были получены Эйлером (см. ((:numtheory:divispascal:vspom2 ЗДЕСЬ)) ), а для $ 8_{} $-ми квадратов --- Кэли. Доказано, что других случаев быть не может. Эта задача тесно связана с понятием //гиперкомплексных// чисел, т.е. многомерных аналогов комплексных чисел (см. ((:gruppe#алгебра ЗДЕСЬ)) ). !!=>!! Справедлива формула $$ \frac{z_1}{z_2}=\frac{\rho_1}{\rho_2 }\left(\cos (\varphi_1-\varphi_2) + \mathbf i \, \sin (\varphi_1-\varphi_2) \right) \quad npu \ z_2 \ne 0 \ . $$ !!=>!! Индукцией по числу сомножителей показывается справедливость общей формулы: $$ \prod_{j=1}^n z_j= \prod_{j=1}^n \rho_j \left(\cos \sum_{j=1}^n \varphi_j + \mathbf i \, \sin \sum_{j=1}^n \varphi_j \right) \ . $$ В частном случае, когда все сомножители одинаковы, приходим к одной замечательной формуле --- === Формула Муавра == !!Т!! **Теорема.** //Для любого целого// $ n $ //справедлива// **формула Муавра**: $$ \left(\cos \varphi + \mathbf i \, \sin \varphi \right)^n = \cos n\varphi + \mathbf i \, \sin n\varphi \ . $$ **Доказательство** для положительных $ n $ следует из результата предыдущего пункта. При $ n=0 $ формула фактически является формальным определением нулевой степени комплексного числа. Для отрицательного показателя $ n=-m, m\in \mathbb N $ справедливость формулы доказывается сведением к уже рассмотренному случаю положительного показателя: $$ \left(\cos \varphi + \mathbf i \, \sin \varphi \right)^{n}= \left(\cos \varphi + \mathbf i \, \sin \varphi \right)^{-m}= $$ $$ =\frac{1}{\left(\cos \varphi + \mathbf i \, \sin \varphi \right)^{m}} = \frac{1}{\cos m\varphi + \mathbf i \, \sin m\varphi}= \frac{\cos m\varphi - \mathbf i \, \sin m\varphi }{\cos^2 m\varphi + \sin^2 m\varphi } = $$ $$ =\cos m\varphi - \mathbf i \, \sin m\varphi= \cos (- m\varphi) + \mathbf i \, \sin (- m\varphi)=\cos n\varphi + \mathbf i \, \sin n\varphi \ . $$ !!=>!! Справедлива формула возведения в степень комплексного числа, представленного в тригонометрической форме: $$ \left[ \rho \left(\cos \varphi + \mathbf i \, \sin \varphi \right) \right]^n = \rho^n \left( \cos n\varphi + \mathbf i \, \sin n \varphi \right) \ npu \ \forall \ \rho \ne 0 \ u \ n\in \mathbb Z \ . $$ !!П!!** Пример.** Вычислить $$ \left[\frac{1}{2 \sqrt{2}}\left(\sqrt{3} - \mathbf i \, \sqrt{5} \right) \right]^{117} \ . $$ **Решение.** С одной стороны, можно воспользоваться формулой ((:binomial бинома Ньютона)) --- мы получим точный ответ, хотя и дорогой ценой... Если же нас интересует приближенное значение, то его можно получить по формуле Муавра, предварительно представив число в тригонометрической форме: $$ \left| z \right| = 1, \ \cos (\operatorname{arg} (z)) = \frac{1}{2}\sqrt{\frac{3}{2}} \approx 0.61237, \ \sin (\operatorname{arg} (z)) <0 \qquad \Rightarrow $$ $$ \Rightarrow \qquad \operatorname{arg} (z) = 2\pi - \arccos \left( \frac{1}{2}\sqrt{\frac{3}{2}} \right) \approx 5.37144 \ . $$ Применяем формулу Муавра: $$z^{117}\approx \cos \left( 117 \times \operatorname{arg} (z) \right) + \mathbf i \, \sin \left( 117 \times \operatorname{arg} (z) \right) $$ и отбрасываем целое кратное $ 2 \pi_{ } $: $$ 117 \times \operatorname{arg} (z) \approx 0.14077 + 200 \pi \quad \Rightarrow \quad z^{117}\approx \cos 0.14077 + \mathbf i \, \sin 0.14077 \ .$$ **Ответ.** $$\frac{\sqrt{2}}{2^{60}} \left[466022392183308159\, \sqrt{3}+ \mathbf i \, 51153470739918917\, \sqrt{5} \right] \ \approx \ 0.99010 + \mathbf i \, 0.14030 \ . $$ !!?!! Вычислить **а)** $ \left(\sqrt{3}+ \mathbf i \, \right)^n $ ; **б)** $ \left[ \sin \varphi_1 - \sin \varphi_2 + \mathbf i \, \left( \cos \varphi_1 - \cos \varphi_2 \right) \right]^n $. !!И!! Биографические заметки о Муавре ((:biogr#муавр ЗДЕСЬ)) ===Неравенства для модуля== !!Т!! **Теорема.** //Справедливо// **неравенство треугольника**: $$ \left| z_1 + z_2 \right| \le \left| z_1\right| + \left| z_2\right| \ . $$ **Доказательство.** Имеем: $$\left| z_1 + z_2 \right|^2=\left( z_1 + z_2 \right)\overline{\left( z_1 + z_2 \right)}= \left( z_1 + z_2 \right)\left( \overline{z_1} + \overline{z_2} \right)= z_1\overline{z_1} + z_1\overline{z_2}+ \overline{z_1}z_2+ z_2 \overline{z_2}= $$ $$ =\rho_1^2 + \rho_2^2 +\rho_1 \rho_2 \left( \cos \varphi_1 + \mathbf i \sin \varphi_1 \right)\left( \cos \varphi_2 - \mathbf i \sin \varphi_2 \right) + $$ $$ + \rho_1 \rho_2 \left( \cos \varphi_1 - \mathbf i \sin \varphi_1 \right)\left( \cos \varphi_2 + \mathbf i \sin \varphi_2 \right)= $$ $$ =\rho_1^2 + \rho_2^2 +2\,\rho_1 \rho_2 \left(\cos \varphi_1 \cos \varphi_2+ \sin \varphi_1 \sin \varphi_2 \right)= $$ $$ =\rho_1^2 + \rho_2^2 +2\,\rho_1 \rho_2 \cos \left( \varphi_1 - \varphi_2 \right) \le \rho_1^2 + \rho_2^2 +2\,\rho_1 \rho_2 = \left( \rho_1 +\rho_2 \right)^2 $$ поскольку $ \left| \cos \left( \varphi_1 - \varphi_2 \right) \right|\le 1 $. Извлекая корень (арифметический), получаем доказываемое неравенство. !!?!! При каких условиях на $ z_{1} $ и $ z_{2} $ неравенство треугольника превращается в равенство? !!=>!! $ \displaystyle \left| \sum_{j=1}^n z_j \right| \le \sum_{j=1}^n |z_j | $. !!=>!! $ \displaystyle \left| z_1 + z_2 \right| \ge \big| | z_1 | - | z_2 | \big| \ , \ \left| z_1 - z_2 \right| \ge \big| | z_1 | - | z_2 | \big| $. !!?!! Доказать "равенство параллелограмма": $$ |z_1+z_2|^2+|z_1-z_2|^2=2|z_1|^2 + 2|z_2|^2 \quad \mbox{ при } \ \{z_1, z_2 \} \subset \mathbb C . $$ ===Выведение тригонометрических формул== ==== Сумма синусов (косинусов)== **Задача.