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L'insieme C dei numeri complessi fu introdotto da Raffaele Bombelli (1500) al fine di risolvere l'equazioni di 2° grado con discriminante negativo, in quanto la radice quadrata di un numero negativo non esiste nell'ambito dei numeri reali.
Cominciamo con l'osservare che non vi è alcun numero reale il cui quadrato sia uguale a -1; però nulla impedisce di creare un nuovo numero,fuori dell'insieme R dei numeri reali il quale soddisfi a questa condizione.
Questo nuovo numero si suole indicare con la lettera i e si chiama unità immaginaria .
Si ha dunque per
definizione :
Si pone ,come per i numeri reali
Se b è un numero reale, il prodotto bi si chiama numero immaginario.
Osserviamo che continua a valere la proprietà commutativa cioè
bi=ib
I numeri bi e -bi si dicono numeri immaginari opposti o contrari.
L'addizione e la sottrazione di numeri immaginari dà come risultato un numero immaginario.
Il prodotto e il quoziente di due numeri immaginari sono numeri reali.
Siano a e b due numeri reali. Le espressioni della forma a+ib somma di un numero reale e di un numero immaginario prendono il nome di numeri complessi.
Il numero a si dice parte reale del numero complesso,ib è la parte immaginaria e b è il coefficiente dell'immaginario.
Se b=0,il numero complesso a+ib coincide con il numero reale a;
se a=0 il numero complesso coincide con il numero immaginario ib.
Due numeri complessi si dicono uguali quando hanno rispettivamente uguali le parti reali e i coefficienti dell'immaginario.
Due numeri complessi che hanno la stessa parte reale ed opposti i coefficienti dell'immaginario si dicono complessi coniugati.
Due numeri complessi si dicono opposti quando sono opposte sia la parte reale sia quella immaginaria.
La somma di due o più numeri complessi si definisce come il numero complesso che ha per parte reale la somma delle parti reali degli addendi e per coefficiente della parte immaginaria la somma dei coefficienti delle parti immaginarie:
(a+ib)+(c+id)=(a+c)+i(b+d).
Per differenza di due numeri complessi si intende la somma del primo e dell'opposto del secondo.
Si chiama reciproco del numero complesso c+id il numero:
moltiplicando numeratore e denominatore di questa frazione per il coniugato di c+id,cioè c-id,si ha:
=
=
Si può così affermare che il reciproco del numero complesso c+id è
Per quoziente di due numeri complessi si intende il prodotto del primo per il reciproco del secondo.
=
Così come i numeri reali si possono mettere in corrispondenza biunivoca con i punti di una retta, i numeri complessi si possono porre in corrispondenza biunivoca con i punti di un piano.
Fissiamo sul piano un sistema di assi cartesiani di origine O .
Il numero complesso
è caratterizzato dalla
coppia di numeri reali
; sia P il punto del piano di ascissa
e di ordinata
,conveniamo di rappresentare il numero complesso
con il punto P.Il
punto P costituisce l'immagine geometrica del numero complesso dato,e
viceversa,ad ogni punto del piano corrisponde un numero complesso avente per
parte reale l'ascissa del punto P e per coefficiente della parte immaginaria
l'ordinata del punto P.
In tal modo resta
stabilita una corrispondenza biunivoca tra i punti P del piano e le coppie di
numeri reali cioè tra i punti P del piano e i numeri complessi
.
Se il numero complesso si
riduce ad
che è reale e il punto
P viene a trovarsi sull'asse
,che si dice perciò asse reale.
Se si ha il numero
immaginario
e il punto P viene a
trovarsi sull'asse
.
L'origine O è
l'immagine dello zero complesso .
Il piano considerato come luogo dei punti immagini geometriche dei numeri complessi si dice piano di Gauss .
Oss. Nel piano di Gauss,due numeri complessi coniugati hanno per rispettive
immagini due punti simmetrici rispetto all'asse reale (asse ) e due numeri opposti
invece sono rappresentati da punti
simmetrici rispetto all'origine O degli assi.
y
P
b
O a Q x
Corrispondenza tra vettori e numeri complessi
Abbiamo visto che
al numero complesso possiamo associare il
punto P del piano di Gauss di coordinate
,ma il punto P individua il vettore OP, quindi possiamo dire
che al numero complesso
corrisponde il vettore
avente
come sua componente
secondo l'asse
e
come componente
secondo l'asse
.
Viceversa,in un
piano ,ogni vettore può rappresentarsi con un numero complesso
avente per parte reale e per coefficiente dell'immaginario le componenti del
vettore rispettivamente secondo l'asse
e l'asse
.
Esiste quindi una corrispondenza biunivoca tra i numeri complessi e i vettori del piano.
