1 Kompleksiluvut. Kompleksiluvut 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 7

Samankaltaiset tiedostot
1. Viikko. K. Tuominen MApu II 1/17 17

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Kompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57

KOMPLEKSILUVUT C. Rationaaliluvut Q. Irrationaaliluvut

1 Kompleksiluvut 1. y z = (x, y) Kuva 1: Euklidinen taso R 2

1 Määritelmä ja perusominaisuuksia. 2 Laskutoimitukset kompleksiluvuilla. 3 Reaaliluvut ja kompleksiluvut. 4 Kompleksilukujen algebraa

y z = (x, y) Kuva 1: Euklidinen taso R 2

Perustehtävät. Kompleksitehtävät, 10/9/2005, sivu 1 / 10. Tehtävä 1. Sievennä 1.

Analyysi I. Visa Latvala. 3. joulukuuta 2004

1.1 Vektorit. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n.

Kompleksiluvut. JYM, Syksy /99

a) z 1 + z 2, b) z 1 z 2, c) z 1 z 2, d) z 1 z 2 = 4+10i 4 = 10i 5 = 2i. 4 ( 1)

Kompleksiluvut 1/6 Sisältö ESITIEDOT: reaaliluvut

Tämän luvun tarkoituksena on antaa perustaidot kompleksiluvuilla laskemiseen sekä niiden geometriseen tulkintaan. { (a, b) a, b œ R }

1. Piirrä kompleksitasoon seuraavat matemaattiset objektit/alueet.

Matriisilaskenta Luento 10: Polaarimuoto ja kompleksilukujen geometriaa

6. Kompleksiluvut. Kompleksilukuja esiintyy usein polynomiyhtälöiden ratkaisuina. Esim:

PERUSASIOITA ALGEBRASTA

(a, 0) + (c, 0) = (a + c, 0)

Kompleksiluvut Kompleksitaso

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Kolmannen asteen yhtälön ratkaisukaava

Yksinkertaisin (jollain tavalla mielenkiintoinen) yhtälö lienee muotoa. x + a = b,

Kompleksilukujen alkeet

VII. KOMPLEKSILUVUT. VII.1. Laskutoimitukset

HY / Avoin yliopisto Johdatus yliopistomatematiikkaan, kesä 2015 Harjoitus 5 Ratkaisuehdotuksia

z Im (z +1) 2 = 0. Mitkä muut kompleksitason pisteet toteuttavat tämän yhtälön? ( 1) 0 z ( 1) z ( 1) arg = arg(z 0) arg(z ( 1)), z ( 1) z ( 1)

Johdatus matematiikkaan

Simo K. Kivelä. Kompleksiluvut Versio 1.01,

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Sisältö MONISTEESTA...2 KOMPLEKSILUVUT...4 JOHDANNOKSI...4 KERTAUSTA LUKUJOUKOISTA...4 HUOMAUTUS...8 KOMPLEKSILUKUJEN MÄÄRITTELY...5 ARGUMENTTI...

Kaikkia alla olevia kohtia ei käsitellä luennoilla kokonaan, koska osa on ennestään lukiosta tuttua.

Funktiot ja raja-arvo P, 5op

Tehtävä 2. Osoita, että seuraavat luvut ovat algebrallisia etsimällä jokin kokonaislukukertoiminen yhtälö jonka ne toteuttavat.

Johdatus matematiikkaan

Lukualueet. Lotta Oinonen, Petri Ola Matematiikan ja tilastotieteen laitos Helsingin yliopisto. 13. syyskuuta 2009

Epäyhtälöt 1/7 Sisältö ESITIEDOT: yhtälöt

1.1 Vektorit. MS-A0007 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n. 1. Vektorit ja kompleksiluvut

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

KOMPLEKSIANALYYSIN KURSSI SYKSY 2012

Kompleksianalyysi Funktiot

Kaikki tarpeellinen kompleksiluvuista

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

Ratkaisu: Tutkitaan derivoituvuutta Cauchy-Riemannin yhtälöillä: f(x, y) = u(x, y) + iv(x, y) = 2x + ixy 2. 2 = 2xy xy = 1

Kompleksianalyysi. Jukka Kemppainen. Mathematics Division

(a) avoin, yhtenäinen, rajoitettu, alue.

1 Reaaliset lukujonot

2. Polynomien jakamisesta tekijöihin

5. lukujonot ja sarjat.

2. Kompleksiluvut. 2A. Kompleksilukujen konstruktio

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

f(x) f(y) x y f f(x) f(y) (x) = lim

Mitään muita operaatioita symbolille ei ole määritelty! < a kaikilla kokonaisluvuilla a, + a = kaikilla kokonaisluvuilla a.

