Referens :: Komplexa tal version 0.8

c Mikael Forsberg
6 februari 2013
— version 0.8 —
Referens :: Komplexa tal
version 0.8
Detta dokument sammanställer och sammanfattar de mest grundläggande egenskaperna för komplexa tal.
De komplexa talen uppstår som ett behov av av att kunna lösa polynomekvationer av typen
x2 + 1 = 0
⇐⇒
x2 = −1
(1)
Denna ekvation är olöslig om man bara känner till de reella talen. Vi ser ju att ekvationen leder till
att vi måste hitta tal sådana att dess kvadrat blir negativ. Om x är reellt tal så gäller ju att x2 ≥ 0
vilket betyder att vi måste hitta en ny typ av tal för att kunna lösa (1). Man använder sin fantasi
(Eng: imagination) och definierar därför den imaginära1 enheten i som det tal som uppfyller
√
vilket ska tolkas som att
i2 = −1
(2)
i = −1
och därigenom har man fått en lösning till (1). Mha denna imaginära enhet så kan man sedan
vidga vårt talsystem enligt vad vi säger i följande
Definition av komplexa tal.
Definition 1. Ett komplext tal z är ett tal på formen
z = x + iy,
där x, y ∈ R och i2 = −1. x kallas för realdelen till z, Re z = x och y kallas för imaginärdelen
till z och betecknas Im z = y. Notera att den imaginära enheten inte är en del av imaginärdelen.
Imaginärdelen är det som står tillsammans med i men inte i själv.
Mängden av alla komplexa tal skriver vi som
C = {z : z = x + iy, x, y ∈ R}
Notera att denna definition är utvidgning av de reella talen eftersom de reella talen är de komplexa
tal vars imaginärdel y är noll.
Exempel 1. Låt z = 5 + 3i då har vi att
Re z = 5,
och
Im z = 3
Notera alltså att imaginär delen inte är 3i, vilket man lätt leds att tro när man stöter på komplexa
tal för första gången.
Komplexa tal i Elkretsteknik
Komplexa tal har som vi såg ett ursprung i matematikens önskan att kunna lösa alla typer av
polynomekvationer, något som möjligen endast tilltalar matematiker. Man kan därför lätt få uppfattningen att komplexa tal ska vara något abstrakt och oandvändbart. Men faktum är att komplexat tal dyker upp i en mängd tillämpningar. Inte minst inom Elektricitetsläran och speciellt
inom elkretsteknik så används komplexa tal flitigt.
1 I den matematiska traditionen så är det naturligt att beteckna den imaginära enheten med i. I Elektrisk Kretsteori däremot, där man i följer traditionerna i Elektromagnetisk teori och betecknar elektrisk ström med i så betecknar
man den imaginära enheten istället med j för att slippa risken för förväxling.
1
c Mikael Forsberg
— version 0.8 —
6 februari 2013
Ohms lag, impedans och admittans
Ohmś lag uttrycker sambandet mellan spänning och ström genom en ren resistans:
u(t) = i(t) · R,
där u(t) är spänningen, i(t) är strömmen och R resistansen. För en spole med ren induktans L och
en kondensator med kapacistans C har vi i stället de respektive sambanden
uL (t) = L · i0 (t)
i(t) = Cu0C (t).
Sambanden involverar alltså ett beroende av spänningen eller strömmens derivator när det gäller
spolar och kondensatorer .
Men, genom att introducera komplexa tal och använda dem för att modellera spänningar och
strömmar kan man beskriva alla tre fallen i ovan på ett gemensamt sätt som direkt påminner oss
om Ohmś lag
u(t) = i(t) · Z,
där Z är kretskomponentens impedans. Impedansen är ett komplext tal som beror av spänning
och strömsignalernas vinkelfrekvens dω och vi har
Z = R(ω) +j X(ω) ,
| {z }
| {z }
resistans
reaktans
Impedansen för våra tre kretskomponenter modelleras enligt
Z
= R+j·0=R
Z
=
Z
när vi har en ren resistans
0 + j · ωL = jωL ren induktans
1
1
= −j
när vi har en ren kapacitans
= 0−j
ωC
ωC
De fyra räknesätten
För komplexa tal gäller samma räkneregler som för reella tal. Det är i princip att räkna precis som
vanligt men man samlar ihop realdelar och imaginärdelar för sig och så ska man komma ihåg att
göra bytet i2 = −1 varje gång i2 dyker upp.
