Nombre complèxe

En matematicas, un nombre complèxe es un nombre format d'una partida reala amb una partida imaginària: s'escriu a + bi (o a + ib), onte a, b son de nombres reaus, e i es l'unitat imaginària, tala que i 2 = −1.

Se representa geometricament cada nombre complèxe a + bi  per lo ponch dau plan euclidian qu'a per coordenadas a e b.

Se pòt addicionar, multiplicar, sostraire e dividir lei nombres complèxes: l'ensemble  d'aquelei nombres es un còrs commutatiu que contèn lo còrs  dei nombres reaus; se ditz que n'es una extension.

Lei nombres complèxes foguèron introduchs per lei matematicians italians de la Renaissença, que cercavan d'exprimir lei racinas deis eqüacions algebricas dau tresen gra. Una proprietat remarcabla, lo teorèma fondamentau de l'algèbra (sovent atribuit a Gauss), afirma que tota eqüacion algebrica de gra diferent de 0 amb coeficients reaus o complèxes tèn aumens una racina complèxa (eventualament reala).

Lei nombres complèxes s'utilizan dins totei lei domenis dei matematicas, e mai en fisica (particularament en electronica e electrotecnica e en mecanica qüantica).

Remarca: dins aquest article, lei letras a, b, c, d, x, y designaràn de nombres reaus (franc de mencion contrària).

Definicions e proprietats elementàrias

Notacions
Un nombre complèxe z s'escriu a + bi, onte a, b son de nombres reaus, e i es l'unitat imaginària, tala que i 2 = −1.

Lei nombres reaus a, b son sonats respectivament partida reala, partida imaginària dau nombre complèxe zNotatz que per definicion, la partida imaginària es un nombre reau.. Veirem infra que l'escritura dau nombre complèxe z sota la forma a + bi es unica; doncas la partida reala e la partida imaginària de z son unicas. S'utiliza lei notacions:
a = Re(z) o a = ℜ(z), b = Im(z) o b = ℑ(z).
L'ensemble dei nombres complèxes se nòta  o C; es una extension de l'ensemble  dei nombres reaus: s'identifica cada nombre complèxe de partida imaginària nulla amb sa partida reala, autrament dich, s'identifica cada nombre complèxe de la forma a + 0i amb lo nombre reau a.

Lei nombres complèxes de partida reala nulla son dichs imaginaris purs; cada nombre imaginari pur 0 + bi se nòta simplament bi.

Remarca: en electronica e electrotecnica, se nòta generalament j l'unitat imaginària, que dins aqueu contèxte, la letra i designa l'intensitat electrica.

Egalitat
L'egalitat entre dos nombres complèxes equivau a doas egalitats entre nombres reaus. Per definicion, dos nombres complèxes a + bi, c + di son egaus, çò que s'escriu a + bi = c + di, se e solament se a = c e b = d.

En particular, lo solet nombre complèxe qu'es au còp reau e imaginari pur es 0, car:
 a = bi o a + 0i = 0 + bi equivau a a = 0 e b = 0

Addicion e multiplicacion
Sián dos nombres complèxes z = a + bi e w = c + di. Se definís ansin la soma e lo produch de z, w:
Addicion: z + w = (a + c) + (b + d)i
Multiplicacion:
z w = ac + bci + adi + bdi 2 = (ac − bd) + (ad + bc)i
(estent que per definicion de l'unitat imaginària, i 2 = −1)
Aquelei doas operacions subre lei nombres complèxes an lei meteissei proprietats algebricas (associativitat, commutativitat, distributivitat de la multiplicacion a respècte de l'addicion) que leis operacions correspondentas subre lei nombres reaus.

Ansin, provesit d'aqueleis operacions, l'ensemble  es un anèu commutatiu. L'element neutre de l'addicion es 0 = 0 + 0i. L'element neutre de la multiplicacion es 1 = 1 + 0i.

Conjugason
Per cada nombre complèxe
,
se definís son conjugat, notat :

( e  an la meteissa partida reala, e de partidas imaginàrias opausadas).

Alora:

Se'n dedutz que per un nombre complèxe z:
 z es reau se e solament se 
 z es imaginari pur se e solament se 
Son de bòn verificar lei proprietats seguentas. Se z, w son de nombres complèxes:

Aiçò s'exprimís ansin: l'aplicacion  (dicha conjugason) es un automorfisme involutiu de l'anèu ; leis elements invariants de l'automorfisme son lei nombres reaus, lei solets que son egaus a son conjugat.

