Analyysi I. Visa Latvala. 3. joulukuuta 2004

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

Kompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57

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

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Kompleksiluvut. JYM, Syksy /99

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

VII. KOMPLEKSILUVUT. VII.1. Laskutoimitukset

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

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

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

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

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 C. Rationaaliluvut Q. Irrationaaliluvut

2. Kompleksiluvut. 2A. Kompleksilukujen konstruktio

Kompleksiluvut 1/6 Sisältö ESITIEDOT: reaaliluvut

Johdatus matematiikkaan

Kompleksiluvut Kompleksitaso

KOMPLEKSIANALYYSIN KURSSI SYKSY 2012

PERUSASIOITA ALGEBRASTA

Johdatus matematiikkaan

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

Kompleksilukujen kunnan konstruointi

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

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

Kompleksilukujen alkeet

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

Yhteenlaskun ja skalaarilla kertomisen ominaisuuksia

Kolmannen asteen yhtälön ratkaisukaava

Kaikki tarpeellinen kompleksiluvuista

Kompleksianalyysi. Jukka Kemppainen. Mathematics Division

Algebra I, harjoitus 5,

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Matriisilaskenta Luento 10: Polaarimuoto ja kompleksilukujen geometriaa

802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET Merkintöjä ja Algebrallisia rakenteita

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

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

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA. Kompleksilukujen hyödyntäminen vaihtosähköpiirien

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

Rollen lause polynomeille

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

HELSINGIN YLIOPISTO HELSINGFORS UNIVERSITET UNIVERSITY OF HELSINKI. Matematiikan ja tilastotieteen laitos. Matemaattis-luonnontieteellinen

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

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

Kompleksilukujen kunnan konstruointi

2. Polynomien jakamisesta tekijöihin

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

Simo K. Kivelä. Kompleksiluvut Versio 1.01,

1. Piirrä kompleksitasoon seuraavat matemaattiset objektit/alueet.

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 (7 sivua)

Kompleksianalyysi Funktiot

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 9 (6 sivua) OT

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

Johdanto 2. 2 Osamääräkunnan muodostaminen 7. 3 Osamääräkunnan isomorfismit 16. Lähdeluettelo 20

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

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

1. Osoita, että joukon X osajoukoille A ja B on voimassa toinen ns. de Morganin laki (A B) = A B.

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 3 (9 sivua) OT

9 Matriisit. 9.1 Matriisien laskutoimituksia

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

a) Mitkä seuraavista ovat samassa ekvivalenssiluokassa kuin (3, 8), eli kuuluvat joukkoon

Vektorialgebra 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori

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

(a) avoin, yhtenäinen, rajoitettu, alue.

Lineaarikuvauksen R n R m matriisi

Matriisilaskenta Laskuharjoitus 1 - Ratkaisut / vko 37

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

C = {(x,y) x,y R} joiden joukossa on määritelty yhteen- ja kertolasku seuraavasti

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

Kompleksianalyysi, viikko 6

Johdatus matematiikkaan

(a) Kyllä. Jokainen lähtöjoukon alkio kuvautuu täsmälleen yhteen maalijoukon alkioon.

3. Kirjoita seuraavat joukot luettelemalla niiden alkiot, jos mahdollista. Onko jokin joukoista tyhjä joukko?

Ratkaisut vuosien tehtäviin

Matemaattisen analyysin tukikurssi

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

Kuvaus. Määritelmä. LM2, Kesä /160

Olkoon funktion f määrittelyjoukkona reaalilukuväli (erityistapauksena R). Jos kaikilla määrittelyjoukon luvuilla x 1 ja x 2 on voimassa ehto:

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

Esitetään tehtävälle kaksi hieman erilaista ratkaisua. Ratkaisutapa 1. Lähdetään sieventämään epäyhtälön vasenta puolta:

802320A LINEAARIALGEBRA OSA II

3.3 Funktion raja-arvo

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

Algebran perusteet. 44 ϕ(105) = (105). Näin ollen

Insinöörimatematiikka D

2 Funktion derivaatta

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)

Ristitulolle saadaan toinen muistisääntö determinantin avulla. Vektoreiden v ja w ristitulo saadaan laskemalla determinantti

Matriisipotenssi. Koska matriisikertolasku on liitännäinen (sulkuja ei tarvita; ks. lause 2), voidaan asettaa seuraava määritelmä: ja A 0 = I n.

