Kako riješiti složenu jednačinu. Izrazi, jednačine i sistemi jednačina sa kompleksnim brojevima
Upotreba jednačina je široko rasprostranjena u našim životima. Koriste se u mnogim proračunima, izgradnji objekata, pa čak i u sportu. Jednadžbe je čovjek koristio od davnina i od tada se njihova upotreba samo povećava. Radi jasnoće, riješimo sljedeći problem:
Izračunaj \[ (z_1\cdot z_2)^(10),\] ako je \
Prije svega, obratimo pažnju na činjenicu da je jedan broj predstavljen u algebarskom obliku, drugi - u trigonometrijskom obliku. Treba ga pojednostaviti i sledeća vrsta
\[ z_2 = \frac(1)(4) (\cos\frac(\pi)(6)+i\sin\frac(\pi)(6)).\]
Izraz \ kaže da, prije svega, radimo množenje i podizanje na 10. stepen prema Moivreovoj formuli. Ova formula je formulisana za trigonometrijski oblik kompleksnog broja. Dobijamo:
\[\begin(vmatrix) z_1 \end(vmatrix)=\sqrt ((-1)^2+(\sqrt 3)^2)=\sqrt 4=2\]
\[\varphi_1=\pi+\arctan\frac(\sqrt 3)(-1)=\pi\arctan\sqrt 3=\pi-\frac(\pi)(3)=\frac(2\pi)( 3)\]
Pridržavajući se pravila za množenje kompleksnih brojeva u trigonometrijskom obliku, učinit ćemo sljedeće:
u našem slučaju:
\[(z_1+z_2)^(10)=(\frac(1)(2))^(10)\cdot(\cos (10\cdot\frac(5\pi)(6))+i\sin \cdot\frac(5\pi)(6)))=\frac(1)(2^(10))\cdot\cos \frac(25\pi)(3)+i\sin\frac(25\ pi)(3).\]
Ispravnim razlomak \[\frac(25)(3)=8\frac(1)(3)\] zaključujemo da je moguće "uvrnuti" 4 zavoja \[(8\pi rad.):\ ]
\[ (z_1+z_2)^(10)=\frac(1)(2^(10))\cdot(\cos \frac(\pi)(3)+i\sin\frac(\pi)(3 ))\]
Odgovor: \[(z_1+z_2)^(10)=\frac(1)(2^(10))\cdot(\cos \frac(\pi)(3)+i\sin\frac(\pi) (3))\]
Ova se jednadžba može riješiti na drugi način, koji se svodi na dovođenje 2. broja u algebarski oblik, a zatim na množenje u algebarski oblik, prevedite rezultat u trigonometrijski oblik i primijenite De Moivreovu formulu:
Gde mogu da rešim sistem jednačina sa kompleksnim brojevima na mreži?
Sistem jednadžbi možete riješiti na našoj web stranici https: // site. Besplatni online rješavač će vam omogućiti da za nekoliko sekundi riješite online jednadžbu bilo koje složenosti. Sve što treba da uradite je da unesete svoje podatke u rešavač. Također možete pogledati video upute i naučiti kako riješiti jednadžbu na našoj web stranici. A ako imate bilo kakvih pitanja, možete ih postaviti u našoj Vkontakte grupi http://vk.com/pocketteacher. Pridružite se našoj grupi, mi ćemo vam uvijek rado pomoći.
FEDERALNA AGENCIJA ZA OBRAZOVANJE
DRŽAVNA OBRAZOVNA USTANOVA
VISOKO STRUČNO OBRAZOVANJE
"DRŽAVNI PEDAGOŠKI UNIVERZITET VORONJEŽ"
KATEDRA ZA AGLEBRU I GEOMETRIJU
Kompleksni brojevi
(odabrani zadaci)
ZAVRŠNI KVALIFIKACIJSKI RAD
specijalnost 050201.65 matematika
(sa dodatnom specijalnošću 050202.65 informatika)
Završio: student 5. godine
fizičke i matematičke
fakultet
naučni savjetnik:
VORONJEŽ - 2008
1. Uvod……………………………………………………...…………..…
2. Kompleksni brojevi (odabrani problemi)
2.1. Kompleksni brojevi u algebarskom obliku…………………….….
2.2. Geometrijska interpretacija kompleksnih brojeva…………..…
2.3. Trigonometrijski oblik kompleksnih brojeva
2.4. Primjena teorije kompleksnih brojeva na rješavanje jednačina 3. i 4. stepena……………..……………………………………………………………………
2.5. Kompleksni brojevi i parametri…………………………………….
3. Zaključak……………………………………………………………………………….
4. Spisak referenci……………………………………………………………………….
1. Uvod
U programu matematike školski kurs teorija brojeva se uvodi na primjerima skupova prirodnih brojeva, cijelih, racionalnih, iracionalnih, tj. na skupu realnih brojeva čije slike ispunjavaju čitavu brojevnu pravu. Ali već u 8. razredu nema dovoljno realnih brojeva, rješavanje kvadratnih jednačina sa negativnim diskriminantom. Stoga je bilo potrebno zalihu realnih brojeva dopuniti kompleksnim brojevima za koje je kvadratni korijen od negativan broj ima značenje.
