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

Samankaltaiset tiedostot
5. lukujonot ja sarjat.

5. lukujonot ja sarjat.

5. lukujonot ja sarjat. Suppeneminen. Geometrinen lukujono ja summa. AritmeeMnen lukujono ja summa 1/31/13

5. lukujonot ja sarjat.

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

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

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

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

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

KOMPLEKSILUVUT C. Rationaaliluvut Q. Irrationaaliluvut

Kompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57

Kompleksilukujen alkeet

Matriisilaskenta Luento 10: Polaarimuoto ja kompleksilukujen geometriaa

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

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)

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

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

1. Piirrä kompleksitasoon seuraavat matemaattiset objektit/alueet.

Kompleksiluvut 1/6 Sisältö ESITIEDOT: reaaliluvut

Analyysi I. Visa Latvala. 3. joulukuuta 2004

Trigonometriset funk/ot

Tilavuusintegroin. f(x,y,z)dxdydz. = f(x,y,z)dx dy

Kompleksiluvut. JYM, Syksy /99

2. Kompleksiluvut. 2A. Kompleksilukujen konstruktio

VII. KOMPLEKSILUVUT. VII.1. Laskutoimitukset

Kompleksiluvut Kompleksitaso

Kompleksianalyysi. Jukka Kemppainen. Mathematics Division

Trigonometriset funk/ot

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)

Korkeammat derivaatat

Johdatus matematiikkaan

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

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

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

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA. Kompleksilukujen hyödyntäminen vaihtosähköpiirien

Tilavuusintegroin3. Tilavuusintegroin3

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

Kolmannen asteen yhtälön ratkaisukaava

Tilavuusintegroin3. Tilavuusintegroin3 3/19/13. f(x, y, z)dxdydz. ρ(x,y,z) = x 2 + y 2 + z 2 (kg) Ratkaisu: ρ(x,y,z)dxdydz

KOMPLEKSIANALYYSIN KURSSI SYKSY 2012

Kaikki tarpeellinen kompleksiluvuista

Korkeammat derivaatat

Matriisilaskenta Laskuharjoitus 1 - Ratkaisut / vko 37

Kompleksianalyysi, viikko 6

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

Valintakoe

Kompleksianalyysi Funktiot

J 2 = J 2 x + J 2 y + J 2 z.

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

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

1. (a) (2p.) Systeemin infinitesimaalista siirtoa matkan ɛ verran esittää operaattori

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

Laajennetaan lukualuetta lisäämällä murtoluvut

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit 2 (alkuviikko) / Syksy 2016

Korkeammat derivaatat

Kompleksiluvut. Johdanto

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

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

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

PERUSASIOITA ALGEBRASTA

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 4 / vko 47

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

kolminkertaisesti tehtäviä tavallisiin harjoituksiin verrattuna, voi sen kokonaan tekemällä saada suunnilleen kolmen tavallisen harjoituksen edestä

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

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

Äärettömät raja-arvot

Esipuhe. Sirkka-Liisa Eriksson

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

2. Polynomien jakamisesta tekijöihin

Esimerkki: 2- atominen molekyyli. Korkeammat derivaatat 1/24/13. Jo kerran derivoitu funk6o voidaan derivoida uudelleen. Yleisemmin merkitään:

DEE Sähkötekniikan perusteet

Diskreetti Fourier-muunnos ja sen hyödyntäminen signaalien spektrien muodostamisessa. Pentti Romppainen

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

Simo K. Kivelä. Kompleksiluvut Versio 1.01,

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

sin(x2 + y 2 ) x 2 + y 2

1 Aaltofunktio, todennäköisyystulkinta ja normitus

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Johdatus matematiikkaan

Osoita, että kaikki paraabelit ovat yhdenmuotoisia etsimällä skaalauskuvaus, joka vie paraabelin y = ax 2 paraabelille y = bx 2. VASTAUS: , b = 2 2

12. Derivointioperaattoreista geometrisissa avaruuksissa

Vektorialgebra 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori

u = 2 u (9.1) x + 2 u

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

Kaavoja: Aalto-yliopisto. Hyperboliset ja trigonometriset funktiot: coshz = ez +e z. , sinhz = ez e z. 1. (a) Esitä polaarimuodossa kompleksiluku

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

Pintaintegraali. i j k cos(θ) sin(θ) 1. = r cos(θ)i r sin(θ)j + rk, r sin(θ) r cos(θ) 0 joten

Shrödingerin yhtälön johto

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

( ds ) A (2) ψ ξ dv + ψ 2 ξ dv = ψ 2 ξ ξ 2 ψ ) V

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

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

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

Matematiikan tukikurssi

Matemaattisen analyysin tukikurssi

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

Transkriptio:

6. Kompleksiluvut Yhtälöllä x = 1 ei ole reaalilukuratkaisua: tarvitaan uusia lukuja. Kompleksiluku on kahden reaaliluvun järjesteby "pari" (x,y): Z = x +iy Missä i on imaginääriyksikkö, jolla on ominaisuus i = i i = 1 x = kompleksiluvun reaaliosa, Re(z) y = kompleksiluvun imaginääriosa, Im(z) Huom: älä sekoita imaginääriyksikköä i ja yksikkövektoria i Kompleksilukuja esiintyy usein polynomiyhtälöiden ratkaisuina. Esim: x x + 5 = 0 x = ± ( ) 4 1 5 1 = ± 1 4 = ± 4i = ± 16 =1± i Merkitään juuria Z 1 = 1 + i, Z = 1 i Re(Z 1 ) = 1 Re(Z ) = 1 Im(Z 1 ) = Im(Z ) = 1

Kompleksilukujen laskutoimitukset Olkoon Z 1 = x 1 + y 1 i, Z = x + y i Yhteenlasku: Z 1 + Z = (x 1 + x ) + (y 1 + y )i Kertolasku: Z 1 Z = (x 1 + y 1 i)(x + y i) = x 1 x + x 1 y i + x y 1 i + y 1 y i = x 1 x + (x 1 y + x y 1 )i y 1 y = x 1 x y 1 y + (x 1 y + x y 1 )i Kompleksiluvun lii5oluku eli kompleksikonjugaa8 Merkitään Z* tai Z Z = x + yi Z* = x yi Huomaa ebä kompleksiluku kerrobuna liiboluvullaan antaa reaaliluvun: Z Z* = x + y Kompleksiluvun jakolasku (huom! Helpompikin tapa löytyy) Z 1 = x + y i 1 1 Z x + y i = (x + y i)(x y i) 1 1 (x + y i)(x y i) Kerrotaan molemmat puolet Z *:lla = (x 1 x x 1 y i + x y 1 i y 1 y i ) x + x y i x y i - y i = x 1 x + y 1 y + (x y 1 - x 1 y )i x + y

Kompleksiluvun pituus ja argument Kompleksiluku voidaan esibää vektorina ns. kompleksitasossa. Im(Z) Z = x + iy (x,y) y (x,y) x Kompleksiluvun pituus ja argument Kompleksiluku voidaan esibää vektorina ns. kompleksitasossa. Im(Z) y Z = x + iy (x,y) r (x,y) r: pisteen etäisyys origosta θ: vektorin ja akselin välinen kulma θ x 3

Im(Z) r θ (x,y) Olkon Z = x + iy. Tällöin = x ja Im(Z) = y. r = kompleksiluvun pituus (= moduli, itseisarvo), merkitään Z. Lasketaan pythagoraan kaavalla: Z = r = + Im(Z) = x + y θ = kompleksiluvun argument, merkitään Arg(Z): arctan( Im(Z) ) jos > 0 Arg(Z) = θ = { arctan( Im(Z) ) + π jos < 0 Yhteys napakoordinaabeihin Im(Z) r θ (x,y) = r cos(θ) Im(Z) = r sin(θ) Z = r (cos(θ) + i sin(θ)) 4

Im(Z) (x,y) Olkon Z = x + iy. Tällöin = x ja Im(Z) = y. θ = kompleksiluvun argument, merkitään Arg(Z): arctan( Im(Z) ) jos > 0 Arg(Z) = θ = { arctan( Im(Z) ) + π jos < 0 on vaaka- akseli, eli π (= 180 ) lisätään silloin kun ollaan pystyakselin vasemmalla puolella. r θ ArkustangenTfunkaon käytös +90 Arctan(x) x 90 5

Yksikköympyrä kompleksitasossa y=im(z) r=1 θ x= ArkustangenTfunkaon käytös ArkustangenT palaubaa kulmia 90 ja +90 asteen ( π/ ja π/ radiaanin) väliltä. Halutaan kuitenkin yleensä antaa argument kulmana 0 ja 360 väliltä! Jos y/x < 0, arctan(y/x) antaa tuloksena negaaivisen kulman Jos y/x > 0, arctan(y/x) antaa tuloksena posiaivisen kulman 6

Minkä merkkinen Im(Z)/ on? [0...90 ] y posiaivinen arctan(y/x) x Arg(Z) = arctan( Im(Z) ) Arctan antaa oikean kulman. Minkä merkkinen Im(Z)/ on? [90...180 ] negaaivinen y x arctan(y/x) Arg(Z) = arctan( Im(Z) ) +180 Arctan antaa negaaivisen & väärän kulman, pitää lisätä 180. 7

Minkä merkkinen Im(Z)/ on? x arctan(y/x) [180...70 ] posiaivinen Arg(Z) = arctan( Im(Z) ) +180 y Arctan antaa posiaivisen muba väärän kulman, pitää lisätä 180. Minkä merkkinen Im(Z)/ on? Arctan antaa negaaivisen joskin sinänsä oikean kulman. Jos halutaan rajata kulma 0...360 välille, pitää lisätä 360. x y negaaivinen arctan(y/x) Arg(Z) = arctan( Im(Z) ) (+360 ) [70...360 ] 8