H = : a, b C M. joten jokainen A H {0} on kääntyvä matriisi. Itse asiassa kaikki nollasta poikkeavat alkiot ovat yksiköitä, koska. a b.

NELIÖJUURI. Neliöjuuren laskusääntöjä

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

1 Sisätulo- ja normiavaruudet

Ortogonaalinen ja ortonormaali kanta

Laajennetaan lukualuetta lisäämällä murtoluvut

Polynomifunktioiden juuret

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Algebra I - Kesä 2009 Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 -Tehtävät sivua Heikki Koivupalo ja Rami Luisto

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I. LM1, Kesä /218

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

Transkriptio:

Analyysi I Visa Latvala 3. joulukuuta 004

95 Sisältö 6 Kompleksiluvut 96 6.1 Yhteen- ja kertolasku.............................. 96 6. Napakoordinaattiesitys............................. 10

96 6 Kompleksiluvut 6.1 Yhteen- ja kertolasku Karteesinen tulo R (euklidinen taso) on lukuparien joukko R = { (x, y) x, y R }. Kaksi lukuparia (x 1, y 1 ) R ja (x, y ) R ovat samat täsmälleen silloin kun molemmat vastinkoordinaatit yhtyvät eli kun x 1 = x ja y 1 = y. Lukuparin sijasta puhutaan myös tason pisteestä (alkiosta) tai vaihtoehtoisesti -ulotteisesta vektorista. Emme kuitenkaan tässä käytä vektorimerkintää. Joukossa R määritellään yhteenlasku yhtälöllä ja reaaliluvulla a kertominen yhtälöllä (x 1, y 1 ) + (x, y ) := (x 1 + x, y 1 + y ) (1) a(x, y) := (ax, ay) kaikilla x, x 1, x, y, y 1, y, a R. Näiden osalta puhutaan myös vektoreiden yhteenlaskusta ja skalaarilla kertomisesta. Edelleen tasossa R voidaan määritellä kertolasku yhtälöllä (x 1, x ) (y 1, y ) := (x 1 y 1 x y, x y 1 + x 1 y ) () kaikilla x 1, x, y 1, y R. Laskutoimitusta () kutsutaan kompleksilukujen kertolaskuksi. Määritelmä 6.1.1 Karteesista tuloa R varustettuna yhteen- ja kertolaskuilla (1) ja () kutsutaan kompleksiluvuiksi. Esimerkki 6.1. (a) Esimerkiksi (1, ) + (3, 4) = (1 + 3, + 4) = (4, 6), (1, ) (3, 4) = (1 3 4, 1 4 + 3) = ( 5, 10). (b) Olkoot x, y, a R. Tällöin (a, 0) (x, y) = (ax 0y, 0x + ay) = (ax, ay) = a(x, y). Siis kompleksiluvulla (a, 0) kertominen yhtyy skalaarilla a kertomiseen. Mitä saat tulosta (0, a) (x, y)? (c) Edelleen (0, 1) = (0, 1) (0, 1) = (0 1, 1 0 + 0 1) = ( 1, 0). Lemma 6.1.3 Kompleksiluvut muodostavat kunnan eli kolmikko (R, +, ) toteuttaa luvun 1 aksiomat (A1) (A9).