Addition, subtraktion: Låt z = x + iy och w = u + iv vara två komplexa tal. Då adderas/subtraheras de på följande sätt:
z + w = (x + iy) + (u + iv) = x + u + i(y + v),
z − w = (x + iy) − (u + iv) = x − u + i(y − v)
dvs realdel och imaginärdel adderas/subtraheras för sig.
Multiplikation: Två komplexa tal multipliceras:
z · w = (x + iy)(u + iv) = xu + xiv + iyu + i2 yv = xu − yv + i(xv + yu).
Observera att vi använde i2 = −1 i den sista likheten!
Division: Vid division handlar det ofta att skriva om ett bråk så att bråket har ett reellt tal i
nämnaren i stället för ett komplext. Låt oss se hur vi gör i fallet z/w:
x + iy
(x + iy)(u − iv)
xu + yv + i(yu − xv)
z
=
=
=
,
w
u + iv
(u + iv)(u − iv)
u2 + v 2
m.a.o. vi förlänger med vad vi kommer kalla för konjugatet till w = u+iv, dvs med w = u−iv.
Konjugatet är viktigt och vi behandlar detta i nästa avsnitt.
2
Byt R mot Z i
Ohm’s lag så
får vi denna.
c Mikael Forsberg
6 februari 2013
— version 0.8 —
Exempel 2. Förenkla följande uttryck: 3 + 2i − (1 − i)(2 + i):
i2 ] = 3 + 2i − [3 − i] = 3i
3 + 2i − [2 + i − 2i − |{z}
| {z }
=−1
=−i
Exempel 3. Förenkla kvoten
3+i
2−i :
=5+5i
3+i
=
2−i
}|
{
z
(3 + i)(2 + i)
=1+i
(2 − i)(2 + i)
|
{z
}
=4+1
Exempel 4. I den elektriska kretsteorin arbetar man även med den så kallade admittansen Y
som definieras som
Y =
1
R − jX
R
X
1
=
=
=
−j 2
= G + jB,
2
2
Z
R + jX
(R + jX)(R − jX)
R +X
R + X2
| {z }
| {z }
=G
=−B
där vi använt oss av konjugattricket vi använde vid division. G kallas komponentens konduktans
och B dess suseptans
Konjugatet och absolutbeloppet till ett komplext tal
Vi definierade konjugatet z till ett komplext tal z = x + iy genom
z = x − iy.
Geometriskt är detta en spegling av z i den reella axeln, dvs x-axeln. Se figur 1.
z = x + iy
|z
|
y
x
_
z = x - iy
Figur 1: Komplexa konjugatet och absolutbeloppet till ett komplext tal
Absolutbeloppet eller bara beloppet |z| av ett komplext tal är längden av sträckan mellan origo
och vårt tal. I figur ser vi att vi kan använda Pythagoras sats och få följande uttryck för beloppet:
|z|2 = x2 + y 2 .
3
c Mikael Forsberg
— version 0.8 —
6 februari 2013
Vi noterar också att
x2 + y 2 = (x + iy)(x − iy) = z · z,
och detta blir utgångspunkten för definitionen: Beloppet till det komplexa talet z = x+iy definieras
som
√
|z| = z · z ,
Räkneregler för konjugat och belopp
Räkneregler för konjugat:
1. (z + w) = z + w
2. zw = zw
3.
