Kuidas lahendada keerulist võrrandit. Kompleksarvudega avaldised, võrrandid ja võrrandisüsteemid
Võrrandite kasutamine on meie elus laialt levinud. Neid kasutatakse paljudes arvutustes, konstruktsioonide ehitamisel ja isegi spordis. Inimene on võrrandeid kasutanud juba iidsetest aegadest ja sellest ajast alates on nende kasutamine ainult suurenenud. Selguse huvides lahendame järgmise probleemi:
Arvutage \[ (z_1\cdot z_2)^(10),\], kui \
Kõigepealt pöörame tähelepanu asjaolule, et üks arv on esitatud algebralisel kujul, teine - trigonomeetrilisel kujul. Seda tuleb lihtsustada ja järgmine liik
\[ z_2 = \frac(1)(4) (\cos\frac(\pi)(6)+i\sin\frac(\pi)(6)).\]
Avaldis \ ütleb, et kõigepealt teeme korrutamise ja tõstmise 10. astmeni vastavalt Moivre valemile. See valem koostati kompleksarvu trigonomeetrilise vormi jaoks. Saame:
\[\begin(vmatrix) z_1 \end(vmatrix)=\sqrt ((-1)^2+(\sqrt 3)^2)=\sqrt 4=2\]
\[\varphi_1=\pi+\arctan\frac(\sqrt 3)(-1)=\pi\arctan\sqrt 3=\pi-\frac(\pi)(3)=\frac(2\pi)( 3)\]
Järgides kompleksarvude trigonomeetrilisel kujul korrutamise reegleid, teeme järgmist:
Meie puhul:
\[(z_1+z_2)^(10)=(\frac(1)(2))^(10)\cdot(\cos (10\cdot\frac(5\pi)(6))+i\sin \cdot\frac(5\pi)(6)))=\frac(1)(2^(10))\cdot\cos \frac(25\pi)(3)+i\sin\frac(25\ pi)(3).\]
Muutes murru \[\frac(25)(3)=8\frac(1)(3)\] õigeks, järeldame, et on võimalik "keerata" 4 pööret \[(8\pi rad.):\ ]
\[ (z_1+z_2)^(10)=\frac(1)(2^(10))\cdot(\cos \frac(\pi)(3)+i\sin\frac(\pi)(3 ))\]
Vastus: \[(z_1+z_2)^(10)=\frac(1)(2^(10))\cdot(\cos \frac(\pi)(3)+i\sin\frac(\pi) (3))\]
Seda võrrandit saab lahendada muul viisil, mille tulemuseks on 2. arvu viimine algebralisele vormile ja seejärel korrutamine algebraline vorm, tõlkige tulemus trigonomeetrilisse vormi ja rakendage De Moivre'i valemit:
Kust saab võrgus lahendada kompleksarvudega võrrandisüsteemi?
Võrrandisüsteemi saate lahendada meie veebisaidil https: // saidil. Tasuta veebilahendaja võimaldab teil sekunditega lahendada mis tahes keerukusega võrguvõrrandi. Kõik, mida pead tegema, on lihtsalt sisestada oma andmed lahendajasse. Samuti saate vaadata videoõpetust ja õppida võrrandit lahendama meie veebisaidil. Ja kui teil on küsimusi, võite neid küsida meie Vkontakte grupis http://vk.com/pocketteacher. Liituge meie grupiga, aitame teid alati hea meelega.
Föderaalne haridusagentuur
RIIKLIK HARIDUSASUTUS
KÕRGHARIDUS
"VORONEZI RIIKLIK PEDAGOOGIAÜLIKOOL"
AGLEBRA JA GEOMEETIA TOOL
Keerulised numbrid
(valitud ülesanded)
LÕPPU KVALIFIKATSIOON TÖÖ
eriala 050201.65 matemaatika
(lisaerialaga 050202.65 informaatika)
Lõpetanud: 5. kursuse üliõpilane
füüsiline ja matemaatiline
õppejõud
Teadusnõustaja:
VORONEZH – 2008
1. Sissejuhatus……………………………………………………...…………..…
2. Kompleksarvud (valitud ülesanded)
2.1. Kompleksarvud algebralisel kujul………………….….
2.2. Kompleksarvude geomeetriline tõlgendamine………………
2.3. Kompleksarvude trigonomeetriline kuju
2.4. Kompleksarvude teooria rakendamine 3. ja 4. astme võrrandite lahendamisel……………..……………………………………………………………
2.5. Kompleksarvud ja parameetrid…………………………………….
3. Järeldus…………………………………………………….................
4. Viidete loetelu…………………………………………………………
1. Sissejuhatus
Matemaatika programmis koolikursus arvuteooriat tutvustatakse naturaalarvude hulkade, täisarvude, ratsionaalse, irratsionaalse, s.o. reaalarvude hulgal, mille kujutised täidavad kogu arvurea. Kuid juba 8. klassis ei ole piisavalt reaalarvude varu, lahendades ruutvõrrandeid negatiivse diskriminandiga. Seetõttu oli vaja reaalarvude varu täiendada kompleksarvudega, mille ruutjuur negatiivne arv omab tähendust.