Lukualueet. Lotta Oinonen, Petri Ola Matematiikan ja tilastotieteen laitos Helsingin yliopisto

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA. Kompleksilukujen hyödyntäminen vaihtosähköpiirien

2 Funktion derivaatta

0. Kertausta. Luvut, lukujoukot (tavalliset) Osajoukot: Yhtälöt ja niiden ratkaisu: N, luonnolliset luvut (1,2,3,... ) Z, kokonaisluvut

NELIÖJUURI. Neliöjuuren laskusääntöjä

Algebra. 1. Ovatko alla olevat väittämät tosia? Perustele tai anna vastaesimerkki. 2. Laske. a) Luku 2 on luonnollinen luku.

Numeeriset menetelmät

z 1+i (a) f (z) = 3z 4 5z 3 + 2z (b) f (z) = z 4z + 1 f (z) = 12z 3 15z 2 + 2

Lue tehtävänannot huolella. Tee pisteytysruudukko 1. konseptin yläreunaan. ILMAN LASKINTA -OSIO! LASKE KAIKKI SEURAAVAT TEHTÄVÄT:

5. lukujonot ja sarjat.

5. lukujonot ja sarjat.

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

2 Yhtälöitä ja epäyhtälöitä

1 Peruslaskuvalmiudet

Mat Matematiikan peruskurssi KP3-i. Osa I. Kompleksiluvut. TKK lokakuuta Määritelmä ja perusominaisuuksia

Rollen lause polynomeille

Reaalilukuvälit, leikkaus ja unioni (1/2)

Matriisilaskenta Laskuharjoitus 1 - Ratkaisut / vko 37

Polynomifunktioiden juuret

Matemaattisen analyysin tukikurssi

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 10: Napa-, sylinteri- ja pallokoordinaatistot. Pintaintegraali.

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 6 Maanantai

Mat-1.433/443 Matematiikan peruskurssit K3/P3 syksy 2004 KOMPLEKSILUVUT JA -FUNKTIOT. Sisältö

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

5 Differentiaalilaskentaa

Esipuhe. Sirkka-Liisa Eriksson

Kompleksianalyysi viikko 3

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

Kompleksianalyysi, viikko 5

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 11: Lineaarinen differentiaaliyhtälö

Sekalaiset tehtävät, 11. syyskuuta 2005, sivu 1 / 13. Tehtäviä

Sini- ja kosinifunktio

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

Johdatus reaalifunktioihin

1. Murtoluvut, murtolausekkeet, murtopotenssit ja itseisarvo

Teema 4. Homomorfismeista Ihanne ja tekijärengas. Teema 4 1 / 32

3.3 Funktion raja-arvo

TRIGONOMETRISET JA HYPERBOLISET FUNKTIOT

Funktion raja-arvo. lukumäärien tutkiminen. tutkiminen

1 Rationaalifunktio , a) Sijoitetaan nopeus 50 km/h vaihtoaikaa kuvaavan funktion lausekkeeseen.

Tehtäväsarja I Seuraavissa tehtävissä harjoitellaan erilaisia todistustekniikoita. Luentokalvoista 11, sekä voi olla apua.

8 Potenssisarjoista. 8.1 Määritelmä. Olkoot a 0, a 1, a 2,... reaalisia vakioita ja c R. Määritelmä 8.1. Muotoa

Juuri 12 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

MAT Laaja Matematiikka 1U. Hyviä tenttikysymyksiä T3 Matemaattinen induktio

Kompleksiluvut Kompleksitaso Kompleksifunktiot ja kuvaukset Funktioiden raja-arvo, jatkuvuus ja derivaatta Eräitä kompleksifun.

Transkriptio:

Kompleksiluvut 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 7 1 Kompleksiluvut Lukualueiden laajennuksia voi lähestyä polynomiyhtälöiden ratkaisemisen kautta. Yhtälön x+1 = 0 ratkaisemiseksi tarvitaan negatiivisia lukuja. Täten luonnolliset luvut N on luontevaa laajentaa kokonaisluvuiksi Z. Kertolaskun yhteydessä rationaaliluvut Q osoittautuvat hyödylliseksi, kuten yhtälöstä 2x = 1 huomataan. Siirrettäessä toisen asteen yhtälöihin rationaaliluvut eivät enää riitä, vaan lukualuetta täytyy laajentaa, jotta esimerkiksi yhtälö x 2 = 2 voitaisiin ratkaista. Näin päästään reaalilukuihin R. Kuitenkaan kaikki reaalikertoimiset polynomiyhtälöt eivät ole vieläkään ratkeavia reaalilukujen joukossa, kuten yhtälö x 2 + 1 = 0 osoittaa. Avuksi tarvitaan vielä kompleksiluvut. Kompleksiluvut osoittautuvat tietyllä tavalla täydellisimmiksi kuin reaaliluvut, sillä 1800-luvulla todistettiin, että jokaisella kompleksikertoimisella vähintään ensimmäisen asteen polynomilla on ainakin yksi kompleksinen nollakohta. Tämä on yhdenpitävä algebran peruslauseen kanssa. Algebran peruslause. Jokaisella kompleksikertoimisella polynomiyhtälöllä, jonka aste on n 1, on n kappaletta kompleksisia nollakohtia. Vaikka kompleksiluvut voivat tuntua keinotekoisilta verrattuna vaikkapa reaalilukuihin, niin ne ovat silti hyvin tarpeellisia. Monien luonnonilmiöiden, esimerkiksi vaimenevan värähtelyliikkeen, matemaattinen käsitteleminen vaatii kompleksilukuja. Kompleksilukujen kunta määritellään täsmällisemmin lukuteoriassa, mutta nyt määritelmäksi riittää, että kompleksiluvut z ovat muotoa z = x + iy olevia lukuja, missä x, y R ja i 2 = 1. Kompleksilukujen joukko on siis C = { x + iy x, y R ja i 2 = 1 }. 1

Kompleksiluvut 10. syyskuuta 2005 sivu 2 / 7 Kompeksiluku z = x + iy koostuu siis reaaliosasta Re z = x R ja imaginaariosasta Im z = y R. Kompleksiluvut z 1 ja z 2 ovat yhtäsuuret, mikäli niiden reaali- ja imaginaariosat ovat yhtäsuuret eli z 1 = z 2 jos ja vain jos Re z 1 = Re z 2 ja Im z 1 = Im z 2. Täten z = 0 jos ja vain jos Re z = Im z = 0. Siispä R C sillä mielivaltainen kompleksiluku z = x + iy kuuluu reaalilukujen joukkoon R jos ja vain jos imaginaariosa y = 0. 1.1 Kompleksilukujen laskutoimitukset Olkoon z 1 = x 1 + iy 1 ja z 2 = x 2 + iy 2 mielivaltaisia kompleksilukuja. Kompleksilukujen yhteenlasku suoritetaan laskemalla reaali- ja imaginaariosat yhteen. Siis z 1 + z 2 = x 1 + iy 1 + x 2 + iy 2 = (x 1 + x 2 ) + i(y 1 + y 2 ). Kertolasku suoritetaan kuin minkä tahansa binomin kertolasku huomioiden, että i 2 = 1. Täten z 1 z 2 = (x 1 + iy 1 )(x 2 + iy 2 ) = x 1 x 2 y 1 y 2 + i(x 1 y 2 + y 1 x 2 ). Kompeksiluvun z = x + iy konjugaatti on taas z = x iy. Konjugaatti saadaan siis, kun vaihdetaan imaginaariosan etumerkki. Täten kompleksiluku z R jos ja vain jos z = z. Kertomalla luku konjugaatillaan saadaan, että zz = (x + iy)(x iy) = x 2 + y 2. Kompleksiluvun z = x + iy moduli eli pituus on z = x 2 + y 2 = zz. 2

Kompleksiluvut 10. syyskuuta 2005 sivu 3 / 7 Jakolasku kompleksiluvulla z = x + iy 0 määritellään tavalliseen tapaan luvun käänteisluvulla z 1 kertomisella. Käänteisluku 1 z voidaan laskea laventamalla konjugaatilla z 1 z = z zz = z z 2 = x iy x 2 + y. 2 Yleensä kompleksisien murtolausekkeiden sieventäminen kannattaa aloittaa laventamalla nimittäjää konjugaatilla, sillä näin saadaan eliminoitua imaginääriosat pois nimittäjästä. 3

Kompleksiluvut 10. syyskuuta 2005 sivu 4 / 7 2 Kompleksitaso ja napakoordinaatit Kompleksitasoksi ymmärretään taso R 2, jonka pisteille (x 1, y 1 ) ja (x 2, y 2 ) määritellään yhteenlasku (x 1, y 1 ) + (x 2, y 2 ) = (x 1 + x 2, y 1 + y 2 ), reaaliluvulla a R kertominen a(x 1, y 1 ) = (ax 1, ay 1 ) ja pisteiden välinen kertolasku (x 1, y 1 )(x 2, y 2 ) = (x 1 x 2 y 1 y 2, x 1 y 2 + x 2 y 1 ). Nimitys kompleksitaso tulee mielekkääksi, kun mielivaltaista kompleksilukua z = x + iy määritetään vastaamaan kompleksitason pistettä (x, y). Tällöin saadaan seuraavat vastaavuudet: piste (0, 1) vastaa imaginaariyksikköä i pisteen (x, y) etäisyys origosta on sama kuin kompleksiluvun x + iy moduli z = x 2 + y 2 kompleksiluvun z konjugaatti z on peilaus y-akselin suhteen. Kompeksiluvuille voidaan määritellä nyt myös kolmaskin esitysmuoto napakoordinaattien avulla. Olkoon z 0 mielivaltainen kompleksiluku. Tällöin sen etäisyys origosta on z > 0 ja olkoon 0 θ < 2π kompleksiluvun suuntavektorin ja positiivisen x-akselin välinen kulma radiaaneissa. Tällöin jos z = x + iy, niin x = z cos θ y = z sin θ ja kompleksiluvulle saadaan polaarinen esitys z = z (cos θ + i sin θ). 4

