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)

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

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

KOMPLEKSILUVUT C. Rationaaliluvut Q. Irrationaaliluvut

Kompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57

1. Piirrä kompleksitasoon seuraavat matemaattiset objektit/alueet.

VII. KOMPLEKSILUVUT. VII.1. Laskutoimitukset

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

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

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Analyysi I. Visa Latvala. 3. joulukuuta 2004

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Kompleksiluvut Kompleksitaso

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

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

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

Matriisilaskenta Luento 10: Polaarimuoto ja kompleksilukujen geometriaa

1 Kompleksitason geometriaa ja topologiaa

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

Kompleksilukujen alkeet

1 Analyyttiset funktiot

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

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

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

3.3 Funktion raja-arvo

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)

KOMPLEKSIANALYYSIN KURSSI SYKSY 2012

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

(a) avoin, yhtenäinen, rajoitettu, alue.

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Kompleksiluvut 1/6 Sisältö ESITIEDOT: reaaliluvut

sin x cos x cos x = sin x arvoilla x ] π

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

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

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

2. Kompleksiluvut. 2A. Kompleksilukujen konstruktio

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

Kurssikoe on maanantaina Muista ilmoittautua kokeeseen viimeistään 10 päivää ennen koetta! Ilmoittautumisohjeet löytyvät kurssin kotisivuilla.

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

Kolmannen asteen yhtälön ratkaisukaava

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Valintakoe

Matematiikan peruskurssi 2

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

Kaikki tarpeellinen kompleksiluvuista

Vektoreiden virittämä aliavaruus

Yhtälön oikealla puolella on säteen neliö, joten r. = 5 eli r = ± 5. Koska säde on positiivinen, niin r = 5.

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

MAT Laaja Matematiikka 1U. Hyviä tenttikysymyksiä T3 Matemaattinen induktio

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista

Ominaisarvo ja ominaisvektori

Mat / Mat Matematiikan peruskurssi C3-I / KP3-I Harjoitus 5 / vko 42, loppuviikko, syksy 2008

PERUSASIOITA ALGEBRASTA

2. Funktiot. Keijo Ruotsalainen. Mathematics Division

= 9 = 3 2 = 2( ) = = 2

1. Olkoot f ja g reaalifunktioita. Mitä voidaan sanoa yhdistetystä funktiosta g f, jos a) f tai g on rajoitettu? b) f tai g on jaksollinen?

A = (a 2x) 2. f (x) = 12x 2 8ax + a 2 = 0 x = 8a ± 64a 2 48a x = a 6 tai x = a 2.

Kompleksianalyysi Funktiot

Kompleksiset sarjat ja potenssisarjat

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

Oletetaan ensin, että tangenttitaso on olemassa. Nyt pinnalla S on koordinaattiesitys ψ, jolle pätee että kaikilla x V U

Matematiikan peruskurssi 2

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

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

Tekijä Pitkä matematiikka

Ympyrän yhtälö

exp(x) = e x x n n=0 v(x, y) = e x sin y

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 6 Maanantai

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

Kompleksianalyysi, viikko 6

Ratkaisut vuosien tehtäviin

Johdatus matematiikkaan

Loogiset konnektiivit

3 Lukujonon raja-arvo

Kurssikoe on maanantaina Muista ilmoittautua kokeeseen viimeistään 10 päivää ennen koetta! Ilmoittautumisohjeet löytyvät kurssin kotisivuilla.

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012 RITVA HURRI-SYRJÄNEN

Johdatus matematiikkaan

Tekijä Pitkä matematiikka Pisteen (x, y) etäisyys pisteestä (0, 2) on ( x 0) Pisteen (x, y) etäisyys x-akselista, eli suorasta y = 0 on y.