Lõputeemaks valides teema "Keerulised numbrid". kvalifitseeriv töö, seisneb selles, et kompleksarvu mõiste laiendab õpilaste teadmisi arvsüsteemidest, laia klassi nii algebralise kui geomeetrilise sisuga ülesannete lahendamisest, lahendamisest. algebralised võrrandid mis tahes kraadi ja parameetritega seotud probleemide lahendamise kohta.
Käesolevas lõputöös käsitletakse 82 ülesande lahendust.
Põhijaotise "Keerulised numbrid" esimene osa sisaldab lahendusi probleemidele kompleksarvud algebralises vormis on defineeritud liitmise, lahutamise, korrutamise, jagamise, algebralise kujuga kompleksarvude konjugatsioonitehte, imaginaarühiku aste, kompleksarvu moodul ja väljavõtmisreegel. ruutjuur kompleksarvust.
Teises osas lahendatakse ülesandeid kompleksarvude geomeetriliseks tõlgendamiseks komplekstasandi punktide või vektorite kujul.
Kolmas osa käsitleb tehteid kompleksarvudega trigonomeetrilisel kujul. Kasutatakse valemeid: De Moivre ja kompleksarvust juure eraldamine.
Neljas osa on pühendatud 3. ja 4. astme võrrandite lahendamisele.
Viimase osa "Kompleksarvud ja parameetrid" ülesannete lahendamisel kasutatakse ja koondatakse eelmistes osades toodud info. Peatüki ülesannete jada on pühendatud jooneperekondade määratlemisele komplekstasandil, võrranditega antud(ebavõrdsused) parameetriga. Osas harjutustest tuleb lahendada võrrandid parameetriga (üle C). On ülesandeid, kus kompleksne muutuja vastab korraga mitmele tingimusele. Selle jaotise ülesannete lahendamise tunnuseks on paljude nende taandamine teise astme võrrandite (võrratuste, süsteemide) lahendamiseks, irratsionaalne, parameetriga trigonomeetriline.
Iga osa materjali esitamise tunnuseks on esialgne sisend teoreetilised alused, ja hiljem nende praktiline rakendamine probleemide lahendamisel.
Lõpuks lõputöö esitatakse kasutatud kirjanduse loetelu. Enamik neist on üsna üksikasjalikud ja juurdepääsetavad. teoreetiline materjal, kaalutakse mõne probleemi lahendusi ja praktilisi ülesandeid jaoks sõltumatu lahendus. Erilist tähelepanu Tahaksin viidata sellistele allikatele nagu:
1. Gordienko N.A., Beljajeva E.S., Firstov V.E., Serebryakova I.V. Kompleksarvud ja nende rakendused: Õpik. . Materjal õppejuhend loengute ja praktiliste harjutuste vormis.
2. Shklyarsky D.O., Tšentsov N.N., Yaglom I.M. Esiletõstetud ülesanded ja elementaarmatemaatika teoreemid. Aritmeetika ja algebra. Raamat sisaldab 320 algebra, aritmeetika ja arvuteooriaga seotud ülesannet. Oma olemuselt erinevad need ülesanded oluliselt tavapärastest kooliülesannetest.
2. Kompleksarvud (valitud ülesanded)
2.1. Kompleksarvud algebralisel kujul
Paljude matemaatika ja füüsika ülesannete lahendamine taandub algebraliste võrrandite lahendamisele, s.o. vormi võrrandid
,kus a0 , a1 , …, an on reaalarvud. Seetõttu on algebraliste võrrandite uurimine üks kriitilised probleemid matemaatikas. Näiteks negatiivse diskriminandiga ruutvõrrandil pole tegelikke juuri. Lihtsaim selline võrrand on võrrand
.Selleks, et sellel võrrandil oleks lahendus, on vaja reaalarvude hulka laiendada, lisades sellele võrrandi juur
.Tähistame selle juure kui
. Seega definitsiooni järgi , või ,Järelikult
. nimetatakse imaginaarseks ühikuks. Tema abiga ja reaalarvude paari abil moodustatakse vormi avaldis.Saadud avaldist nimetati kompleksarvudeks, kuna need sisaldasid nii reaal- kui ka imaginaarseid osi.