z
w
=
z
w
4. z = z
Räkneregler för absolutbelopp:
1. |z|2 = zz
2. |zw| = |z||w|
3. | wz | =
|z|
|w|
4. |z| = |z|
Rektangulära och polära koordinater
Det finns framförallt två olika sätt att beskriva komplexa tal; på rektangulär form och på polär
form. Den rektangulära formen är den beskrivning vi hittills använt. Den polära formen går ut på
att beskriva ett komplext tal mha avståndet till origo samt med den vinkel som linjen mellan origo
och det komplexa talet bildar till den reella axeln. Detta illustreras i följande figur
z = x + iy= r ( cos φ + isin φ )
r=
|
|z
y = r sin φ
φ
x = r cos φ
Figur 2: Rektangulär och polär beskrivning av komplexa tal
I figur två ser vi att vi kan gå mellan de två olika representationerna:
4
c Mikael Forsberg
6 februari 2013
— version 0.8 —
Från rektangulär till polär beskrivning:
Utgångspunkten är här ett komplext tal på formen z = x + iy och vi vill beskriva z mha beloppet
och vinkeln ϕ. Vi kan utnyttja vår triangeltrigonometri och få
p
|z| =
x2 + y 2
y
ϕ = arctan( )
x
√
Exempel 5. Skriv det komplexa talet z = 3 + i på polär form. Vi har att beloppet blir
q√
√
√
|z| = ( 3 )2 + 12 = 3 + 1 = 4 = 2
För argumentet så har vi att
1
tan ϕ = √
3
=⇒
1
ϕ = arctan √ = π/6 = 30◦
3
På miniräknaren står
arctan som tan−1
Från polär beskrivning till rektangulär beskrivning:
Här ges ett komplext tal mha absolutbelopp |z| och en vinkel ϕ och vi vill återfå vår rektangulära
beskrivining. Vi har att x och y kan uttryckas mha |z| och ϕ på följande sätt:
x = r cos ϕ
y = r sin ϕ
Då gäller att z = r(cos ϕ + i sin ϕ), som är vår polära form. Men detta ska ses som en formel för
att överföra från polär till rektangulär form: sätter vi in den aktuella radien r och det aktuella
argumentet ϕ och utför räkningarna så har vi ett tal på rektangulär form
Exempel 6. Ett komplext tal z har absolutbelopp r = |z| = 3 och argument ϕ = 30◦ = π/6rad.
Beräkna talets rektangulära uttryck. Vi har att
3 √
z = r(cos ϕ + i sin ϕ) = 3(cos π/6 +i · sin π/6) = ( 3 + i)
| {z }
| {z }
2
√
= 3 /2
=1/2
Det finns många gångbara argument
Om vi tittar på graferna till sin x och cos x så ser vi att de upprepar sig
1
-4 Π
-3 Π
-2 Π
-Π
Π
2Π
3Π
4Π
-1
Figur 3: sin x (blått) och cos x (rött) är periodiska vilket man ser från att funktionernas värden
upprepas. Det är inte svårt att se att grafsnutten över intervallet [0, 2π] (markerad med fetare
linje) upprepas.
I figur 3 illustreras att sinus och cosinus är periodiska funktioner. Detta kan man skriva som
sin x + 2nπ = sin x,
cos x + 2nπ = cos x,
5
(3)
c Mikael Forsberg
6 februari 2013
— version 0.8 —
där n är ett godtyckligt positivt eller negativt heltal.
När vi ska välja argument till den polära beskrivningen till z = x + iy så såg vi att vi söker vinkel
ϕ så att x = r cos φ och y = r sin φ. Har vi väl hittat en sådan vinkel (t.ex. genom att beräkna
arctan y/x) så får vi andra godtagbara vinklar genom att addera en heltalsmultippel av 2π, vilket
är vad ekvationerna (3) säger.
Om vi väljer argumentet i intervallet (−π, π] så säger vi att vi valt det komplexa talets principalargument.
Det finns alltså många gångbara argument som vi kan använda för ett givet komplext tal. Detta
blir viktigt när vi ska lösa binomekvationer längre fram.
Exempel 7. Ange principalargumentet till z = 1 − i och ett annat godtagbart argument för detta
komplexa tal.