5 Funktion jatkuvuus ANALYYSI A, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT Määritelmä ja perustuloksia

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2018 Insinöörivalinnan matematiikan koe, , Ratkaisut (Sarja A)

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2017 Harjoitus 8, ratkaisuista

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

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 12

2 Raja-arvo ja jatkuvuus

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

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

2. Polynomien jakamisesta tekijöihin

a k+1 = 2a k + 1 = 2(2 k 1) + 1 = 2 k+1 1. xxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxxx

Lineaarikuvauksen R n R m matriisi

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

saadaan kvanttorien järjestystä vaihtamalla ehto Tarkoittaako tämä ehto mitään järkevää ja jos, niin mitä?

Kompleksianalyysi, viikko 4

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

saadaan kvanttorien järjestystä vaihtamalla ehto Tarkoittaako tämä ehto mitään järkevää ja jos, niin mitä?

Transkriptio:

Matematiikan johdantokurssi, syksy 06 Harjoitus, ratkaisuista. Osoita, että kompleksilukujen yhteenlasku määriteltynä tasopisteiden kautta koordinaateittain on liitännäinen, so. z + (z + z ) = (z + z ) + z kaikilla z, z, z C (vrt. Lause.8.). Koska nyt esiintyy kaksi eri yhteenlaskua, merkitään selvyyden vuoksi kompleksilukujen yhteenlaskua. Ratkaisu. Olkoot z = (x, y ), z = (x, y ), z = (x, y ) C mielivaltaiset. Tämä tarkoittaa, että kukin x k, y k R. Yhteenlaskun liitännäisyys seuraa reaalilukujen yhteenlaskun liitännäisyydestä: z (z z ) = (x, y ) ( (x, y ) (x, y ) ) = (x, y ) (x + x, y + y ) = ( x + (x + x ), y + (y + y ) ) = (x + x + x, y + y + y ) (z z ) z = ( (x, y ) (x, y ) ) (x, y ) = (x + x, y + y ) (x, y ) mitkä ovat samat. = ( (x + x ) + x, (y + y ) + y ) = (x + x + x, y + y + y ). Olkoot z := +i ja z := i kompleksilukuja. Esitä normaalimuodossa luvut a) z + z, b) z z, c) z z, d) z z. Ratkaisu. a) z +z = +i+ i = +i b) z z = +i ( i) = +i +i = 5i c) z z = (+i)( i) = i+8i i = 8+6i d) z z = +i i. Ratkaise yhtälö a) ( i)z = z+i. b) z z = i. = (+i)(+i) (+i)( i) = +8i+i+i i = +0i ( ) = 0i 5 = i. Ratkaisu. Kompleksilukuyhtälöitä ratkaistaan kuten reaalilukuyhtälöitä, vaikkakin monesti laskut ovat työläämpiä. Siis: ( i)z = z + i ( i)z z = i ( i)z = i z = i i. Muokataan vastausta vielä, niin että reaali- ja imaginaariosat erottuvat, ts. esitetään normaalimuodossa: z = i i = ( + i)i ( + i)( i) = i + i i = + i = + i.

b) Ratkaisu voidaan toteuttaa erottamalla tuntemattoman reaali- ja imaginaariosat jo alkuvaiheessa, z = x + iy. Tällöin kyseessä on olennaisesti yhtälöryhmän ratkaiseminen: z z = i (x + iy) (x iy) = i x + yi = i x = ja y = x = ja y = z = i.. Olkoot z, z ja z kompleksilukuja. Ovatko seuraavat väitteet tosia? a) Re ( ) = z Re z, b) Im (z +z ) = Im z + Im z, c) Im (z z ) = Im z Im z. Ratkaisu. a) Kokeillaan aluksi: reaaliluvuille z 0 tulos on tosi. Puhtaasti imaginaarisilla oikea puoli ei ole määritelty. Onko tulos kuitenkin tosi, kun molemmat puolet ovat määriteltyjä? Valitaan kokeeksi sekaluku z := +i. Tällöin Re z =, joten / Re z =. Toisaalta, lasketaan /z: z = + i = i ( i)( + i) = i i = i Näin saadaankin vastaesimerkki: Väite on siis epätosi. Re z = = Re ( ). z = i. b) Väite on tosi, sillä merkitsemällä normaalimuodoin z k = x k + iy k saadaan suoralla laskulla: Im (z + z ) = Im (x + iy + x + iy ) = Im (x + x + i(y + y )) = y + y = Im z + Im z. c) Koska imaginaarilukujen kertominen voi tuottaa reaalista, jolloin imaginaariosa on nolla, ei väite liene totta. Vastaesimerkki: Valitaan z := i ja z := i, vaikkapa. Tällöin Im (z z ) = Im i = Im ( ) = 0, Im z Im z = Im i Im i = =. Siis Im (i i) = 0 = Im i Im i, mikä osoittaa väitteen on epätodeksi.