Modul
Lo produch d'un nombre complèxe z = a + bi e de son conjugat es un reau positiu:

Se sòna modul de z lo nombre reau positiu seguent:

La relacion provada çai subre s'escriu alora:

Se remarca que:

Se nòta lo modul d'un nombre complèxe coma la valor absoluda d'un nombre reau; divèrsei rasons pòrtan a faire aquò. La premiera es que se z = a + 0i  es reau, a per modul:
,
qu'es la valor absoluda de z = a coma nombre reau.

De mai, lo modul a de proprietats comunas amb la valor absoluda dei reaus: se z, w son de nombres complèxes,



  (inegalitat triangulara)

Distància definida per mejan dau modul
Se definís la distància de dos nombres complèxes z, w quins que sián coma lo nombre reau positiu:

L'ensemble  es ansin provesit d'una estructura d'espaci metric.

Invèrs
Se z = a + bi es un nombre complèxe non nul (valent a dire a ≠ 0 o b ≠ 0), alora

Aiçò se pòt escriure:

e pròva que tot nombre complèxe non nul a un invèrs (per la multiplicacion):

En conclusion, l'ensemble  dei nombres complèxes non nuls es un grop multiplicatiu (commutatiu).

Estructura de còrs commutatiu
L'ensemble  dei nombres complèxes es un anèu commutatiu onte cada element non nul es invertible, autrament dich, es un còrs commutatiu.

Division
Se pòt finalament definir lo quocient de dos nombres complèxes. Se z = a + bi e w = c + di son dos nombres complèxes e se w ≠ 0, se pausa:

En particular:

En practica, s'escriu:

Grop dei nombres complèxes de modul unitat
Se nòta  l'ensemble dei nombres complèxes z taus que |z | = 1; per exemple 
L'apartenéncia d'un nombre complèxe z a  equivau a:

Leis elements de  se caracterizan entre leis nombres complèxes non nuls per l'egalitat

L'ensemble  es un sosgrop dau grop multiplicatiu ; ne resulta que  es un grop multiplicatiu.

Representacion geometrica
Plan complèxe
Se pòt representar cada nombre complèxe z = a + bi per lo ponch dau plan euclidian qu'a per coordenadas (a, b) dins una basa ortonormala chausida un còp per toteiSe pòt prendre lo plan  provesit de son estructura euclidiana canonica, e chausir la basa canonica.. Aqueu plan (unic, franc d'isomorfisme), es dich plan complèxe.

En particular:
Lei nombres reaus a = a + 0i son representats per lei ponchs de coordenadas (a, 0), valent a dire aquelei qu'apartènon a l'axe deis abscissas, que dins aquest contèxte se li ditz axe reau dau plan complèxe.
Lei nombres imaginaris purs bi = 0 + bi son representats per lei ponchs de coordenadas (0, b), valent a dire aquelei qu'apartènon a l'axe deis ordenadas, que dins aquest contèxte se li ditz axe imaginari dau plan complèxe.

Escritura exponenciala dei nombres complèxes de modul unitat
Siá ; alora .

Interpretacion geometrica: la relacion  significa que lo ponch de coordenadas (a, b) dau plan complèxe apartèn au cercle centrat a l'origina e de rai unitat (lo ); existís un reau  tau que:

Finalament, per tot nombre complèxe u tau que |u | = 1, existís  tau que

segon la formula d'Euler.

Lo reau  es jamai unic; se  es un reau (particular) tau que

alora lei reaus  taus que , valent a dire

son aquelei que s'escrivon 

Escritura polara e argument
Se z es un nombre complèxe non nul, son modul r = |z | es un nombre reau (positiu) non nul. Pausem:

Lo nombre complèxe u es un element de l'ensemble  car per definicion de r:

Se pòt escriure

L'escritura:

es sonada forma polara dau nombre complèxe (non nul) z. Se ditz que cada nombre reau  tau que

es un argument de z (s'es vist çai subre que  es jamai unic).

Operacions en forma polara
Sián tres nombres complèxes non nuls exprimits en forma polara:

Multiplicacion
D'après la proprietat classica de l'exponenciala:

Lo produch  a per modul  (proprietat ja enonciada) e per argument .

Division
Parierament:

En particular:

Poténcias

Conjugat

Un nombre complèxe e son conjugat an lo meteis modul, e d'arguments opausats. Aiçò exprimís en forma polara que son representats per de ponchs dau plan complèxe simetrics a respècte de l'axe reau.