97 Todistus. Täydellisyyden vuoksi käymme aksiomat läpi, ainoastaan yhteenlaskun vaihdannaisuus ja liitännäisyys (aksiomat (A1) ja (A)) sekä kertolaskun vaihdannaisuus (aksioma (A5)) sivuutetaan helppona. Tarkastellaan muita aksiomeja: (A3). Nolla-alkio eli (yhteenlaskun neutraalialkio) on pari (0, 0), sillä kaikilla x, y R pätee (x, y) + (0, 0) = (x + 0, y + 0) = (x, y). (A4). Kompleksiluvun (x, y) vasta-alkio (vastavektori) on luku ( x, y), sillä (A6). Olkoot a, b, c, d, e, f R. Tällöin ja (x, y) + ( x, y) = (x x, y y) = (0, 0). (a, b) ((c, d) (e, f)) = (a, b) (ce df, cf + de) = (a(ce df) b(cf + de), a(cf + de) + b(ce df)) = (ace adf bcf bde, acf + ade + bce bdf) ((a, b) (c, d)) (e, f) = (ac bd, ad + bc) (e, f) = ((ac bd)e (ad + bc)f, (ac bd)f + (ad + bc)e) = (ace adf bcf bde, acf + ade + bce bdf), joten tulos on sama riippumatta siitä kummalle puolelle sulut asetetaan. (A7). Olkoot a, b, c, d, e, f R. Tällöin ja (a, b) ((c, d) + (e, f)) = (a, b) (c + e, d + f) = (a(c + e) b(d + f), a(d + f) + b(c + e)) = (ac + ae bd bf, ad + af + bc + be) ((a, b) (c, d)) + ((a, b) (e, f)) = (ac bd, ad + bc) (ae bf, af + be) = ((ac + ae bd bf, ad + af + bc + be). Jälleen tulos on sama kummallakin tavalla laskettuna. (A8). Ykkösalkio eli (kertolaskun neutraalialkio) on pari (1, 0), sillä kaikilla x, y R pätee (x, y) (1, 0) = (x 1 y 0, y 1 + x 0) = (x, y). (A9). Olkoon (x, y) (0, 0), jolloin x + y > 0. Tällöin parin (x, y) käänteisalkio kertolaskun suhteen x on ( x +y, y x +y ), sillä ( x (x, y) x + y, y ) ( x x + y = x x + y y( y x ), x( y ) + y x + y ) + y x x + y = (1, 0). Huomautus Irlantilainen Hamilton (1833) esitti ensimmäisenä kompleksiluvut reaalilukupareina ja määritteli kertolaskun yllä olevaan tapaan. Myöhemmin Hamilton pyrki löytämään avaruudessa R 3 kertolaskun, joka yhdessä vektorien yhteenlaskun + kanssa tekee kolmikosta (R 3, +, ) kunnan. Nykyään tiedetään, että tämä ei ole mahdollista avaruudessa R n, jos n >. Hamilton onnistui kuitenkin 1843 keksimään kvaterniot. Nämä ovat reaalilukunelikkoja (avaruuden R 4 alkioita), joiden yhteen- ja kertolasku toteuttavat kertolaskun vaihdannaisuutta lukuun ottamatta muut kunta-aksiomat. Kvaternioiden keksimisellä oli suuri merkitys algebran kehitykselle.

98 Kompleksiluvun imaginääriesitys Merkitään lyhyyden vuoksi i := (0, 1) ja (x, 0) = x kaikilla x R. Lukua i kutsutaan imaginääriyksiköksi. Esimerkissä 6.1. todettiin, että i = 1. Mielivaltainen kompleksiluku (x, y) voidaan esittää muodossa eli lyhennettyä merkintää käyttäen (x, y) = (x, 0) + (0, y) = (x, 0) + (y, 0) (0, 1) (x, y) = x + yi. Tätä esitystä kutsutaan lukuparin (kompleksiluvun) imaginääriesitykseksi. Huomaa, että imaginääriesityksessa laskutoimituksina ovat kompleksilukujen yhteen- ja kertolasku, mutta on käytetty lyhennettyä merkintää. Esimerkki 6.1.4 Imaginääriesityksen avulla kompleksilukujen laskutoimituksia voidaan soveltaa muistelematta kertolaskun määritelmää kunhan muistetaan, että kunnan laskusäännöt ovat voimassa ja imaginääriyksikölle pätee i = 1. Esimerkiksi (a) Osittelulain nojalla 3( + i) = 3 + 3 i = 6 + 3i. (b) Vastaavasti osittelulakia, vaihdannaisuutta ja liitännäisyyttä sekä tietoa i hyödyntäen 3i( + i) = (3i) + (3i)i = 6i + 3i = 6i 3 = 3 + 6i. = 1 (c) Samoin perustein 4i( i)( + i) = 4i( + i i i ) = 4i(4 4i ) = 4i(8) = 3i. Tavallisesti imaginääriesityksen yhteydessä kompleksilukujen joukolle käytetään merkintää C ja kompleksiluvuille käytetään aakkosia z, w, u. Siis Jos z = x + yi C, niin merkitään z R, jos y = 0, z C \ R, jos y 0. C = { x + yi x, y R }. Ensimmäisessä tapauksessa lukua z sanotaan reaaliseksi ja jälkimmäisessä tapauksessa imaginääriseksi.