** Найти компактное выражение для $$ B= \sin \varphi + \sin 2\, \varphi + \dots + \sin n\, \varphi \ . $$ Для пояснения такой постановки сошлемся на известные выпускнику школы формулы, выражающие суммы арифметической и геометрической прогрессий: $$ a+(a+d)+\dots+(a+(n-1)d)=\frac{(2a+(n-1)d)n}{2} \ , $$ $$ a+aq+\dots+aq^{n-1} =a\frac{q^n-1}{q-1} \quad npu \ q\ne 1 \ . $$ О подобных формулах говорят, что соответствующие суммы "свернулись". Поставленную задачу будем решать путем ее усложнения. Попробуем одновременно с указанной суммой свернуть и сумму $$ A= \cos \varphi + \cos 2\, \varphi + \dots + \cos n\, \varphi \ . $$ Для этого составим выражение $$ A+ \mathbf i B= \left( \cos \varphi + \mathbf i \sin \varphi \right) + \left( \cos 2\, \varphi + \mathbf i \sin 2\,\varphi \right) + \dots + \left( \cos n\, \varphi + \mathbf i \sin n\, \varphi \right)= $$ на основании ((#формула_муавра формулы Муавра)): $$ =\left( \cos \varphi + \mathbf i \sin \varphi \right) + \left( \cos \varphi + \mathbf i \sin \varphi \right)^2 + \dots + \left( \cos \varphi + \mathbf i \sin \varphi \right)^n \ . $$ Введем новую переменную: $ z= \cos \varphi + \mathbf i \sin \varphi $. Тогда последняя сумма оказывается суммой геометрической прогрессии: $$ A+ \mathbf i B =z+z^2+\dots +z^n =\frac{z^{n+1} - z}{z-1} \quad npu \ z\ne 1 \ . $$ Возвращаемся к исходной переменной $ \varphi $: $$ A+ \mathbf i\, B =\frac{\left(\cos \varphi + \mathbf i\, \sin \varphi \right)^{n+1} - \left(\cos \varphi + \mathbf i\, \sin \varphi \right)} {\cos \varphi + \mathbf i\, \sin \varphi-1} \ \ npu\ \varphi \ne 2\, \pi k \ , \ k\in \mathbb Z \ . $$ (последнее условие можно записать в виде $ \varphi \not\equiv 0 \pmod{2\, \pi} $) и снова применяем ((#формула_муавра формулу Муавра)), только теперь уже "в обратном направлении": $$ A+ \mathbf i\, B = \frac{\left(\cos (n+1)\, \varphi + \mathbf i\, \sin (n+1)\, \varphi \right) - \left(\cos \varphi + \mathbf i\, \sin \varphi \right)} {\cos \varphi + \mathbf i\, \sin \varphi-1} $$ при $ \varphi \not\equiv 0 \pmod{2\, \pi} $. Искомое выражение для $ B $ получится если мы вычислим мнимую часть дроби, стоящей в правой части. Мы сейчас сделаем это, только предварительно слегка преобразуем числитель и знаменатель с использованием известных тригонометрических формул: $$ \cos \alpha - \cos \beta = 2 \sin \frac{\alpha + \beta }{2} \, \sin \frac{\beta - \alpha}{2} \quad , \quad \sin \alpha - \sin \beta = 2 \cos \frac{\alpha + \beta }{2} \, \sin \frac{ \alpha - \beta}{2} \ . $$ Итак, числитель правой части формулы равен $$ \left(\cos (n+1)\, \varphi - \cos \, \varphi \right) + \mathbf i \, \left(\sin (n+1)\, \varphi - \sin \, \varphi \right)= $$ $$ =-2\, \sin \frac{(n+2)\, \varphi}{2} \, \sin \frac{n\, \varphi}{2} + 2\, \mathbf i\, \cos \frac{(n+2)\, \varphi}{2} \, \sin \frac{n\, \varphi}{2}= $$ $$ =2\, \mathbf i\, \sin \frac{n\, \varphi}{2} \left(\cos \frac{(n+2)\, \varphi}{2} + \mathbf i\, \sin \frac{(n+2)\, \varphi}{2} \right) \ ; $$ а знаменатель: $$ (\cos \varphi -1) + \mathbf i\, \sin \varphi =-2\, \sin^2 \frac{\varphi}{2} + 2\, \mathbf i\, \sin \frac{\varphi}{2} \, \cos \frac{\varphi}{2} =2\, \mathbf i\, \sin \frac{\varphi}{2} \left(\cos \frac{\varphi}{2} + \mathbf i\, \sin \frac{\varphi}{2} \right) \ . $$ Следовательно, $$ A+ \mathbf i\, B = \frac{\sin \displaystyle \frac{n\, \varphi}{2} }{\sin \displaystyle \frac{\varphi}{2} } \cdot \frac{\displaystyle \cos \frac{(n+2)\, \varphi}{2} + \mathbf i\, \sin \frac{(n+2)\, \varphi}{2}} {\displaystyle \cos \frac{\varphi}{2} + \mathbf i\, \sin \frac{\varphi}{2}}= $$ ко второй дроби применяем формулу ((#тригонометрическая_форма_комплексного_числа деления чисел, представленных в тригонометрической форме)): $$ = \frac{\sin \displaystyle \frac{n\, \varphi}{2} }{\sin \displaystyle \frac{\varphi}{2} } \left(\cos \frac{(n+1)\, \varphi}{2} + \mathbf i\, \sin \frac{(n+1)\, \varphi}{2} \right) \ , $$ и вычислить мнимую часть этого выражения не составляет труда. Окончательно имеем: $$ \sin \varphi + \sin 2\, \varphi + \dots + \sin n\, \varphi = \frac{\sin \displaystyle \frac{n}{2} \, \varphi \, \sin \displaystyle \frac{n+1}{2} \, \varphi } {\sin \displaystyle \frac{1}{2} \, \varphi} \ npu \ \varphi \not\equiv 0 \pmod{2\, \pi} \ . $$ В качестве "бонуса" мы получили и аналогичную формулу для косинусов: $$ \cos \varphi + \cos 2\, \varphi + \dots + \cos n\, \varphi = \frac{\sin \displaystyle \frac{2\,n+1}{2} \, \varphi}{2 \sin \displaystyle \frac{1}{2} \, \varphi} - \frac{1}{2} \ . $$ После того, как искомая формула выведена, не составляет труда доказать ее другим способом --- без применения аппарата комплексных чисел. В самом деле, домножим левую ее часть на $ \sin \varphi/2 $: $$ \sin \varphi \cdot \sin \frac{1}{2} \, \varphi + \sin 2\, \varphi \cdot \sin \frac{1}{2} \, \varphi + \dots + \sin n\, \varphi \cdot \sin \frac{1}{2} \, \varphi = $$ и преобразуем каждое произведение в разность косинусов: $$ =\frac{1}{2} \bigg(\cos \frac{3}{2} \, \varphi - \cos \frac{1}{2} \, \varphi + \cos \frac{5}{2} \, \varphi - \cos \frac{3}{2} \, \varphi + \dots + $$ $$ + \cos \left( n + \frac{1}{2} \right) \, \varphi - \cos \left( n - \frac{1}{2} \right) \, \varphi \bigg) = $$ все слагаемые, кроме двух, сокращаются: $$ =\frac{1}{2} \left(\cos \left( n + \frac{1}{2} \right) \, \varphi - \cos \frac{1}{2} \, \varphi \right) = \sin \displaystyle \frac{n}{2} \, \varphi \, \sin \displaystyle \frac{n+1}{2} \, \varphi \ , $$ и мы получили числитель дроби, стоящей в правой части выведенной формулы. В чем же заключалась польза от комплексных чисел, если доказать формулу можно и без их использования? --- Да в том, что эти числа позволили нам __вывести__ эту формулу, т.е. дали возможность угадать неизвестный путь к истине. !!?!! Свернуть сумму $$\cos \varphi + \cos 3\, \varphi + \dots + \cos (2n-1)\varphi \ . $$ **Ответ** ((:complex_num:vspom1 ЗДЕСЬ)) !!