Odabrao sam temu "Složeni brojevi" kao diplomsku temu kvalifikacioni rad, leži u činjenici da koncept kompleksnog broja proširuje znanja učenika o numeričkim sistemima, o rješavanju široke klase zadataka kako algebarskog tako i geometrijskog sadržaja, o rješavanju algebarske jednačine bilo kog stepena i o rješavanju problema sa parametrima.
U ovom diplomskom radu razmatrana su rješenja 82 problema.
Prvi dio glavnog odjeljka "Složeni brojevi" sadrži rješenja problema sa kompleksni brojevi u algebarskom obliku definiraju se operacije sabiranja, oduzimanja, množenja, dijeljenja, operacije konjugacije za kompleksne brojeve u algebarskom obliku, stepen imaginarne jedinice, modul kompleksnog broja, a navodi se i pravilo ekstrakcije kvadratni korijen iz kompleksnog broja.
U drugom dijelu rješavaju se zadaci geometrijske interpretacije kompleksnih brojeva u obliku tačaka ili vektora kompleksne ravni.
Treći dio se bavi operacijama nad kompleksnim brojevima u trigonometrijskom obliku. Koriste se formule: De Moivre i ekstrakcija korijena iz kompleksnog broja.
Četvrti dio je posvećen rješavanju jednačina 3. i 4. stepena.
Prilikom rješavanja zadataka posljednjeg dijela "Kompleksni brojevi i parametri" koriste se i objedinjuju informacije date u prethodnim dijelovima. Niz problema ovog poglavlja posvećen je definiciji familija linija u kompleksnoj ravni, dato jednačinama(nejednakosti) sa parametrom. U dijelu vježbi potrebno je riješiti jednadžbe sa parametrom (preko polja C). Postoje zadaci u kojima kompleksna varijabla istovremeno zadovoljava niz uslova. Odlika rješavanja problema ovog odjeljka je svođenje mnogih od njih na rješavanje jednačina (nejednačina, sistema) drugog stepena, iracionalnih, trigonometrijskih sa parametrom.
Karakteristika prezentacije materijala svakog dijela je početni unos teorijske osnove, a kasnije i njihovu praktičnu primjenu u rješavanju problema.
Na kraju teza predstavljen je spisak korišćene literature. Većina njih je prilično detaljna i pristupačna. teorijski materijal, razmatraju se rješenja nekih problema i praktični zadaci za nezavisna odluka. Posebna pažnjaŽeleo bih da se pozovem na izvore kao što su:
1. Gordienko N.A., Belyaeva E.S., Firstov V.E., Serebryakova I.V. Kompleksni brojevi i njihova primjena: Udžbenik. . Materijal studijski vodič prezentovani u vidu predavanja i praktičnih vežbi.
2. Shklyarsky D.O., Chentsov N.N., Yaglom I.M. Istaknuti zadaci i teoreme elementarne matematike. Aritmetika i algebra. Knjiga sadrži 320 zadataka vezanih za algebru, aritmetiku i teoriju brojeva. Ovi zadaci se po svojoj prirodi značajno razlikuju od standardnih školskih zadataka.
2. Kompleksni brojevi (odabrani problemi)
2.1. Kompleksni brojevi u algebarskom obliku
Rješenje mnogih problema iz matematike i fizike svodi se na rješavanje algebarskih jednačina, tj. jednačine oblika
,gdje su a0 , a1 , …, an realni brojevi. Stoga je proučavanje algebarskih jednačina jedna od kritična pitanja u matematici. Na primjer, kvadratna jednadžba sa negativnim diskriminantom nema pravi korijen. Najjednostavnija takva jednadžba je jednačina
.Da bi ova jednadžba imala rješenje, potrebno je proširiti skup realnih brojeva dodavanjem korijena jednadžbe
.Označimo ovaj korijen kao
. Dakle, po definiciji, , ili ,shodno tome,
. naziva se imaginarna jedinica. Uz njegovu pomoć i uz pomoć para realnih brojeva formira se izraz oblika.Rezultirajući izraz nazvan je kompleksnim brojevima jer je sadržavao i stvarne i imaginarne dijelove.