99 Määritelmä 6.1.5 Kompleksiluvussa z = x + yi C reaalilukua x sanotaan luvun z reaaliosaksi, merkitään Re z = x, ja reaalilukua y sanotaan imaginääriosaksi, merkitään Im z = y. Edelleen lukua z := x + y sanotaan luvun z moduliksi ja kompleksilukua z = x iy sanotaan luvun z konjugaatiksi eli liittoluvuksi. Esimerkki 6.1.6 (a) Lukujen z = 3i( + i) = 3 + 6i ja w = 4i( i)( + i) = 3i reaali- ja imaginääriosat ovat Esimerkin 6.1.4 laskujen nojalla Modulit ovat ja konjugaatit ovat Re z = 3, Im z = 6, Re w = 0, Im w = 3. z = ( 3) + 6 = 45, w = 3 + 0 = 3 z = 3 6i, w = 3i. (b) Olkoot z = a + bi ja w = c + di. Määrätään Re zw ja Im zw. Nyt zw = (a + bi)(c + di) = a(c + di) + (bi)(c + di) = ac + adi + bci + bdi = ac bd + (ad + bc)i Siis Re zw = ac bd ja Im zw = ad+bc eli reaali- ja imaginääriosa käyttäytyvät (tietenkin) määritelmän () mukaisesti. Eo. lasku on keino palauttaa mieleen kertolaskun määritelmä. (c) Osoitetaan, että kaikilla z, w C pätee (z + w)(z w) = z w. Tätä varten lukuja ei kannata esittää imaginääriesityksenä, vaan käyttäen kunnan laskusääntöjä saadaan Mainittakoon, että binomikaava (z + w)(z w) = z + z( w) + wz w = z w. (z + w) n = voidaan todistaa myös kompleksiluvuille. (d) Osoitetaan, että kaikilla z C pätee n i=0 zz = z. Olkoon z = x + iy. Tällöin kohdan (c) nojalla ( ) n z n i w i i zz = (x + yi)(x yi) = x (yi) = x y i = x + y = z. (e) Osoitetaan, että z + w = z + w kaikilla z, w C. Merkitään z = a + bi ja w = c + di. Tällöin z + w = a + bi + c + di = (a + c) + (b + d)i, joten z + w = (a + c) (b + d)i = a bi + c di = z + w.

100 Huomautus Jos z = x + iy 0, niin moduli z ilmoittaa tason pisteen (x, y) etäisyyden origosta. Konjugaatinotto puolestaan tarkoittaa tason pisteen (x, y) peilausta x-akselin suhteen. Tässä kuvauksessa (x, y) (x, y). Lemman 6.1.3 todistuksesta nähdään, että kompleksiluvun z = x+iy 0 on käänteisluku z 1 on muotoa z 1 x = x + y i y x + y. (3) Kompleksilukujen jakolasku määritellään ehdolla kaikilla z C, w C \ {0}. z w := z w 1 Seuraavassa esimerkissä tarkastellaan kuinka osamäärinä annettujen kompleksilukujen reaali- ja imaginääriosat saadaan selville. Esimerkki 6.1.7 (a) Määrätään luvun z = 1 reaali- ja imaginääriosat. Laventamalla + i nimittäjän liittoluvulla saadaan Esimerkin 6.1.6 kohdan (c) nojalla joten Re z = 5 ja Im z = 1 5. (b) Vastaavasti w = 3 + i 1 i Siis Re w = 1 ja Im w =. 1 + i = i ( i)( + i) = i i = i 5 = 5 i 5, (1 + i)(3 + i) = = 1 1 i (3 + i + 3i + i ) = 1 ( + 4i) = 1 + i. Toisen ja kolmannen asteen reaalikertoiminen algebrallinen yhtälö Pidetään tässä tunnettuna algebran peruslause: Kompleksimuuttujan algebrallisella yhtälöllä a n z n + a n 1 z n 1 + + a 1 z + a 0 = 0, missä a i, z C ja a n 0, on aina täsmälleen n juurta, jos kertaluku otetaan huomioon. Esimerkiksi yhtälöllä (z 1) n = 0 on vain yksi n-kertainen juuri 1. Esimerkki 6.1.8 (a) Tarkastellaan kompleksimuuttujan toisen asteen algebrallista yhtälöä z + z + 1 = 0. Kokeillaan tuttua toisen asteen yhtälön ratkaisukaavaa. Saadaan z = 1 ± 1 4 = 1 ± 3.