§!! Применение формулы суммы косинусов см. в разделе ((:interpolation:dft:vspom3 ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКАЯ ИНТЕРПОЛЯЦИЯ)) ==== Синус и косинус кратного угла == **Задача.** Найти общую формулу, выражающую $ \cos n \varphi $ через $ \cos \varphi $ и $ \sin \varphi $. Из школьного курса алгебры известна такая формула для $ n_{}=2 $: $ \cos 2 \varphi = \cos^2 \varphi - \sin^2 \varphi $. Для выведения же общей формулы воспользуемся двумя формулами разложения $ \left(\cos \varphi + \mathbf i \, \sin \varphi \right)^n $: формулой ((:binomial бинома Ньютона)) $$ \left(\cos \varphi + \mathbf i \, \sin \varphi \right)^n = $$ $$ =\cos^{n} \varphi+C_n^1 \cos^{n-1} \varphi \sin \varphi \mathbf i+C_n^2 \cos^{n-2} \varphi \sin^2 \varphi \mathbf i^2 +C_n^3 \cos^{n-3} \varphi \sin^3 \varphi \mathbf i^3+ $$ $$ +C_n^4 \cos^{n-4} \varphi \sin^4 \varphi \mathbf i^4+\dots+\sin^n \varphi \mathbf i^n $$ и ((#формула_муавра формулой Муавра)). Получаем: $$ \cos n\varphi + \mathbf i \, \sin n\varphi =\left(\cos \varphi + \mathbf i \, \sin \varphi \right)^n= $$ $$ =\left(\cos^n \varphi - C_n^2 \cos^{n-2}\varphi \sin^2 \varphi + C_n^4 \cos^{n-4}\varphi \sin^4 \varphi - \dots \right) + $$ $$ + \mathbf i \, \left(C_n^1 \cos^{n-1}\varphi \sin \varphi - C_n^3 \cos^{n-3}\varphi \sin^3 \varphi- \dots \right) \ . $$ На основании ((#определение аксиомы равенства)) комплексных чисел: $$ \begin{array}{cl} \cos n\varphi = & \cos^n \varphi - \displaystyle \frac{n(n-1)}{2} \cos^{n-2}\varphi \sin^2 \varphi + C_n^4 \cos^{n-4}\varphi \sin^4 \varphi - \dots \\ = & \displaystyle \sum_{j=0}^{\lfloor n/2 \rfloor} (-1)^j C_n^{2\, j} \sin^{2\, j} \varphi \cos^{n-2\,j} \varphi \ ; \\ \sin n\varphi = & \sin \varphi \left(n \cos^{n-1}\varphi -C_n^3 \cos^{n-3}\varphi \sin^2 \varphi +C_n^5 \cos^{n-5}\varphi \sin^4 \varphi-\dots \right) = \\ = &\displaystyle \sum_{j=0}^{\lfloor (n-1)/2 \rfloor} (-1)^j C_n^{2\, j+1} \sin^{2\, j+1} \varphi \cos^{n-2\,j-1} \varphi \ . \end{array} $$ Здесь $ C_n^k $ означает ((:algebra2:notations#биномиальный_коэффициент биномиальный коэффициент)), а $ \lfloor \quad \rfloor $ --- ((:algebra2:notations#целая_часть_числа целую часть числа)). Таким образом, снова комплексные числа позволили нам вывести два совершенно вещественных равенства. !!П!! **Пример**. $$ \begin{array}{ll} \cos \, 4\varphi &= \cos^4 \varphi - 6\, \cos^2 \varphi \sin^2 \varphi + \sin^4 \varphi \ ,\\ \sin \, 5\varphi &= 5 \, \cos^4 \varphi \sin \varphi - 10 \, \cos^2 \varphi \sin^3 \varphi+ \sin^5 \varphi \ . \end{array} $$ !!?!! Найти выражения $ \sin \, n \varphi $ через $ \sin \varphi $ и $ \cos \, n \varphi $ через $ \cos \varphi $. **Решение** ((:complex_num:vspom4 ЗДЕСЬ)). !!?!! Найти выражение $ \operatorname{tg}\, n \varphi $ через $ \operatorname{tg} \, \varphi $. !!§!! Решение обратной задачи: выражение $ \cos^n \varphi $ и $ \sin^n \varphi $ через косинусы и синусы кратных углов, т.е. через $ \cos \varphi,\sin \varphi,\cos 2\varphi , \sin 2\varphi ,\dots, \cos n\varphi , \sin n\varphi $ ((complex_num:vspom2 ЗДЕСЬ)). === Извлечение корня из комплексного числа == Пусть $ n_{} $ означает натуральное число. **Корнем** $ n_{} $**-й степени** из комплексного числа $ z_{} $ называется такое комплексное число $ w_{} $, что $ w^n=z $. Очевидно, что корень первой степени из $ z_{} $ совпадает с самим числом $ z_{} $ и корень любой степени из $ 0_{} $ равен $ 0_{} $ (в дальнейшем эти случаи рассматривать не будем). Обозначение корня при $ n\ge 2 $ такое же как и в случае вещественных чисел: $$ w = \sqrt[n]{z}, \ \mbox{ а при } n=2 \ \mbox{ показатель обычно не указывают: } w=\sqrt{z} \ . $$ **Задача.** Вычислить $ \displaystyle \sqrt[n]{z} $. ==== Квадратный корень == Пусть $ z_{} $ представлено в каноническом виде: $ z=a+\mathbf i b $ при $ \{ a,b \}\subset \mathbb R $. Будем искать число $ w $ также в каноническом виде: $ w=x+ \mathbf i y $, где $ x_{} $ и $ y_{} $ неизвестные __вещественные__ величины. По определению квадратного корня, должно быть выполнено: $$w^2=z \ \iff \ (x+ \mathbf i y)^2 = a+\mathbf i b \ \iff \ (x^2-y^2) + 2\,\mathbf i xy = a+\mathbf i b \iff $$ $$ \ \iff \ x^2-y^2 = a,\ 2\, xy = b \ . $$ (на основании аксиомы равенства комплексных чисел). Возведем оба получившихся уравнения в квадрат и сложим: $$\left(x^2+y^2 \right)^2 = a^2+ b^2 \ \iff \ x^2+y^2 = \sqrt{a^2+ b^2} \ \mbox{(поскольку } \{x,y \}\subset \mathbb R \mbox{ )} \ . $$ Вместе с первым уравнением получаем линейную систему относительно $ x_{}^2 $ и $ y_{}^2 $. Решаем ее относительно $ x_{}^2 $: $$x^2=\frac{1}{2} \left(a+\sqrt{a^2+ b^2} \right) \Rightarrow x=\pm \frac{1}{\sqrt{2}} \sqrt{a+\sqrt{a^2+ b^2}} \ . $$ Имеем: $ x=0 \iff b=0, a\le 0 $. В этом случае $ y=\pm \sqrt{-a} $. Таким образом: $$ \sqrt{a}= \pm \mathbf i \sqrt{-a} \quad npu \ a<0 \ . $$ Если $ b \ne 0 $, то $$ y=\frac{b}{2\,x}= \pm \frac{b}{\sqrt{2}\, \sqrt{a+\sqrt{a^2+ b^2}}}= \pm \frac{1}{\sqrt{2}} \sqrt{- a+\sqrt{a^2+ b^2} } \, \operatorname{sign}\, (b) \ ; $$ здесь $ \operatorname{sign} $ означает ((:algebra2:notations#знак_числа знак числа)). Таким образом: $$ \sqrt{z} =\pm \frac{1}{\sqrt{2}} \left(\sqrt{a+\sqrt{a^2+ b^2}} +\mathbf i \sqrt{-a+\sqrt{a^2+ b^2}} \, \, \operatorname{sign} \, (b) \right) \ . $$ !!?!! Вычислить **а)** $ \sqrt{2\, \mathbf i} $; **б)** $ \sqrt{-3} $ ; **в)** $ \sqrt{2-3\, \mathbf i} $. Формулы для вычисления квадратного корня позволят теперь решить любое квадратное уравнение $$z^2+p\, z+q=0, \quad npu \ \{p,q \}\subset \mathbb C \ .