5. Esitä seuraavat kompleksiluvut muodoissa r(cos φ + i sin φ) ja re iφ. a) i, b) i, c) 5, d) Ratkaisu. Kompleksiluku z voidaan esittää muodoissa z = r(cos φ + i sin φ) = re iφ, + i, e) + i. missä r = z on kompleksiluvun moduli ja φ = arg z on vaihekulma. a) Merkitään normaalimuotoa z := x+yi = i. Moduliksi saadaan r = x + y = + ( ) = 8 =. Vaihekulma ratkaistaan yhtälöryhmästä { cos φ = x = r = sin φ = y = r = Näillä yhtälöillä on ratkaisut: cos φ = φ = ±π/ + nπ, n Z sin φ = φ = π/ + nπ tai φ = π ( π/) + nπ, n Z Näiden yhteisiä ratkaisuja ovat φ = π/ + nπ, n Z, esimerkiksi φ = π/ ja φ = 7π/. Kompleksiluvun esittämiseen riittää näistä yksi, valitaan φ = 7π/. ϕ π_ - Siis z = i = (cos 7 π + i sin 7 ) π = e i 7 π. Jaksollisuuden nojalla olisi siis voitu valita yhtä hyvin vaikkapa φ = π/. b) Merkitään z := i, joka on positiivisen imaginaariakselin piste. Moduliksi saadaan r = 0 + =. Koska z on puhtaasti imaginaarinen, niin vaihekulma on joko π/ tai π/ (tai vaikkapa π/). Koska imaginaariosa on positiivinen, on z ylemmässä puolitasossa ja voidaan päätellä, että φ = π/. Tällöin ( z = i = cos π + i sin π ) = e i π.

c) Merkitään z := 5. Moduliksi saadaan r = ( 5) + 0 = 5. Koska z on reaalinen, sen vaihekulma on joko 0 tai π. Koska sen reaaliosa on negatiivinen, on φ = π (tai π). Siis eräs esitys on z = 5 = 5(cos π + i sin π) = 5e iπ. d) Merkitään normaalimuotoa z :== x+yi = + i. Moduliksi saadaan ( r = ) ( ) 6 + = 9 =. Vaihekulmalle sopiva arvo ratkaistaan yhtälöryhmästä kohdan a) tapaan: { cos φ = x = = r sin φ = y = = r josta saadaan erääksi ratkaisuksi φ = π/6. Siis z = + i = ( cos π 6 + i sin π ) = π 6 ei 6. e) Merkitään normaalimuotoa z := x + yi = + i. Moduliksi saadaan r = ( ) + ( ) = =. Vaihekulma ratkaistaan jälleen yhtälöryhmästä { cos φ = x r = sin φ = y r = josta saadaan eräs yhteinen ratkaisu φ = π/. Siis z = + ( i = cos π + i sin π ) = e i π. 6. Esitä kompleksitasossa ne pisteet z, joille a) z i =. b) z+ = z. Ratkaisu. a) Kirjoittamalla z i = z ( + i) = nähdään, että kyseessä on ympyrä, jonka keskipiste on +i ja säde on. i i +