Seega nimetatakse kompleksarve vormi avaldisteks
, ja on reaalarvud ning on mõni sümbol, mis vastab tingimusele . Arvu nimetatakse kompleksarvu tegelikuks osaks ja arvu nimetatakse selle imaginaarseks osaks. Sümboleid kasutatakse nende tähistamiseks.Vormi kompleksarvud
on reaalarvud ja järelikult sisaldab kompleksarvude hulk reaalarvude hulka.Vormi kompleksarvud
nimetatakse puhtalt väljamõeldud. Kaht vormi ja kompleksarvu nimetatakse võrdseteks, kui nende reaal- ja mõtteline osa on võrdsed, s.t. kui võrdsused , .Kompleksarvude algebraline tähistus võimaldab teha nendega tehteid tavapäraste algebrareeglite järgi.
Kompleksarvudega seotud probleemide lahendamiseks peate mõistma põhimääratlusi. peamine ülesanne Selle ülevaateartikli osa – selgitada, mis on kompleksarvud, ja esitada meetodid kompleksarvudega seotud põhiülesannete lahendamiseks. Seega on kompleksarv vormi arv z = a + bi, kus a, b- reaalarvud, mida nimetatakse vastavalt kompleksarvu reaal- ja imaginaarseks osaks ning tähistavad a = Re(z), b=Im(z).
i nimetatakse imaginaarseks ühikuks. i 2 \u003d -1. Eelkõige võib keerukaks pidada mis tahes reaalarvu: a = a + 0i, kus a on reaalne. Kui a = 0 ja b ≠ 0, siis nimetatakse seda arvu puhtalt imaginaarseks.
Nüüd tutvustame tehteid kompleksarvudega.
Mõelge kahele kompleksarvule z 1 = a 1 + b 1 i ja z 2 = a 2 + b 2 i.
Kaaluge z = a + bi.
Kompleksarvude hulk laiendab reaalarvude hulka, mis omakorda laiendab hulka ratsionaalsed arvud jne. Seda investeeringute ahelat on näha joonisel: N - täisarvud, Z on täisarvud, Q on ratsionaalne, R on reaalne, C on kompleks.
Kompleksarvude esitamine
Algebraline tähistus.
Mõelge kompleksarvule z = a + bi, nimetatakse seda kompleksarvu kirjutamise vormi algebraline. Oleme seda kirjutamisvormi juba eelmises osas üksikasjalikult käsitlenud. Üsna sageli kasutage järgmist illustreerivat joonist
trigonomeetriline vorm.
Jooniselt on näha, et number z = a + bi saab kirjutada erinevalt. See on ilmne a = rcos(φ), b = rsin(φ), r=|z|, Järelikult z = rcos(φ) + rsin(φ)i, φ ∈ (-π; π)
nimetatakse kompleksarvu argumendiks. Seda kompleksarvu esitust nimetatakse trigonomeetriline vorm. Trigonomeetriline tähistusvorm on mõnikord väga mugav. Näiteks on seda mugav kasutada kompleksarvu tõstmiseks täisarvuliseks astmeks, nimelt kui z = rcos(φ) + rsin(φ)i, siis z n = r n cos(nφ) + r n sin(nφ)i, nimetatakse seda valemit De Moivre'i valem.
Demonstratiivne vorm.
Kaaluge z = rcos(φ) + rsin(φ)i on kompleksarv trigonomeetrilisel kujul, kirjutame selle erineval kujul z = r(cos(φ) + sin(φ)i) = re iφ, viimane võrdsus tuleneb Euleri valemist, seega saame uus vorm kompleksarvu kirjed: z = re iφ, mida nimetatakse demonstratiivne. See tähistus on väga mugav ka kompleksarvu tõstmiseks astmeks: z n = r n e inφ, siin n ei pruugi olla täisarv, kuid võib olla suvaline tegelik arv. Seda kirjutamisvormi kasutatakse probleemide lahendamiseks üsna sageli.
Kõrgema algebra fundamentaalteoreem
Kujutage ette, et meil on ruutvõrrand x 2 + x + 1 = 0 . Ilmselgelt on selle võrrandi diskriminant negatiivne ja sellel pole tegelikke juuri, kuid selgub, et sellel võrrandil on kaks erinevat keerulist juurt. Niisiis, kõrgema algebra põhiteoreem väidab, et igal n-astme polünoomil on vähemalt üks kompleksjuur. Sellest järeldub, et igal n-astme polünoomil on nende paljusust arvesse võttes täpselt n kompleksjuurt. See teoreem on väga oluline tulemus matemaatikas ja seda kasutatakse laialdaselt. Selle teoreemi lihtne tagajärg on järgmine tulemus: seal on täpselt n mitmesugused juured võimud n välja ühtsusest.