101 Merkitsemällä 3 = 3i ja kirjoittamalla 3 = i 3 voidaan olettaa, että ratkaisut ovat z = 1 ± 1 4 = 1 ± i 3. Tarkistetaan vastaus sijoittamalla. Saadaan ( ) ( ) 1 ± i 3 1 ± i 3 + + 1 = 1 4 (1 + 3i i 3 ± i 3 + 4) = 0. Siis luvut z = 1±i 3 ovat ratkaisuja eikä muita ratkaisuja ole olemassa algebran peruslauseen nojalla. (b) Tarkastellaan yleisesti kompleksimuuttujan toisen asteen algebrallista yhtälöä az + bz + c = 0, missä a, b, c R ja b 4ac < 0. Vastaavaan tapaan kuin edellä voidaan todeta, että kompleksiluvut z = b ± i 4ac b a ovat erilliset ratkaisut, eikä muita ratkaisuja ole olemassa analyysin peruslauseen mukaan. Tämä päättely paikkaa Lauseen..1 todistukseen jääneen aukon. Esimerkki 6.1.9 Kuten luvussa mainittiin, kolmannen asteen reaalikertoimisen yhtälön missä p, q R, ratkaisut saadaan Cardanon kaavoilla z 1 = 3 q + q + p3 + 3 q q + p3, 4 7 4 7 z = ( 1 + ) i 3 3 q + q + p3 + ( 1 i 3 4 7 z 3 = ( 1 i 3 z 3 + pz + q = 0, (4) ) 3 q + q + p3 + ( 1 + i 3 4 7 merkistä seuraa- Reaalisten ratkaisujen lukumäärä riippuu diskriminantin D := q 4 vasti: ) 3 q q + p3, 4 7 ) 3 q q 4 + p3 7. + p3 7 (1) Jos D = q 4 + p3 7 > 0, niin z 1 on reaalinen ja z sekä z 3 ovat imaginäärisiä toistensa liittolukuja. () Jos D = 0, niin ratkaisut ovat z 1 = 3 q, z = z 3 = 3 q. (3) Jos D < 0, juuret z 1, z, z 3 ovat eri suuria ja reaalisia. Kohtien (1) ja () väitteet todetaan jokseenkin helposti, väitteen (3) perusteleminen sivuutetaan tässä.