Sia OP
il vettore corrispondente al numero complesso
e sia
il modulo
del vettore e
l'angolo che il
vettore forma con la direzione positiva dell'asse x. Dal triangolo
rettangolo OQP si ha:
,
da cui
e (1)
I due numeri e
si dicono
rispettivamente modulo ed argomento del
numero complesso ; si suol dire che a+ib
è la forma algebrica del
numero complesso ,numero che si può mettere sotto la forma
trigonometrica :
è positivo (ed è nullo
solo se a=b=0), mentre l'argomento è determinato a meno di un multiplo
intero di
(o di 360°).
Se è un angolo notevole,il suo valore può essere
immediatamente ricavato dalle (1); altrimenti, sempre dalle (1) e per
si deduce
e, con una
calcolatrice si determina arctg
.
Si ottiene così un angolo positivo del primo quadrante o un angolo
negativo del quarto quadrante .
Se a>0 ,ossia ,poiché
è un angolo del primo
o quarto quadrante ,si può assumere
;
Se a<0 ,ossia ,
è un angolo del secondo o terzo quadrante e si assumerà
quindi
;
I numeri reali hanno per
argomento 0 o a secondo che siano
positivi o negativi ; invece i numeri immaginari hanno per argomento
oppure
,secondo che il
coefficiente di i sia positivo o negativo .
Prodotto di due numeri complessi sotto forma trigonometrica
Siano dati due numeri complessi
Eseguiamo il prodotto:
=
Possiamo quindi concludere che : il prodotto di due numeri complessi ha per modulo il prodotto dei moduli e come argomento la somma degli argomenti
Procediamo analogamente per calcolare il quoziente:
Possiamo concludere che:il quoziente di due numeri complessi ha come modulo il quoziente dei moduli e come argomento la differenza degli argomenti
Potenza di un numero complesso
Consideriamo un numero complesso posto in forma trigonometrica:
vogliamo calcolare :
basterà applicare la regola del prodotto di due numeri complessi per avere:
=
che è la cosiddetta formula di Moivre .
Radici_ dei numeri complessi
Risolviamo ora il
problema inverso del precedente:dato un numero complesso ,in forma
trigonometrica,vogliamo trovare i numeri
che sono le
radici di
,tali cioè che sia
dove n è un numero intero positivo .
Dimostreremo
che,nel campo dei numeri complessi,l'estrazione di radice è un operazione
sempre possibile ed inoltre ogni numero complesso ammette n radici diverse .
Dato il numero complesso
cerchiamo di determinare le sue radici ,che indicheremo
.
per definizione risulta
=
.
Perché questa eguaglianza sia soddisfatta deve essere:
da cui
,
La radice n-esima di è ovviamente intesa in
R ed ha quindi un unico valore
positivo o nullo; per ottenere n radici diverse,possiamo assegnare a k
ad esempio i valori 0,1,2,.,(n-1).
Concludendo si ha :
=
dove k assume i valori 0,1,2,.,(n-1).
I numeri complessi si possono anche rappresentare in forma esponenziale .Se si pone per definizione
allora si ha, per un generico numero complesso
La (1) è detta formula di Eulero e definisce la potenza ad esponente immaginario del numero e=2,7182. (numero di Nepero).
Mostriamo che per le potenze ad esponente immaginario restano valide le proprietà formali delle potenze ad esponente reale.
1)Qualunque sia R ,
è sempre diverso da zero.
Infatti se fosse =0 per qualche valore di
dovrebbe essere,
per la (1), ,cioè
,il che è impossibile.
Infatti il secondo membro della (1) rappresenta un numero com-
infatti
E' evidente a questo punto come si possa operare con i numeri complessi dati in forma esponenziale.
Siano
;
allora si ha
Dato poi in numero complesso
si ha pure
;
con
Un punto del piano
può essere identificato oltre che con le sue coordinate cartesiane anche con le
sue coordinate polari, definendo come modulo del punto la sua distanza dall'origine ,
e come suo
argomento l'angolo che esso forma con
l'asse x.
y
P
b
O a Q x
Abbiamo che : ,
quindi il punto P ha coordinate cartesiane (x;y) e
coordinate polari (
).
Un numero complesso
viene individuato
tramite le coordinate polari del punto P sua immagine nel piano di Gauss,e
scriveremo:
Pertanto
e
sono le formule che ci permettono di passare dalla forma polare di un numero complesso a quella algebrica .
Viceversa per passare dalla forma algebrica a quella polare useremo le formule:
e
La moltiplicazione e la divisione sono generalmente meno complicate quando si usa la forma polare.
In generale si ha:
=
;
.
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