Lösning : Vi har att 1−i ligger i fjärde kvadranten med vinkeln π/4 nedanför den reella axeln. Denna vinkel är negativ eftersom vi rör oss medurs från reella axeln för att komma till vårt komplexa
tal. Vårt argument arg z = −pi/4 ligger i intervallet (−π, π] och är därför principalargumentet för
z = 1 − i.
-π/4+4π
-π/4
1-i
Figur 4: Principalargumentet för 1 − i är −π/4. Ett annat argument får vi genom att addera en
multippel av 2π till principalargumentet. I figuren har vi adderat 2 · 2π = 4π och då får vi det nya
argumentet −π/4 + 4π, som är det argument som är angiven med spiralen.
Ett annat godtagbart argument får vi genom att addera en heltasmultippel av 2π till vårt argument.
Alla sådana argument har därför formen
arg z = −π/4 + 2πn,
n∈Z
100
Vi behövde ju bara ange ett av dem så vi kan välja t.ex. n = 1010 dvs n är en googolplex, men
vi hade kunnat ta någon av −2, −1, 1 eller 2 också. Det enda vi inte kan välja är n = 0 eftersom
vi då inte får ett annat tal än principalargumentet.
Polär form och exponentialfunktionen
I komplex analys visar man att exponentialfunktionen kan vidgas så att den gäller för komplexa
tal, dvs så att ez har betydelse för z ∈ C och att de vanliga räknereglerna för exponentialfunktionen
fortsätter att gälla. Detta innebär att för z = x + iy så ger potensräknereglerna att
ez = ex+iy = ex · eiy .
Den sista faktorn eiy är speciellt intressant eftersom man också kan visa likheten2
eiϕ = cos ϕ + i sin ϕ
2 Likheten
(4)
(4) kan t.ex. visas genom att båda led löser samma differentialekvation och utnyttjar att differentialekvationer kan bevisas ha entydig lösning. Se t.ex Saff och Snider : Fundamentals of Complex Analysis. Men detta
ligger en ganska bra bit utanför denna kurs.
6
principalargumentet
c Mikael Forsberg
6 februari 2013
— version 0.8 —
Vi kan nu skriva ett komplext tal z = x + iy som
z = |z|(cos ϕ + i sin ϕ) = |z|eiϕ ,
som är mycket trevligt att räkna med tack vare exponentialfunktionens många räkneregler.
En viktig observation är också att beloppet av eiϕ är lika med ett, tack vare den s.k. trigonometriska
ettan”:
|eiϕ |2 = (cos ϕ + i sin ϕ)(cos ϕ − i sin ϕ) =
= cos2 ϕ + sin2 ϕ + i(sin ϕ cos ϕ − cos ϕ sin ϕ) =
| {z }
=sin ϕ cos ϕ
|
{z
=0
}
= cos2 ϕ + sin2 ϕ = 1
Trigonometriska
ettan
Geometrisk tolkning av multiplikation av komplexa tal
Låt oss betrakta två komplexa tal a och b och låt dem vara givna på polär form:
a = reα
b = Reβ
Multiplicerar vi dessa tal så får vi ett nytt komplext tal, c säg, och för detta gäller
c = ab = reiα r2 eiβ = r1 r2 ei(α+β)
Eftersom vi har den trigonometriska ettan så har vi att
|c| = rR
γ = α + β,
dvs produktens vinkel är summan av faktorernas vinklar och produktens belopp är produkten av
faktorernas belopp! Vi illustrerar detta i figur 3.
√
Exempel 8. För reella tal har vi att roten ur x, x , där x > 0 är det positiva tal a som har
egenskapen att a2 = x. Vi ska nu använda den geometriska tolkningen av multiplikation med
komplexa tal
√ för att ge en idé om vad roten ur ett komplext tal ska vara.