10 6. Napakoordinaattiesitys Napakoordinaattiesityksellä tarkoitetaan tason pisteen (x, y) esitystä muodossa { x = r cos ϕ y = r sin ϕ, missä r = x + y ja ϕ on pisteen (x, y) vaihekulma eli kulma x-akselin pisteestä ( x + y, 0) pisteeseen (x, y) vastapäivään. Tällöin arvoilla ϕ ] π, π[ pätee ϕ = arc tan y x. Kompleksiluku z = x + iy 0 voidaan siis napakoordinaattiesityksen avulla esittää muodossa z = r(cos ϕ + i sin ϕ), (5) missä r = z ja ϕ on luvun z vaihekulma. Esimerkki 6..1 Määrätään luvun z = + i napakoordinaatit. Nyt r = + 1 = 5. Toisaalta yleistämällä kosinin ja sinin määritelmää (eli luopumalla vaatimuksesta että tarkasteltavan ympyrän säde on 1) saadaan yhtälöt cos ϕ = x r = 5 ja sin ϕ = y r = 1 5. Jakamalla oikeanpuoleinen yhtälö vasemmanpuoleisella saadaan tan ϕ = 1. Kulmaksi ϕ saadaan ϕ = arc tan 1 0.464 radiaania eli asteina 360 arc tan 1 π 6.6. Eulerin kaava Saadaksemme tulkinnan kompleksilukujen kertolaskun geometriselle merkitykselle pidämme ilman perusteluja tunnettuna ns. Eulerin kaavan. Lähtökohtana on se, että eksponenttifunktio voidaan määritellä koko kompleksitasossa C potenssisarjana e z = n=0 z n n!, z C. Eulerin kaava ilmaisee yksikköympyrän kehäpisteet kompleksisen eksponenttifunktion avulla: Lause 6.. (Eulerin kaava) Kaikilla ϕ [0, π[ pätee e iϕ = cos ϕ + i sin ϕ.

103 Huomautus Valitsemalla Eulerin kaavassa ϕ = π saadaan yhtälö e πi + 1 = 0, joka sisältää viisi tärkeintä lukua (eikä juuri muuta) yhdessä kaavassa. Yhdistämällä Eulerin kaava ja napakoordinaattiesitys (5) saadaan missä r = z ja ϕ on luvun z vaihekulma. z = re iϕ, (6) Esimerkki 6..3 Määrätään kompleksiluvuille z 1 = i ja z = 1 i muotoa (6) olevat esitykset. Nyt r 1 = ja ϕ 1 = π sekä r = ja ϕ = 5π. Näin ollen 4 z 1 = r 1 e iϕ 1 = e π i ja z = r e iϕ = e 5π 4 i. Pitäen edelleen tunnettuna, että kompleksiselle eksponenttifunktiolle pätee laskusääntö e z 1+z = e z 1 e z kaikilla z 1, z C, saadaan kompleksilukujen z 1 = r 1 e iϕ 1 ja z = r e iϕ, ϕ 1, ϕ [0, π[, tulolle esitys z 1 z = (r 1 e iϕ 1 )(r e iϕ ) = (r 1 r )e i(ϕ 1+ϕ ). (7) Siis: tulon z 1 z moduli on modulien tulo r 1 r, tulon z 1 z vaihekulma on vaihekulmien summa ϕ 1 + ϕ. Esimerkki 6..4 Esimerkin 6..3 lukujen z 1 = i ja z = 1 i tulon esitys muotoa (6) on z 1 z = (e π i )( e 5π 4 i ) = e ( π + 5π 4 )i = e 7π 4 i. Erityisesti kaavasta (7) saadaan luvun z = re iϕ positiiviselle potensseille induktiolla, että kaikilla n N pätee z = r e (ϕ)i, z 3 = z z = (r e (ϕ)i )(re iϕ ) = r 3 e (3ϕ)i, z n = r n e (nϕ)i. Jos erityisesti r = 1 (z sijaitsee yksikköympyrän kehällä), saadaan Eulerin kaavan nojalla de Moivren kaava: Lause 6..5 (de Moivren kaava) Kaikilla ϕ R ja n N pätee (cos ϕ + i sin ϕ) n = cos nϕ + i sin nϕ.

104 Lauseesta 6..5 saadaan kätevästi laskettua moninkertaisten sinin ja kosinin kaavat: Esimerkki 6..6 Määrätään sin x ja cos x de Moivren kaavalla. Koska (cos x + i sin x) = cos x + i sin x + i sin x cos x = cos x sin x + ( sin x cos x)i, saadaan de Moivren kaavan nojalla yhtäsuuruus cos x sin x + ( sin x cos x)i = cos x + (sin x)i. Tässä välttämättä sekä reaali- että imaginääriosat yhtyvät, joten cos x sin x = cos x ja sin x cos x = sin x.