$$ В самом деле, преобразуем левую часть, выделив полный квадрат: $$ z^2+p\, z+q=z^2+p\, z+\left(\frac{p}{2}\right)^2 +\left(q-\frac{p^2}{4} \right)= \left( z + \frac{p}{2} \right)^2 - \frac{\mathcal D}{4} $$ при $$ \mathcal D= p^2-4\, q \ ,$$ т.е. известному нам по вещественному случаю **дискриминанте** квадратного трехчлена. Итак, квадратное уравнение преобразовано к виду: $$\left( z + \frac{p}{2} \right)^2 = \frac{\mathcal D}{4} \ ,$$ их которого получаем привычную форму записи его ((:polynomial#корни корней)) $$ z_{1,2}=\frac{1}{2} \left(-p\pm \sqrt{\mathcal D} \right) \ , $$ с той только оговоркой, что теперь под $ \sqrt{\mathcal D} $ понимается два значения корня квадратного из __комплексного__ числа. !!П!! **Пример.** Решить уравнение $ z^2-2\, z+3=0 $. **Решение.** Здесь $ \mathcal D=-8 $ и $ \sqrt{\mathcal D}= \pm \mathbf i 2 \sqrt{2} $. **Ответ.** $ 1\pm \mathbf i \sqrt{2} $. !!П!! **Пример.** Решить уравнение $ z^2-(3+2\, \mathbf i )\, z +(5+5\, \mathbf i ) =0 $. **Решение.** Здесь $ \mathcal D=(3+2\, \mathbf i )^2-4\, (5+5\, \mathbf i )=-15 - 8\, \mathbf i $. По формуле извлечения корня: $ \sqrt{\mathcal D}=\pm (1-4\, \mathbf i ) $. **Ответ.** $ 2- \mathbf i ,\ 1+3\, \mathbf i $. !!П!! **Пример.** Решить уравнение $ (3- \mathbf i )\, z^2+(1+ \mathbf i )\, z + 6\, \mathbf i =0 $. **Решение.** Можно сначала поделить все уравнение на коэффициент при $ z^2 $, но можно действовать и напрямую, обобщив понятие дискриминанта: $$ \mathcal D=(1+ \mathbf i )^2- 4\, (3- \mathbf i )\, 6\, \mathbf i=-24-70\, \mathbf i \ , \ \sqrt{\mathcal D}=\pm ( 5 - 7\, \mathbf i ) \ ,$$ а также формулу вычисления корней: $$ z_{1,2}=\frac{-(1+ \mathbf i) \pm ( 5 - 7\, \mathbf i )}{2 (3- \mathbf i)} \ . $$ **Ответ.** $ 1-\mathbf i \ , -\frac{6}{5} + \frac{3}{5} \mathbf i $. ====Общий случай == Алгоритм предыдущего пункта может быть очевидным образом обобщен для нахождения корней степеней $ 2^m $ из комплексных чисел. Понятно также, что количество корней возрастает вдвое при переходе от $ 2^m $ к $ 2^{m+1} $. Вопрос о том будут ли все эти корни различными пока открыт. Попробуем найти приемом, задействованным в предыдущем пункте, величину $ \sqrt[3]{z} $. $$ w^3=z \ \iff \ (x+ \mathbf i y)^3 = a+\mathbf i b \iff \left(x^3-3\, x y^2 \right) + \mathbf i \, (3\, x^2 y-y^3) = a+\mathbf i b $$ $$ \iff \left\{ \begin{array}{c} x^3-3\, x y^2 = a, \\ 3\, x^2 y-y^3 = b \ . \end{array} \right. $$ Возведем оба получившихся уравнения в квадрат и сложим: $$x^6+3\, x^4y^2+3\, x^2y^4+y^6=a^2+b^2 \ \iff \ (x^2+y^2)^3=a^2+b^2 $$ $$ \ \iff \ x^2+y^2 = \sqrt[3]{a^2+b^2}\ . $$ Выразим отсюда $ y^2 $ и подставим в первое уравнение: $$ 4\, x^3 - 3\, x \sqrt[3]{a^2+b^2} -a =0 \ . $$ Получилось кубическое уравнение относительно неизвестной вещественной величины $ x_{} $. Существует общий метод решения подобного уравнения (см. ((:polynomial#уравнение_третьей_степени ЗДЕСЬ))); однако его применение к настоящему случаю отягощается серьезной проблемой. Настоящее замечание может быть пропущено без ущерба для понимания оставшейся части раздела. Речь идет о ((polynomial:radical#уравнение_третьей_степениформула_кардано формуле Кардано)) представления корней кубического уравнения в радикалах относительно коэффициентов этого уравнения. Однако в данном конкретном примере мы сталкиваемся с так называемым ((:polynomial:radical#анализ_формулы_кардано_для_полиномов_с_вещественными_коэффициентами неприводимым случаем)) формулы Кардано: заведомо вещественные корни могут быть выражены только посредством мнимых чисел! Получаем порочный круг[[circulus vitiosus (//лат.//)]]: искомые комплексные величины $ \sqrt[3]{z} $ ищутся через посредство кубического уравнения с вещественными корнями, для которых, в свою очередь, имеется только комплексные представления. Попробуем решить получившееся кубическое уравнение хотя бы при частных значениях $ a_{} $ и $ b_{} $. Пусть, например, $ b=0 $, тогда $$4\, x^3 - 3\, x \sqrt[3]{a^2} -a=(x- \sqrt[3]{a}) \left(4\, x^2 +4\,\sqrt[3]{a} x +\left( \sqrt[3]{a} \right)^2 \right)= (x- \sqrt[3]{a})\left( 2\, x + \sqrt[3]{a} \right)^2 \ ,$$ т.е. решениями уравнения являются $$x_1=\sqrt[3]{a},\ x_{2,3}=- \frac{1}{2} \sqrt[3]{a} \ . $$ Подставляя в первое из уравнений, получим соответствующие значения для $ y_{} $: $$y_1=0,\ y_{2,3}=\pm \frac{\sqrt{3}}2 \sqrt[3]{a} \ . $$ Таким образом, кубический корень из вещественного числа $ z=a $ имеет три значения: $$ \left\{ \sqrt[3]{a},\ \sqrt[3]{a} \left(-\frac{1}{2} \pm \mathbf i \frac{\sqrt{3}}2 \right) \right\} \ . $$ Рассмотрим теперь случай $ a_{}=0 $. Уравнение принимает вид $$4\, x^3 - 3\, x \sqrt[3]{b^2}=0 \ ,$$ из которого сразу же находятся значения $ x_{} $: $$x_1=0,\ x_{2,3}= \pm \frac{\sqrt{3}}{2} \sqrt[3]{b} \ . $$ Соответствующие значения для $ y $: $$ y_1=- \sqrt[3]{b},\ y_{2,3}= \frac{1}{2} \sqrt[3]{b} \ . $$ Таким образом, кубический корень из чисто мнимого числа $ z=\mathbf i b $ имеет три значения: $$ \left\{ -\mathbf i \sqrt[3]{b},\ \sqrt[3]{b} \left( \pm \frac{\sqrt{3}}2 + \frac{1}{2}\, \mathbf i \right) \right\} \ . $$ ---- Теперь приведем другой способ вычисления $ w=\sqrt[n]{z} $, основанный на тригонометрической форме записи чисел $ w_{} $ и $ z_{} $. Пусть $$z=a+\mathbf i b= \rho \left( \cos \varphi + \mathbf i \sin \varphi \right) \ , w=x+\mathbf i y = r \left( \cos \vartheta + \mathbf i \sin \vartheta \right) \ .$$ Применяя ((#формула_муавра формулу Муавра)), получаем $$w^n=r^n \left( \cos n\vartheta + \mathbf i \sin n\vartheta \right)= \rho \left( \cos \varphi + \mathbf i \sin \varphi \right)$$ и на основании правила равенства комплексных чисел, представленных в тригонометрической форме, получаем: $$r^n = \rho ,\ n\vartheta \equiv \varphi \pmod{2 \pi}$$ Первое из этих равенств мы получали в явном виде для квадратных и кубических корней, оно равносильно $$r= \sqrt[n]{\rho} \ , $$ т.