Kompleksiluvut 10. syyskuuta 2005 sivu 5 / 7 Yleensä käytetään kompleksiluvun moduulille lyhennysmerkintää r = z. Polaariesitys on yksikäsitteinen, mutta jos yksikäsitteisyydestä luovutaan, niin vaihekulma voi saada arvoja myös välin [0, 2π[ ulkopuolelta. Tällöin myös luku z = 0 voidaan esittää helposti napakoordinaattien avulla. Tällöin kaksi nollasta eroavaa kompleksilukua z 1 = r 1 (cos θ 1 +i sin θ 1 ) ja z 2 = r 2 (cos θ 2 +i sin θ 2 ) ovat yhtäsuuret jos ja vain jos r 1 = r 2 ja θ 1 = θ 2 + n2π, missä n Z. Eteenkin laskettaessa kompleksilukujen kertolaskua polaarinen muoto on varsin näppärä, sillä trigonometrisiä kaavoja soveltamalla saadaan, että jos z 1 = r 1 (cos θ 1 + i sin θ 1 ) ja z 2 = r 2 (cos θ 2 + i sin θ 2 ), niin z 1 z 2 = r 1 r 2 (cos(θ 1 + θ 2 ) + i sin(θ 1 + θ 2 )) ja jos r 2 0, niin z 1 z 2 = r 1 r 2 (cos(θ 1 θ 2 ) + i sin(θ 1 θ 2 )). Induktiolla saadaan todistettua seuraava hyödyllinen tulos. De Moivren kaava. Kaikille kompleksiluvuille z = r(cos θ + i sin θ) pätee, että z n = r n (cos(nθ) + i sin(nθ)) kaikilla n Z +. 5

Kompleksiluvut 10. syyskuuta 2005 sivu 6 / 7 3 Kompleksisista funktioista Polynomifunktioiden määrittämiseksi kompleksiluvuille riittää vain laajentaa määrittelyjoukko kompleksilukujen joukoksi C. Mutta esimerkiksi trigonometristen funktioiden määritteleminen kompleksiluvuille on ongelma, koska mikä on kulma, jonka asteluku on imaginäärinen? Tähän apuun otetaan funktioiden sarjakehitelmät. Koska esimerkiksi 1. e x = x k = 1 + x + x2 + x3 +... k! 2 6 kaikilla x R 2. sin x = ( 1) k x2k+1 = x x3 (2k+1)! 3. cos x = ( 1) k x2k = 1 x2 (2k)! 6 + x5 2 + x4 niin esimerkiksi funktio e z määritellään e z = 120... kaikilla x R 4!... kaikilla x R z k k! = 1 + z + z2 2 + z3 6 +... kaikille z C. Tämä määritelmä on mielekäs, sillä sarja tulee suppenemaan. Tämän todistaminen jätetään kompleksianalyysin kurssille. Vastaavalla tavalla voidaan määritellä mielekäs kompleksinen laajennus muillekin funktioille, joilla voidaan johtaa reaalinen sarjakehitelmä. Tarkastellaan kuitenkin tarkemmin vain eksponenttifunktiota. Sarjakehitelmien ominaisuuksia tutkimalla voidaan osoittaa, että kompleksinen eksponenttifunktio tulee säilyttämään tuttuja laskusääntöjä, kuten esimerkiksi e z 1+z 2 = e z 1 e z 2 kaikilla z 1, z 2 C. Sarjakehitelmien avulla saadaan johdettu myös yhteys, että jos θ R, niin e iθ = cos θ + i sin θ. 6

Kompleksiluvut 10. syyskuuta 2005 sivu 7 / 7 Täten kompleksiluvun z, jonka vaihekulma on θ, polaarinen esitys voidaan kirjoittaa muodossa z = z (cos θ + i sin θ) = z e iθ. Käyttämällä edellistä kaavaa saadaan johdettua tunnettu yhtälö e iπ 1 = 0, joka yhdistää monta tärkeää matemaattista vakiota. 7