Dakle, kompleksni brojevi se nazivaju izrazi oblika
, i su realni brojevi, i je neki simbol koji zadovoljava uvjet . Broj se naziva realnim dijelom kompleksnog broja, a broj se naziva njegovim imaginarnim dijelom. Za njihovo označavanje koriste se simboli.Kompleksni brojevi forme
![](https://i2.wp.com/mirznanii.com/images/15/67/8506715.png)
Kompleksni brojevi forme
nazivaju se čisto imaginarnim. Dva kompleksna broja oblika i nazivaju se jednakima ako su im realni i imaginarni dijelovi jednaki, tj. ako su jednakosti , .Algebarska notacija kompleksnih brojeva omogućava izvođenje operacija nad njima prema uobičajenim pravilima algebre.
Da biste riješili probleme s kompleksnim brojevima, morate razumjeti osnovne definicije. glavni zadatak ovog preglednog članka - objasniti šta su kompleksni brojevi i predstaviti metode rješavanja osnovnih zadataka s kompleksnim brojevima. Dakle, kompleksni broj je broj oblika z = a + bi, gdje a, b- realni brojevi, koji se nazivaju realni i imaginarni dijelovi kompleksnog broja, odnosno, i označavaju a = Re(z), b=Im(z).
i naziva se imaginarna jedinica. i 2 \u003d -1. Konkretno, svaki realan broj se može smatrati kompleksnim: a = a + 0i, gdje je a realno. Ako a = 0 i b ≠ 0, tada se broj naziva čisto imaginarnim.
Sada uvodimo operacije nad kompleksnim brojevima.
Razmotrimo dva kompleksna broja z 1 = a 1 + b 1 i i z 2 = a 2 + b 2 i.
Razmislite z = a + bi.
![](https://i1.wp.com/reshatel.org/wp-content/uploads/2013/10/complex_modul.png)
Skup kompleksnih brojeva proširuje skup realnih brojeva, koji zauzvrat proširuje skup racionalni brojevi itd. Ovaj lanac investicija može se vidjeti na slici: N - cijeli brojevi, Z su cijeli brojevi, Q su racionalni, R su realni, C su kompleksni.
Predstavljanje kompleksnih brojeva
Algebarska notacija.
Razmotrimo kompleksan broj z = a + bi, ovaj oblik pisanja kompleksnog broja se zove algebarski. Već smo detaljno raspravljali o ovom obliku pisanja u prethodnom dijelu. Često koristite sljedeći ilustrativni crtež
trigonometrijski oblik.
Iz slike se vidi da je broj z = a + bi može se napisati drugačije. Očigledno je da a = rcos(φ), b = rsin(φ), r=|z|, Shodno tome z = rcos(φ) + rsin(φ)i, φ ∈ (-π; π)
naziva se argument kompleksnog broja. Ova reprezentacija kompleksnog broja se zove trigonometrijski oblik. Trigonometrijski oblik zapisa ponekad je vrlo zgodan. Na primjer, zgodno ga je koristiti za podizanje kompleksnog broja na cijeli broj, naime, ako z = rcos(φ) + rsin(φ)i, onda z n = r n cos(nφ) + r n sin(nφ)i, ova formula se zove De Moivreova formula.
Demonstrativna forma.
Razmislite z = rcos(φ) + rsin(φ)i je kompleksan broj u trigonometrijskom obliku, pišemo ga u drugom obliku z = r(cos(φ) + sin(φ)i) = re iφ, posljednja jednakost proizlazi iz Eulerove formule, pa dobivamo nova forma unosi kompleksnih brojeva: z = re iφ, koji se zove demonstrativna. Ovaj oblik zapisa je također vrlo zgodan za podizanje kompleksnog broja na stepen: z n = r n e inφ, ovdje n nije nužno cijeli broj, ali može biti proizvoljan pravi broj. Ovaj oblik pisanja se često koristi za rješavanje problema.
Osnovni teorem više algebre
Zamislite da imamo kvadratnu jednačinu x 2 + x + 1 = 0. Očigledno, diskriminanta ove jednadžbe je negativna i nema realne korijene, ali ispada da ova jednadžba ima dva različita kompleksna korijena. Dakle, glavna teorema više algebre kaže da svaki polinom stepena n ima barem jedan kompleksni korijen. Iz ovoga slijedi da svaki polinom stepena n ima tačno n kompleksnih korijena, uzimajući u obzir njihovu višestrukost. Ova teorema je veoma važan rezultat u matematici i široko se koristi. Jednostavna posljedica ove teoreme je sljedeći rezultat: postoji tačno n razni koreni snage n iz jedinstva.