е. модуль корня $ n_{} $-й степени из комплексного числа равен (арифметическому) корню $ n_{} $-й степени из модуля этого числа. !!Т!! **Теорема.** //Существует// $ n_{} $ //различных значений корня// $ n_{} $//-й степени из комплексного числа// $ z=\rho (\cos \varphi + \mathbf i \sin \varphi ) $. //Все они даются формулой// $$ w_k= \sqrt[n]{\rho} \left(\cos \frac{\varphi+2 \pi k}{n} + \mathbf i \sin \frac{\varphi+2 \pi k}{n}\right) \ npu \ k\in \{0,1,\dots, n-1\} \ . $$ **Доказательство** того, что при любом целом числе $ k_{} $ числа $ w_k $ являются корнями $ n $-й степени из $ z_{} $ уже проведено. Далее, из периодичности $ \sin $ и $ \cos $ следует, что $$w_{0}=w_{nk},\ w_{1}=w_{nk+1},\dots , w_{n-1}=w_{nk+n-1} \quad npu \ k\in \mathbb Z \ , $$ т.е. все эти корни содержатся в объявленном множестве. Осталось показать, что все числа $ w_0,w_1,\dots, w_{n-1} $ различны. Но это так и есть, поскольку их аргументы не подчиняются ((#тригонометрическая_форма_комплексного_числа правилу равенства комплексных чисел)). !!П!!** Пример.** Вычислить $ \sqrt[3]{\mathbf i} $ . **Решение.** $ \mathbf i= \cos {\pi}/2 + \mathbf i \sin {\pi}/2 $ $$\sqrt[3]{\mathbf i} = \sqrt[3]{\cos \frac{\pi}2 + \mathbf i \sin \frac{\pi}{2}}= \cos \frac{{\pi}/2 + 2\pi k}{3} + \mathbf i \sin \frac{{\pi}/2 + 2\pi k}{3} \ npu \ k \in \{0,1,2\}.$$ Видим, что значения $$w_0=\cos \frac{\pi}6 + \mathbf i \sin \frac{\pi}6=\frac{\sqrt{3}}2 + \frac{1}{2} {\mathbf i} \ , \quad w_1= \cos \frac{5\pi}6 + \mathbf i \sin \frac{5\pi}6=-\frac{\sqrt{3}}2 + \frac{1}{2} {\mathbf i} \ , \quad w_2=\cos \frac{3\pi}2 + \mathbf i \sin \frac{3\pi}2=-\mathbf i $$ совпадают с выведенной выше формулой для $ \sqrt[3]{\mathbf i b} $. !!П!!** Пример.** Вычислить $ \sqrt[7]{1+9\, \mathbf i} $. **Решение.** $$ 1+9\, \mathbf i =\sqrt{82}\left(\cos \varphi + \mathbf i \sin \varphi \right) \quad npu \ \varphi=\arccos \frac{1}{\sqrt{82}} \approx 1.460139106 \ . $$ Значения корней получаются по формуле $$ \{w_k\}_{k=0}^6=\left\{ \sqrt[14]{82} \left(\cos \frac{\varphi+2 \pi k}{7} + \mathbf i \sin \frac{\varphi+2 \pi k}{7}\right) \right\}_{k=0}^6 \ \approx $$ $$ \approx \big\{1.34024 + 0.28368\, \mathbf i,\ 0.61383 + 1.22472 \, \mathbf i,\ -0.57480 + 1.24351\, \mathbf i,\ -1.33060 + 0.32591\, \mathbf i,\ -1.08442 - 0.83710 \, \mathbf i, $$ $$ -0.02165 - 1.36976 \, \mathbf i,\ 1.05742 - 0.87096 \, \mathbf i \big\} \ . $$ Изобразим корни на комплексной плоскости: видим, что они располагаются на окружности с центром в $ 0_{} $ и радиусом $ \sqrt[14]{82} \approx 1.36993 $; и делят эту окружность на $ 7_{} $ дуг одинаковой длины. {{ roots1.gif |}} {{ roots2.gif |}} Аналитика подтвержает геометрию: число $ w_k $ может быть получено домножением $ w_0 $ на число $ \cos 2 \pi k/7 + \mathbf i \sin 2 \pi k/7 $, что соответствует повороту вектора $ \vec{Ow_0} $ на угол кратный $ 2\pi/7 $. ==== Корни из единицы == Обобщим соображения из последнего примера: корень $ n_{} $-й степени из комплексного числа $ z_{} $ можно представить в виде произведения $$ \sqrt[n]{\rho} \left(\cos \frac{\varphi+2 \pi k}{n} + \mathbf i \sin \frac{\varphi+2 \pi k}{n}\right) = $$ $$ =\sqrt[n]{\rho} \left( \cos \frac{\varphi}{n} + \mathbf i \sin \frac{\varphi}{n} \right) \left( \cos \frac{2 \pi k}{n} + \mathbf i \sin \frac{2 \pi k}{n} \right)= w_0 \left( \cos \frac{2 \pi k}{n} + \mathbf i \sin \frac{2 \pi k}{n} \right) $$ двух сомножителей, первый из которых не зависит от $ k_{} $. Числа $$ \varepsilon_k = \cos \frac{2 \pi k}{n} + \mathbf i \sin \frac{2 \pi k}{n} $$ при $ k\in \{0,1,\dots,n-1\} $ имеют очевидный смысл --- они являются корнями $ n $-й степени из единицы: $$ \varepsilon_k^n=1 \quad npu \quad k\in \{0,1,\dots,n-1 \} \ . $$ Также очевидно, что $ \varepsilon_0=1 $. !!Т!! **Теорема.** //Множество всех корней// $ n_{} $//-й степени из комплексного числа// $ z_{} $ //можно представить в виде произведения какого-то фиксированного корня на множество всех корней// $ n_{} $//-й степени из// $ 1_{} $: $$\{w_k \}_{k=0}^{n-1} = \{w_j \varepsilon_k \}_{k=0}^{n-1} \ .$$ **Доказательство.** Для $ j=0 $ справедливость утверждения уже показана. Для $ j>0 $ она очевидно следует из равенства $ w_j \varepsilon_k=w_0 \varepsilon_{k+j} $ и цикличности последовательности $ \{\varepsilon_{k}\}_{k=0,1,2,\dots} $. !!П!! **Пример.** Множества корней $ n_{} $-й степени из $ 1_{} $: $$\begin{array}{l|l} n=1& 1 \\ & \\ n=2& 1,\, -1 \\ & \\ n=3& 1,\, -\frac{1}{2} + \mathbf i \frac{\sqrt{3}}{2},\, -\frac{1}{2} - \mathbf i \frac{\sqrt{3}}2 \\ & \\ n=4& 1,\, \mathbf i,\, -1,\, -\mathbf i \\ & \\ n=5& 1,\, \frac{1}{4} \left( \scriptstyle{(\sqrt{5}-1)} +\displaystyle{\mathbf i} \scriptstyle{\sqrt{2 (5+\sqrt{5})}} \right),\, \frac{1}{4} \left( -\scriptstyle{(\sqrt{5}+1)} +\displaystyle{\mathbf i} \scriptstyle{\sqrt{2 (5-\sqrt{5})}} \right),\, \frac{1}{4} \left( -\scriptstyle{(\sqrt{5}+1)} - \displaystyle{\mathbf i} \scriptstyle{\sqrt{2 (5-\sqrt{5})}} \right),\, \frac{1}{4} \left( \scriptstyle{(\sqrt{5}-1)} - \displaystyle{\mathbf i} \scriptstyle{\sqrt{2 (5+\sqrt{5})}} \right) \\ & \\ n=6& 1,\ \frac{1}{2} + \mathbf i \frac{\sqrt{3}}{2} ,\ -\frac{1}{2} + \mathbf i \frac{\sqrt{3}}{2}, -1,\ - \frac{1}{2} - \mathbf i \frac{\sqrt{3}}{2},\ \frac{1}{2} - \mathbf i \frac{\sqrt{3}}{2} \end{array} $$ Как были получены эти выражения? --- Мы ведь не выводили в предыдущем пункте алгебраического представления для, скажем $ \sqrt[5]{z} $, но, тем не менее, какие-то значения в таблице привели. Ответ на этот вопрос заключается в