Peamised ülesannete liigid
Selles jaotises käsitletakse peamisi tüüpe lihtsaid ülesandeid kompleksarvudele. Tavaliselt võib kompleksarvude ülesanded jagada järgmistesse kategooriatesse.
- Lihtsate aritmeetiliste toimingute sooritamine kompleksarvudega.
- Kompleksarvude polünoomide juurte leidmine.
- Kompleksarvude tõstmine astmeni.
- Kompleksarvudest juurte eraldamine.
- Kompleksarvude rakendamine muude ülesannete lahendamiseks.
Nüüd kaaluge üldised meetodid lahendusi nendele probleemidele.
Lihtsamate aritmeetiliste toimingute sooritamine kompleksarvudega toimub vastavalt esimeses jaotises kirjeldatud reeglitele, kuid kui kompleksarvud esitatakse trigonomeetrilises või eksponentsiaalses vormis, siis sel juhul saab need teisendada algebraliseks vormiks ja teha toiminguid teadaolevate reeglite järgi.
Polünoomide juurte leidmine taandub tavaliselt ruutvõrrandi juurte leidmisele. Oletame, et meil on ruutvõrrand, kui selle diskriminant on mittenegatiivne, siis on selle juured reaalsed ja leitakse tuntud valemi järgi. Kui diskriminant on negatiivne, siis D = -1∙a 2, kus a on teatud arv, siis saame diskriminanti esitada kujul D = (ia) 2, Järelikult √D = i|a|, ja siis saate kasutada kuulus valem ruutvõrrandi juurte jaoks.
Näide. Tagasi ülaltoodu juurde ruutvõrrand x 2 + x + 1 = 0 .
Diskrimineeriv – D \u003d 1 - 4 ∙ 1 \u003d -3 \u003d -1 (√3) 2 \u003d (i√3) 2.
Nüüd leiame juured hõlpsalt üles:
Kompleksarvude astmeks tõstmist saab teha mitmel viisil. Kui soovite tõsta algebralisel kujul kompleksarvu väikese astmeni (2 või 3), siis saate seda teha otsekorrutamisega, kuid kui aste on suurem (ülesannetes on see sageli palju suurem), siis peate kirjuta see arv trigonomeetrilises või eksponentsiaalses vormis ja kasuta juba tuntud meetodeid.
Näide. Vaatleme z = 1 + i ja tõsta kümnenda astmeni.
Kirjutame z eksponentsiaalsel kujul: z = √2 e iπ/4 .
Siis z 10 = (√2 e iπ/4) 10 = 32 e 10iπ/4.
Pöördume tagasi algebralise vormi juurde: z 10 = -32i.
Kompleksarvudest juurte eraldamine on astendamise pöördtehing, seega tehakse seda sarnaselt. Juurte eraldamiseks kasutatakse sageli arvu eksponentsiaalset kirjutamise vormi.
Näide. Leia kõik ühtsuse 3. astme juured. Selleks leiame kõik võrrandi z 3 = 1 juured, otsime juuri eksponentsiaalsel kujul.
Asendage võrrandis: r 3 e 3iφ = 1 või r 3 e 3iφ = e 0 .
Seega: r = 1, 3φ = 0 + 2πk, seega φ = 2πk/3.
Erinevad juured saadakse φ = 0, 2π/3, 4π/3 juures.
Seega 1 , e i2π/3 , e i4π/3 on juured.
Või algebralises vormis:
Viimane ülesandetüüp sisaldab suur hulk probleeme ja nende lahendamiseks puuduvad üldised meetodid. Siin on sellise ülesande lihtne näide:
Leia summa sin(x) + sin(2x) + patt(2x) + … + sin(nx).
Kuigi selle probleemi sõnastus seda ei tee kõnealune kompleksarvude kohta, kuid nende abiga saab seda lihtsalt lahendada. Selle lahendamiseks kasutatakse järgmisi esitusi:
Kui nüüd asendada see esitus summaga, siis taandatakse probleem tavalise geomeetrilise progressiooni liitmiseks.
Järeldus
Kompleksarvud on matemaatikas laialdaselt kasutusel, käesolevas ülevaateartiklis käsitleti põhitehteid kompleksarvudega, kirjeldati ja kirjeldati lühidalt mitut tüüpi standardülesandeid levinud meetodid nende lahendusi, kompleksarvude võimaluste täpsemaks uurimiseks on soovitatav kasutada erialakirjandust.