b) Kirjoittamalla z + = z ( ) = z huomataan, että että yhtälön toteuttavat ne pisteet z, jotka ovat yhtä etäällä pisteistä ja, eli muodostavat suoran Re (z) = eli x =. - 7. Esitä kompleksitasossa ne pisteet z, joille a) < z < ja π arg z π. b) z+ i > ja z+ <. Ratkaisu. a) Ratkaisu on kuvassa alla. Ehdon < z 0 < toteuttavat origokeskisen ympyrärenkaan sisäpisteet, ja niistä argumenttiehdon toteuttavat viivoitetun alueen pisteet. Alueen reunoilta suorat reunajanat kuuluvat mukaan, paitsi eivät niiden päätepisteet, koska ne ovat kielletyillä ympyröiden kehillä. π_ b) Toisen ehdon z + = z ( ) < toteuttavat -keskisen -säteisen kiekon pisteet. Ratkaisuksi saadaan se kiekon pistejoukko, joka jää jäljelle, kun kiekosta on poistettu pienempi suljettu kiekko (siis reunoineen), jonka keskipiste on +i ja säde. xxxxxx xxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx x -+i xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxx - 5

8. Esitä kompleksitasossa ne pisteet z 0, joille a) Im (z/z) = 0 (eli z/z on reaalinen). b) Re (z/z) = 0 (eli z/z on puhtaasti imaginaarinen). Ratkaisu. Olkoon z := x + iy 0 normaalimuoto. Tällöin luvulle z/z saadaan esitys z z mikä myös on normaalimuoto. a) Imaginaariosasta saadaan yhtälö: = x + iy x iy = (x + iy) (x + iy)(x iy) = x y + xyi = x y x + y x + y + i xy x + y, Im z z = 0 z 0 xy x + y = 0 x + y 0 xy = 0 (x, y) (0, 0) (x = 0 y = 0) (x, y) (0, 0). Ratkaisu on esitetty alla olevassa kuvassa vasemmalla. Kyseessä on siis joukko, jonka muodostavat reaali- ja imaginaariakselien pisteet poislukien origo. b) Reaaliosasta saadaan vastaavasti yhtälö: Re z z = 0 z 0 x y x + y = 0 x + y 0 x y = 0 (x, y) (0, 0) x = y (x, y) (0, 0) y = ±x (x, y) (0, 0). Ratkaisut on esitetty oheisessa kuvassa oikealla. Kyseessä on siis joukko { (x, y) C \ (0, 0) y = ±x }. 9. a) Ratkaise yhtälöt z =, z =, z = ja z 5 =. b) Keksitkö yleisen säännön yhtälön z n = ratkaisulle, kun n N? Vihje: Tarkastele kompleksilukuja muodossa z = re iφ. Ratkaisu. Kirjoitetaan ohjeen mukaan z = re iφ, jolloin z n = (re iφ ) n = r n (e iφ ) n = r n e inφ =. 6

b) On siis ratkaistava yhtälö z n = r n e inφ = = e i 0. Mutta tämähän ei ole vaikeaa: Eulerin kaavan mukaan e iψ = cos ψ + i sin ψ, ja e iψ =. Selvästi r =, koska r on ei-negatiivinen reaaliluku ja siten z = e iφ. Koska nyt saadaan taas Eulerin kaavaa käyttäen z n = e inφ = cos nφ + i sin nφ = + 0i, on oltava cos nφ = ja sin nφ = 0. Näiden yhteiset ratkaisut ovat jaksollisuuden nojalla nφ = kπ, k Z. Erilaisia kompleksilukuarvoja näistä tuottavat vain φ = k π n, k = 0,,,..., n. Ratkaisut jakautuvat tasaisesti yksikkökiekon kehälle: Esimerkiksi arvolla n = 5: z n = z = e ik π n, k = 0,,,,..., n. y i π 5 x a) Ratkaisut ovat siis: z = z = ± z = z = e ik π, k = 0,, z = z = e ik π, k = 0,,, z 5 = z = e ik π 5, k = 0,,,, 7