том, что уравнение $ z^n-1=0 $, определяющее корни $ n_{} $-й степени из $ 1_{} $, иногда удается решить в "хороших" выражениях (см. ((:polynomial:reciprocal ВОЗВРАТНЫЙ ПОЛИНОМ)) ). Так, к примеру, уравнение $ z^9-1=0 $ можно переписать в виде: {{ roots91.gif|}} $$ (z^9-1)\equiv (z-1)(z^2+z+1)(z^6+z^3+1)=0 \ , $$ и выражения для, по крайней мере, трех его корней угадываются сразу: $$ \left\{ 1,\, -\frac{1}{2} + \mathbf i \frac{\sqrt{3}}{2},\, -\frac{1}{2} - \mathbf i \frac{\sqrt{3}}2 \right\} \ . $$ Разумеется, они совпадают с уже встречавшимися в таблице корнями кубическими из $ 1_{} $. Оставшееся уравнение $ z^6+z^3+1=0 $ можно свести к квадартному заменой переменной. Но дальше пройти не удается: алгебраические выражения для корней этого уравнения не получить. Уравнение $ z^n-1=0 $ называется **уравнением деления круга** --- с очевидным геометрическим смыслом [[Понятно, что уравнение $ z^n-w=0 $, при фиксированном комплексном числе $ w_{} $ тоже может считаться уравнением деления круга --- но название закрепилось именно за указанным уравнением.]]. !!Т!! **Теорема.** //Для любых// $ \{k,\ell\}\subset \{0,1,\dots,n-1\} $ //справедливы равенства// $$ \varepsilon_{k}=\varepsilon_{1}^k \ , \ \overline{\varepsilon_{k}}= \frac{1}{\varepsilon_{k}}=\varepsilon_{n-k},\ \varepsilon_{k}\varepsilon_{\ell}= \varepsilon_{k+\ell \pmod{n}}= \left\{ \begin{array}{lc} \varepsilon_{k+\ell} & npu \ k+\ell ((complex_num:vspom3 ЗДЕСЬ)) Пусть $ \varepsilon_{} $ --- корень $ n_{} $-й степени из $ 1_{} $. Говорят, что он является **первообразным корнем n-й степени из 1** или что он **принадлежит показателю n** если $ \varepsilon_{} $ не является корнем меньшей степени из $ 1_{} $: $$ \varepsilon^j \ne 1 \quad npu \ j\in \{1,\dots,n-1\},\quad \varepsilon^n = 1 \ . $$ Образно говоря: если мы построим таблицу подобную той, что построена в предыдущем примере, для всех корней степеней $ 2,3,\dots, n $, то первообразным корнем $ n_{} $-й степени из $ 1_{} $ будет тот, который нигде раньше в этой таблице не встречался. !!П!! **Пример.** В приведенном выше примере, корень $ \displaystyle -\frac{1}{2} + \mathbf i \frac{\sqrt{3}}{2} $ не является первообразным корней $ 6_{} $-й степени из $ 1_{} $, но является первообразным корнем $ 3_{} $-й степени из $ 1_{} $. !!Т!! **Теорема.** //Корень// $$ \varepsilon_k = \cos \frac{2 \pi k}{n} + \mathbf i \sin \frac{2 \pi k}{n} $$ //будет первообразным степени// $ n_{} $ //тогда и только тогда, когда// $ \operatorname{HOD} (k,n)=1 $ ( $ \operatorname{HOD} $ //означает// ((numtheory#алгоритм_евклида наибольший общий делитель)) ). !!?!! Указать индексы $ k\in\{0,\dots, 15\} $, которые соответствуют первообразным корням $ \displaystyle \cos \frac{2 \pi k}{16} + \mathbf i \sin \frac{2 \pi k}{16} $ степени $ 16 $ из $ 1_{} $. !!?!! Будет ли произведение двух первообразных корней степени $ n_{} $ первообразным корнем степени $ n_{} $ ? !!=>!! При любом $ n\in \mathbb N $ корень $$ \varepsilon_1 = \cos \frac{2 \pi }{n} + \mathbf i \sin \frac{2 \pi }{n} $$ будет первообразным степени $ n_{} $. !!?!! Будет ли $ \varepsilon_{n-1} $ первообразным корнем? !!=>!! Число первообразных корней $ n_{} $-й степени из $ 1_{} $ равно $ \phi (n) $, где $ \phi $ --- ((:numtheory#функция_эйлера функция Эйлера)). !!?!! ((#источники [2])). Пусть $ \varepsilon_{k} $ --- первообразный корень. Доказать, что $ \varepsilon_{k}^{k^{^{\phi(n)-1}}} = \varepsilon_{1} $. !!=>!! Произвольный корень $ n_{} $-й степени из $ 1_{} $ может быть получен как некоторая степень произвольного первообразного корня $ n_{} $-й степени из $ 1_{} $. В самом деле, если $ \varepsilon^n=1 $ и $ \varepsilon^j\ne 1 $ при $ j\in \{1,2,\dots,n-1\} $, то все числа $ \varepsilon, \varepsilon^2,\dots,\varepsilon^{n-1} $ будут корнями $ n_{} $-й степени из $ 1_{} $, все они будут различны между собой и отличны от $ 1_{} $. Следовательно, эти степени представляют собой перестановку корней $ \varepsilon_1, \varepsilon_2,\dots, \varepsilon_{n-1} $. !!?!! В каком случае степень первообразного корня будет первообразным корнем? !!§!! ''Подробнее об уравнении деления круга'' ((:complex_num:circlediv ЗДЕСЬ)) !!§!! ''Использование корней из единицы'' ((:interpolation:dft#дискретное_преобразование_фурье ДИСКРЕТНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ)) ===Экспоненциальное представление комплексного числа== Материал настоящего раздела довольно сложен и может быть пропущен при первом чтении. Еще одно представление комплексного числа может быть организовано на основании важной функции комплексного аргумента. В курсе математического анализа доказывается существование следующего предела $$ \lim_{n\to+\infty} \left(1+\frac{1}{n}\right)^n \ , $$ он имеет специальное обозначение[[В честь Леонарда Эйлера.]]: $$ e \approx 2.7182818284590452353602874713526624977572470936999595... $$ и исключительно важен в приложениях. Также доказывается, что показательная функция $ e^x $ (**экспонента**) может быть представлена рядом Тейлора $$ e^x=1+x+ \frac{x^2}{2!}+\dots + \frac{x^n}{n!}+\dots = \sum_{j=0}^{\infty} \frac{x^j}{j!} $$ сходящимся при всех $ x\in \mathbb R $. Аналогичным рядом по комплексной переменной $ z=x+ \mathbf i y $ определяется **комплексная экспонента**: $$ e^z=1+z+ \frac{z^2}{2!}+\dots + \frac{z^n}{n!}+\dots = \sum_{j=0}^{\infty} \frac{z^j}{j!} \ ; $$ и в курсе теории функций комплексной переменной доказывается, что этот ряд сходится при всех $ z\in \mathbb C $. По аналогии с рядами Тейлора для функций $$ \sin x = x - \frac{x^3}{3!}+\frac{x^5}{5!}-\frac{x^7}{7!}+\dots = \sum_{j=0}^{\infty} \frac{(-1)^jx^{2j+1}}{(2j+1)!} $$ и $$ \cos x = 1- \frac{x^2}{2!