Esimerkki Etsi kompleksiluvun pituus ja argument ja piirrä kompleksilukuvektori. a) Z = 1 + i Ratkaisu: Z = + Im(Z) = 1 +1 = Arg(Z) = arctan( Im(Z) ) = arctan(1 1 ) = 45 45 b) Z = 0.5 ( 3/)i Ratkaisu: Z = + Im(Z) = (- 1 3 ) + (- ) =1 3 Arg(Z) = arctan( Im(Z) ) +180 = arctan( ) +180 = 40 1 40 1 9

Eulerin kaava Z = + Im(Z) i = r cos(θ) + r sin(θ) i = r (cos(θ) + i sin(θ)) = re iθ Z = r(cosθ + isinθ) = re iθ Eulerin kaava kytkee yhteen eksponen8funkbon ja trigonometriset funkbot, ja on hyvin hyödyllinen työkalu. Eulerin kaavan sovelluksia Z = r(cosθ + isinθ) = re iθ KonjugaaT: Z* = re iθ = r(cos(-θ) + isin(-θ)) = r(cos θ - isin θ) Kertolasku Z 1 = r 1 e iθ 1, Z = r eiθ Z 1 Z = r 1 e iθ 1 r eiθ = r 1 r eiθ 1+iθ = r 1 r e i(θ 1+θ ) Jakolasku Z 1 Z = r 1 eiθ1 r e iθ = r 1 r e i(θ 1 θ ) 10

Eulerin kaava helpobaa kompleksilukujen kertolaskua (ja jakolaskua) huomabavasa Z 1 Z = r 1 r e i(θ 1+θ ) Tulon itseisarvo: Z 1 Z = r 1 r Tulon argument: Arg(Z 1 Z ) =θ 1 +θ Kompleksilukujen tulo graafisesa pituudet kerrotaan, kulmat summataan Z 1 Z r 1 r θ 1 θ Z 1 Z = r 1 r e i(θ 1+θ ) r 1 r θ 1 +θ 11

Kompleksiluvut kemiassa Imaginääriluku i esiintyy usein kvantkemian operaaboreissa, näistä on jo tavabu esim: - Liikemäärän operaabori: - ImpulssimomenToperaaBori: (huom: saman näköiset!) ˆp x = -i d dx = i Ĵ z = i φ d dx Myös aaltofunkaoissa on usein kompleksilukutermejä. Esimerkki: kvantmekaaninen pyörimisliike Massat m 1 ja m, vastakkaisilla puolilla origoa ja etäisyyksien r 1 ja r päässä siitä, pyörivät origon ympäri. Merkitään kulmaa θ:lla. r m r 1 θ m 1 Systeemin Schrödingerin yhtälö: m d ψ I = 1 m (r I dθ = Eψ 1 + r ) m 1 +m (hitausmomen8) 1

Edellä annetun schrödingerin yhtälön yleinen ratkaisu on ψ(θ) = Ce iaθ a R Ratkaisun reunaehdot saadaan vaaamalla ebä aaltofunkao on sama kulmalle θ ja θ + π: ψ(θ) = ψ(θ + π ) Ce iaθ = Ce ia(θ+π ) = e iaπ Ce iaθ, mistä nähdään ebä a:n on oltava kokonaisuluku: a = {0, ±1, ±...}. Ratkaistaan seuraavaksi energia operoimalla Hamiltonin operaaborilla annebuun funkaoon: d ψ(θ) I dθ = I = d I dθ Ceiaθ d dθ Ceiaθ ia = I Ceiaθ (ia) = a I Ceiaθ Äsken saaain d ψ(θ) = a I dθ I Ceiaθ = a I ψ(θ) Vertaamalla tätä alkuperäiseen Schrödingerin yhtälöön d ψ I dθ = Eψ nähdään hea ebä E = a I missä edelleen a = {0, ±1, ±...}. (Vain aetyt a:n kokonaislukuarvoja vastaavat energiaalat ovat siis mahdollisia; sanotaan ebä pyörivän kappaleen energiaalat ovat kvan:;uneet.) 13

Esimerkki: vetyatomin aaltofunkaon kulmaosat Vetyatomin aaltofunkaossa on kolme ns kvantlukua, n l ja m. r ψ n,l,m (r,θ,ϕ) = N n,l,m e na 0 ( r )L l+1 n l 1 ( r )Y m l (θ,ϕ) na 0 na 0 Kun sivukvantluku l = 1 ja magneetnen kvantluku m = ± 1, kulmaosa, joka kuvaa elektronin suuntaa vetyatomin yamestä, on palloharmoninen funkao johon sisältyy kompleksiarvoinen eksponent: Y ±1 1 (θ,ϕ) = ( 3 1 8π ) sin(θ)e ±iϕ Voidaan jakaa reaali- ja imaginääriosiin Eulerin kaavalla. 14