Construccions dau còrs dei nombres complèxes
Segon la concepcion modèrna, axiomatica, dei matematicas, l'introduccion d'un objècte matematic novèu necessita sa construccion segon lei règlas de la teoria deis ensembles, a partir d'objèctes preexistents. Es aquela construccion que legitima l'existéncia matematica de la nocion novèla.

Se balha çai sota doas construccions dau còrs dei nombres complèxes. Menan en d'objèctes diferents, mai isomòrfs, valent a dire d'estructura identicaÇò qu'autoriza a parlar, au singular, dau còrs  dei nombres complèxes., tala que:
 existís un soscòrs  de  isomòrf au còrs  dei nombres reaus; se pòt alora identificarAutrament dich, confondre volontariament.  amb , e considerar aquest darrier coma un soscòrs dau còrs  novament construch
 existís dos elements de  qu'an per carrat −1; se se nòta i un dei dos, l'autre es −i
 l'ensemble  a una estructura d'espaci vectoriau reau de dimension 2 e la familha (1, i) n'es una basa, dicha basa canonica. Informalament, aiçò significa que cada nombre complèxe es definit per dos nombres reaus

Construccion usuala
Segon aquela construccion, deguda au matematician e fisician irlandés Hamilton,  es l'ensemble dei pareus (x, y) de nombres reaus. Se provesís l'ensemble  de son estructura canonica d'espaci vectoriau reau de dimension 2.

Autrament dich, se ,  e , se definís:

En mai de l'addicion, se definís ansin una multiplicacion subre l'ensemble :

Es de bòn verificar que l'ensemble , provesit de l'addicion e de la multiplicacion ansin definidas, es un còrs commutatiu. L'element neutre de l'addicion es (0, 0) e l'element neutre de la multiplicacion es (1, 0), car:

Ara, se nòta provisoriament 
 L'element unitat (1, 0) de  apartèn a 
 Segon lei definicions precedentas, se  e :

Aiçò pròva que  es un soscòrs de  e que l'aplicacion  es un isomorfisme de còrs.

Coma s'es ja dich, s'identificarà cada nombre reau a amb (a, 0): desenant, s'escriurà (a, 0) = a; en particular, (1, 0) = 1. Se se nòta i = (0, 1), tot element z = (a, b) de  s'escriu:

(expression de z dins la basa canonica (1, i) de )
Se remarca enfin que:

e qu'amb aquelei notacions, lei definicions inicialas deis operacions se reescrivon ansin:

Construccion matriciala
Segon una autra construccion, se definís  coma l'ensemble dei matritz realas

(matritz en basa ortonormala dei similituds dirèctas d'un plan euclidian).

L'element generic z de  es aqueu que s'escriu:

Lei matritz I (matritz unitat o identitat) e J (matritz de la rotacion d'angle drech dins lo sens trigonometric dirècte) son dos elements de  (obtenguts respectivament amb a = 1 e b = 0, a = 0 e b = 1).

Aiçò pròva que  es un espaci vectoriau reau de dimension 2, e la familha (I, J) n'es una basa (dicha ).

De mai, : l'interpretacion d'aquela relacion es que doas rotacions d'angle drech dins lo sens dirècte equivalon a una rotacion d'angle plat, siá una simetria a respècte de l'origina dau plan complèxe.

Ansin, se  e  son dos elements de , alora:
,

son dos elements de .

Per consequent, l'addicion e la multiplicacion son doas lèis de composicion intèrna dins . Se verifica aisadament que , provesit d'aqueleis operacions, es un còrs commutatiu.

Enfin, se se nòta , se demòstra coma dins la premiera construccion que  es un soscòrs de  isomòrf a , çò que permet d'identificar cada reau a amb l'element a I de : dins aquest contèxte, s'escriurà a I = a e en particular I = 1.
Doncas, en remplaçant la notacion J per la notacion usuala i, l'element generic z de  s'escriu:

Remarca: quand se compara lei doas construccions, se constata que, e mai leis ensembles construchs sián diferents, son doas  isomòrfas dau còrs dei nombres complèxes: lei règlas de calcul son identicas. Dau ponch de vista de l'estructura algebrica, lei dos ensembles (l'ensemble dei pareus de nombres reaus e l'ensemble dei matritz de similituds dirèctas) se pòdon pas destriar.

 Bibliografia 






Nòtas e referéncias

Categoria:Nombre complèxe