}+\frac{x^4}{4!}-\frac{x^6}{6!}+\dots = \sum_{j=0}^{\infty} \frac{(-1)^jx^{2j}}{(2j)!} $$ определяются тригонометрические функции $$ \sin z = z - \frac{z^3}{3!}+\frac{z^5}{5!}-\frac{z^7}{7!}+\dots = \sum_{j=0}^{\infty} \frac{(-1)^jz^{2j+1}}{(2j+1)!} $$ и $$ \cos z = 1- \frac{z^2}{2!}+\frac{z^4}{4!}-\frac{z^6}{6!}+\dots = \sum_{j=0}^{\infty} \frac{(-1)^jz^{2j}}{(2j)!} ; $$ оба ряда сходятся при всех $ z\in \mathbb C $. В комплексной плоскости (как и на вещественной оси) справедливы тождества $$ \sin (-z) \equiv - \sin z,\quad \cos (-z) \equiv \cos z \ , $$ т.е. функция $ \sin $ является нечетной, а функция $ \cos $ --- четной. !!Т!! **Теорема [Эйлер].** //Формула// $$ e^{\mathbf i z} \equiv \cos z + \mathbf i \sin z $$ //имеет место при всех// $ z \in \mathbb C $. **Доказательство.** $$ \begin{array}{ccl} e^{\mathbf i z}&=& \displaystyle 1+\mathbf i z+ \frac{\mathbf i^2 z^2}{2!}+\frac{\mathbf i^3 z^3}{3!}+\frac{\mathbf i^4 z^4}{4!}+ \dots = 1+\mathbf i z- \frac{z^2}{2!}-\frac{\mathbf i z^3}{3!}+\frac{z^4}{4!}+ \dots \\ & = & \displaystyle \left(1- \frac{z^2}{2!}+\frac{z^4}{4!}-\dots \right) + \mathbf i\left(z-\frac{z^3}{3!}+\frac{z^5}{5!}- \dots \right) = \\ & = & \cos z + \mathbf i \sin z \ . \end{array} $$ !!=>!! Для вещественного числа $ \varphi $ имеем $$ e^{{\mathbf i}\varphi }= \cos \varphi + \mathbf i \sin \varphi \ ; $$ сравнивая это выражение с ((#тригонометрическая_форма_комплексного_числа тригонометрической формой)) комплексного числа $ z_{} $ получаем его **экспоненциальное представление** $$ z= \rho e^{{\mathbf i}\varphi } \ . $$ !!=>!! Следующая формула Эйлера связывает между собой четыре знаменитые математические величины: $$ e^{\mathbf i \pi}= - 1 \ . $$ !!И!! См. по поводу этой формулы ((references:newton#формула_эйлера цитату А.Н.Крылова)). !!=>!! Тригонометрические функции комплексного аргумента могут быть выражены как линейные комбинации экспонент: $$ \cos z= \frac{1}{2} \left( e^{{\mathbf i} z}+e^{-{\mathbf i} z} \right),\quad \sin z= \frac{1}{2{\mathbf i}} \left( e^{{\mathbf i} z}-e^{-{\mathbf i} z} \right) \ . $$ !!?!! Угадайте первые три цифры числа $ 1001^{1000} $. ;-) == А зачем они всё же нужны? == Этот вопрос --- о полезности комплексных чисел, о необходимости их введения --- остается открытым. Проанализируем все полученные в настоящем разделе результаты на предмет ответа на вопрос: "стоила ли овчинка выделки?", т.е. оправдано ли введение новой (и подозрительно //мнимой//) сущности получением новых и --сущ--//вещественных// результатов? 1. **Применение комплексных чисел для** ((#выведение_тригонометрических_формул выведения тригонометрических формул)). Действительно, использование аппарата мнимых чисел позволило упростить вывод вещественных равенств. Однако, после получения ответа в задаче о суммировании $ \sin \varphi + \sin 2\,\varphi+\dots + \sin n\, \varphi $ был сразу же показан альтернативный способ получения того же ответа без использования комплексных чисел. Можно ожидать, что и остальные результаты того пункта --- как то выражение синусов и косинусов кратных углов как степеней косинусов и синусов исходного угла, а также решение ((:complex_num:vspom2 обратной задачи)) --- тоже допускают принципиально вещественное решение[[Я пока не проверял, но уверен в этой возможности.]]. Таким образом, польза от введения комплексных чисел не очень оправдана применением их для решения подобных задач. 2. **Геометрические приложения.** Проанализируем их на примерах трех введенных операций. Пусть $ w=x+ \mathbf i y $ --- переменная величина, т.е. числа $ \{ x,y \} \subset \mathbb R $ могут принимать произольные значения, а $ z=a+ \mathbf i b $ --- фиксированное комплексное число. Геометрический смысл операции суммирования $ w+z $ заключается в преобразовании комплексной плоскости, а именно --- в __сдвиге__ ее точек $$ (x,y) \mapsto (x+a,y+b) $$ на фиксированную величину. Вторая из введенных операций --- комплексное сопряжение --- также имеет простое геометрическое содержание: $$ w \mapsto \overline{w} \quad \iff \quad (x,y) \mapsto (x,-y) ; $$ каждая точка комплексной плоскости __зеркально отражается__ относительно вещественной оси. Наконец, операция умножения комплексных чисел: $ w \mapsto w\cdot z $. Геометрию этой операции мы анализировали ((#тригонометрическая_форма_комплексного_числа ВЫШЕ)) переходом к тригонометрической форме записи комплексного числа. Проведем более подробый анализ. Рассмотрим сначала частный случай числа $ z_{} $: пусть его модуль равен $ 1_{} $, т.е. $ z = \cos \varphi + \mathbf i \sin \varphi $. Умножение числа $ w_{} $ на такое число $ z_{} $ равносильно __повороту__ точек комплексной плоскости на угол $ \varphi $ вокруг начала координат. Так, к примеру, умножению на мнимую единицу $ \mathbf i $ соответствует поворот точек плоскости на угол $ \pi/2 $; а если еще раз повернем на тот же угол --- то результатом будет преобразование $$ (x,y) \mapsto (-x,-y) \ ; $$ и результат снова полностью соответствует основополагающему правилу комплексных чисел: $ \mathbf i^2=-1 $. Рассмотрим теперь другой частный случай выбора числа $ z_{} $. Пусть оно будет вещественно: $ z=a \in \mathbb R $ и отлично от $ 0_{} $. Тогда $$ w \mapsto a \cdot w \quad \iff \quad (x,y) \mapsto (ax,ay) ; $$ и мы имеем дело с __растяжением__ каждого отрезка комплексной плоскости, имеющего одним концом начало координат, на величину[[Слово "растяжение" понимается в обобщенном смысле: при $ a> 1 $ --- это действительно растяжение, а вот при $ a < 1 $ --- это сжатие.]] $ a_{} $. Теперь понятно, что умножение $ w_{} $ на произвольное число $ z = \rho (\cos \varphi + \mathbf i \sin \varphi) $ (отличное от $ 0_{} $) сводится к комбинации рассмотренных выше преобразований: т.