Glavne vrste zadataka
Ovaj odjeljak će pokriti glavne tipove jednostavni zadaci na kompleksne brojeve. Uobičajeno, problemi s kompleksnim brojevima mogu se podijeliti u sljedeće kategorije.
- Izvođenje jednostavnih aritmetičkih operacija nad kompleksnim brojevima.
- Pronalaženje korijena polinoma u kompleksnim brojevima.
- Podizanje kompleksnih brojeva na stepen.
- Izdvajanje korijena iz kompleksnih brojeva.
- Primjena kompleksnih brojeva za rješavanje drugih problema.
Sada razmislite opšte metode rješenja ovih problema.
Izvođenje najjednostavnijih aritmetičkih operacija sa kompleksnim brojevima odvija se prema pravilima opisanim u prvom dijelu, ali ako su kompleksni brojevi predstavljeni u trigonometrijskom ili eksponencijalnom obliku, tada se u ovom slučaju mogu pretvoriti u algebarski oblik i izvršiti operacije prema poznatim pravilima.
Pronalaženje korijena polinoma obično se svodi na pronalaženje korijena kvadratne jednadžbe. Pretpostavimo da imamo kvadratnu jednadžbu, ako je njen diskriminanta nenegativna, tada će njeni korijeni biti realni i nalaze se prema dobro poznatoj formuli. Ako je diskriminant negativan, onda D = -1∙a 2, gdje a je određeni broj, onda možemo predstaviti diskriminanta u obliku D = (ia) 2, Shodno tome √D = i|a|, a zatim možete koristiti poznata formula za korijene kvadratne jednadžbe.
Primjer. Nazad na gore navedeno kvadratna jednačina x 2 + x + 1 = 0 .
diskriminatorno - D \u003d 1 - 4 ∙ 1 = -3 = -1 (√3) 2 = (i√3) 2.
Sada možemo lako pronaći korijene:
Povećanje kompleksnih brojeva na stepen može se izvesti na nekoliko načina. Ako želite podići kompleksan broj u algebarskom obliku na mali stepen (2 ili 3), onda to možete učiniti direktnim množenjem, ali ako je stepen veći (u problemima je često mnogo veći), onda morate napišite ovaj broj u trigonometrijskom ili eksponencijalnom obliku i koristite već poznate metode.
Primjer. Uzmimo z = 1 + i i povisimo na deseti stepen.
Z pišemo u eksponencijalnom obliku: z = √2 e iπ/4 .
Onda z 10 = (√2 e iπ/4) 10 = 32 e 10iπ/4.
Vratimo se algebarskom obliku: z 10 = -32i.
Izdvajanje korijena iz kompleksnih brojeva je inverzna operacija eksponencijacije, pa se radi na sličan način. Za izdvajanje korijena često se koristi eksponencijalni oblik pisanja broja.
Primjer. Pronađite sve korijene stepena 3 jedinice. Da bismo to učinili, nalazimo sve korijene jednadžbe z 3 = 1, potražit ćemo korijene u eksponencijalnom obliku.
Zamjena u jednadžbi: r 3 e 3iφ = 1 ili r 3 e 3iφ = e 0 .
Dakle: r = 1, 3φ = 0 + 2πk, dakle φ = 2πk/3.
Različiti korijeni se dobijaju na φ = 0, 2π/3, 4π/3.
Stoga su 1 , e i2π/3 , e i4π/3 korijeni.
Ili u algebarskom obliku:
Posljednji tip zadatka uključuje veliko mnoštvo problema i ne postoje opšte metode za njihovo rešavanje. Evo jednostavnog primjera takvog zadatka:
Pronađite iznos sin(x) + sin(2x) + sin(2x) + … + sin(nx).
Iako formulacija ovog problema nije u pitanju o kompleksnim brojevima, ali uz njihovu pomoć to se lako može riješiti. Da bi se to riješilo, koriste se sljedeće reprezentacije:
Ako sada ovu reprezentaciju zamijenimo zbirom, onda se problem svodi na zbir uobičajene geometrijske progresije.
Zaključak
Kompleksni brojevi se široko koriste u matematici, u ovom preglednom članku razmatrane su osnovne operacije nad kompleksnim brojevima, opisano je i ukratko nekoliko tipova standardnih problema uobičajene metode njihova rješenja, za detaljnije proučavanje mogućnosti kompleksnih brojeva, preporučuje se korištenje specijalizirane literature.