е. к одновременному повороту вокруг начала координат на угол $ \varphi $ и растяжению с коэффициентом $ \rho $. Подводим итоги: комплексные числа позволяют дать аналитические выражения (формулы) для ряда важных операций на плоскости, как то --- сдвига, зеркального отражения, поворота, растяжения. Сразу же возникают соображения о возможности комбинирования этих операций ($ w \mapsto z_1\cdot w + z_2 $, $ w \mapsto z_1\cdot (\overline{w} + z_2) $ и т.п.) для покрытия возможно большего разнообразия мыслимых геометрических преобразований. В этом месте происходит зарождение отдельного раздела комплексного анализа --- теории **функций комплексной переменной**[[Примеры более сложных функций от комплексной переменной см. в предыдущем ((#экспоненциальное_представление_комплексного_числа ПУНКТЕ)).]]. Пока не устремляясь к этим красочным горизонтам, охладим наш пыл одним критическим замечанием. Дело в том, что все указанные геометрические преобразования могут быть аналитически представлены и __без введения комплексной переменной__. Формулы $$ X=x+a, Y=y+b \ ; $$ $$X=x,Y=-y \ ; $$ $$X= x \cos \varphi - y \sin \varphi, \ \quad Y=x \sin \varphi + y \cos \varphi \ ; $$ $$ X=ax, Y=ay $$ полностью описывают все обсужденные операции на __вещественной__ плоскости $ (x,y) $. Никакой мнимой единицы вводить не нужно... :-/ И мы вынуждены повторить приведенный выше вывод: польза от введения комплексных чисел не очень оправдана применением их для решения подобных задач. Это мнение следует считать моим личным и весьма субъективным. В книге ((#источники [3])) можно найти ряд приложений комплексных чисел к задачам геометрии. Моих знаний не достаточно для оценки этих задач как представляющих исключительно только исторический интерес. 3. **Решение уравнений.** Да, задача, поставленная в начале раздела, решена: мы придали смысл словам "решить уравнение $ x^2+1 = 0 $"; более того, на основе разработанного аппарата, мы ((#квадратный_корень смогли решить)) __любое__ уравнение второго порядка. А зачем это нужно? Какой смысл имеют мнимые корни такого уравнения, какую реальность они отражают? --- Ответа на этот вопрос пока не даем. Отметим только два обстоятельства. Первое: если полагать, что //реальную// смысловую нагрузку несут хотя бы вещественные решения уравнения, то, оказывается, что без комплексных чисел не обойтись. !!П!! **Пример.** Решить уравнение $ x^3-3\,x+1=0 $. **Ответом** будут три вещественных корня: $$ 2 \cos ({2\pi}/9) \approx 1.53208,\ 2 \cos ({4\pi}/9) \approx 0.34729,\ 2 \cos ({8\pi}/9) \approx -1.87938 \, . $$ Истинность можно проверить подстановкой в уравнение (с применением формулы приведения для степени косинуса, выведенной ((:complex_num:vspom2 ЗДЕСЬ)) ). Как был получен этот ответ? Решение этого примера на основе формулы Кардано изложено ((:polynomial:radical#анализ_формулы_кардано_для_полиномов_с_вещественными_коэффициентами ЗДЕСЬ)). Это решение существенно использует комплексные числа в промежуточных выкладках, хотя они и не участвуют в конечном результате. В данном конкретном примере можно было бы обойтись без них --- например, каким-то чудесным способом угадав ответ. Но попробуйте угадать ответ для, скажем, уравнения $ x^3-17\,x+2=0 $ (которое также имеет три вещественных корня). Ответ можно выразить в виде определенной комбинации коэффициентов уравнения, но эта комбинация будет явным образом содержать $ \mathbf i $. Попытки избавиться от мнимой единицы не приводят к результату. Именно эта задача --- решения кубического уравнения с вещественными коэффициентами и заведомо вещественными решениями --- привела к первому появлению комплексных чисел на математическом горизонте в XVI веке; иными словами, для получения правильного вещественного ответа пришлось вводить число с парадоксальным правилом возведения в квадрат: $ \mathbf i^2=-1 $. См. свидетельство "психологического шока" первооткрывателя ((:polynomial:radical#анализ_формулы_кардано_для_полиномов_с_вещественными_коэффициентами слова Кардано)). Второе обстоятельство, оправдывающее введение комплексных чисел, заключается в их достаточности для решения __произвольного__ уравнения вида $ a_0x^n+a_1x^{n-1}+\dots+a_n=0 $; здесь $ n_{} $ --- натуральное число, $ a_0,a_1,\dots,a_n $ --- произвольные фиксированные числа, а $ x_{} $ --- неизвестная, относительно которой разыскивается решение уравнения. Оказывается, что все решения этого уравнения можно найти в комплексных числах --- при любых коэффициентах (будь они вещественные или даже мнимые). Иными словами, введения других, "сверхкомплексных", чисел не требуется. Этот результат носит название ((:polynomial#основная_теорема_высшей_алгебры "Основной теоремы высшей алгебры")); это название объясняется тем, что вплоть до конца XIX века основной задачей алгебры считалась задача ((:algebra2:course#цели_и_задачи_курса решения уравнений и систем уравнений)). 4. Наконец, исключительно важное значение мнимые числа имеют в экономической науке. К примеру, вручение престижной премии ;-) в номинации "Экономика" за 2002 г. см. ((http://improbable.com/ig/ig-pastwinners.html#ig2002 ЗДЕСЬ)). ((:complex_num:riemann .)) ==Задачи== ((:complex_num:problems ЗДЕСЬ)) ==Источники== [1]. **Uspensky J.V.** //Theory of Equations.// New York. McGraw-Hill. 1948 [2]. Задача № E 1899 из журнала //American Mathematical Monthly//, v. 74, N 8, 1967, c. 1010 [3]. **Яглом И.М.** //Комплексные числа и их применение в геометрии.// М.Едиториал УРСС, 2004 [4]. **Фаддеев Д.К.** //Лекции по алгебре.// М.Наука. 1984 [5]. **Курош А.Г.** //Курс высшей алгебры.// М. Наука. 1965