För roten z av ett komplext tal z så måste gälla att
√
( z )2 = z
√
Om vi sätter z = Rei(ϕ+2πn) och z = reiα så har vi alltså att
√
( z )2 = r2 ei2α = Rei(ϕ+2πn) = z
Eftersom |eiφ | = 1 så har vi att de två sidornas belopp måste överensstämma
p
√
r2 = R
⇔
r = R = |z|
Sedan måste även de båda sidornas argument överensstämma vilket ger oss
2α = ϕ + 2πn
⇒
α = ϕ/2 + πn, n ∈ Z,
där n = 0 och n = 1 ger två unika argument, som genererar två olika lösningar. Argumentet för
n = 0 och n = 2 skiljer sig åt med en multippel av 2π och kommer därför att ge samma punkt i
det komplexa talplanet. Vi har alltså att
p
p
p
√
z = |z| ei(ϕ/2+nπ = |z| eiϕ · einπ = ± |z| eiϕ ,
7
c Mikael Forsberg
6 februari 2013
— version 0.8 —
c
rR
b
R
r
α
γ=α+β
a β
Figur 5: Geometrisk tolkning av komplex multiplikation: När de två komplexa talen a = reiα och
b = Reiβ multipliceras som får man ett nytt komplext tal, betecknat med c = r · Rei(α+β) . c’s
belopp är produkten av a’s och b’s belopp. Argumentet för c är summan av a’ s och b’s argument.
vilket följer eftersom
(
e
inπ
=
1
−1
om n jämn
om n udda .
Sammanfattar vi detta så har vi att roten ur ett komplext tal är ett tal vars argument är hälften
av talets argument och har ett belopp som är roten ur talets belopp.
p
√
a2 = z
=⇒
z = a = |z| · e(i arg z)/2
Exempel 9. Ett exempel på föregående exempel: Beräkna
Föregående exempel ger oss därför att
√
√
i . Vi har att |i| = 1 och arg i = π/2.
√
i =±·e
(i arg i)/2
= ±e
iπ/4
2
= ±(cos π/4 + i sin π/4) = ±
(1 + i)
| {z } | {z }
2
√
= 2 /2
√
= 2 /2
De Moivres formel
De Moivres formel säger
(cos ϕ + i sin ϕ)n = cos nϕ + i sin ϕ
(5)
Om man tänker på binomialsatsen så förstår man att denna formell inte är självklar. Däremot när
vi nu vet att det som står i parantesen till vänster är eiϕ så följer (5) lätt av räknereglerna för
exponentialfunktionen:
( cos ϕ + i sin ϕ )n = (eiϕ )n = eiϕn = cos nϕ + i sin nϕ
|
{z
}
eiϕ
8
c Mikael Forsberg
6 februari 2013
— version 0.8 —
Exempel 10. Om vi tar n = 2 i de Moivres formel (5) så får vi, där vänster led utvecklats
cos2 ϕ − sin2 ϕ + 2i cos ϕ sin ϕ = cos 2ϕ + i sin 2ϕ.
Eftersom två komplexa tal är lika precis om deras real och imaginärdelar är lika så ger denna likhet
oss två väl bekanta trigonometriska formler
cos 2ϕ =
cos2 ϕ − sin2 ϕ
sin 2ϕ =
2 cos ϕ sin ϕ
realdelen
imaginärdelen
DeMoivres formel kommer alltså från en egentligen en ganska enkel egenskap för exponentialfunktionen. I nästa exempel ska vi utnyttja en annan egenskap
ei(α+β) = eiα · eiβ
(6)
Exempel 11. Vi ska visa de trigonometriska additionsreglerna som man kan hitta i vilketn matematisk formelsamling som helst. Vi har nu alla verktyg vi behöver för att visa att
sin(α ± β)
=
sin α cos β ± cos α sin β
(7)
cos(α ± β)
=
cos α cos β ∓ sin α sin β
(8)
Vi använder oss av ekvation (6):
cos(α ± β) + i sin(α ± β) = ei(α±β) = eiα · e±iβ =
(cos α + i sin α)(cos β ± i sin β)
|
{z
}
=cos α cos β∓sin α sin β+i(sin α cos β±cos α sin β)
Från detta får vi att de två sidornas realdelar är lika ger oss ekvation (8) och (7) följer av att
imaginärdelarna ska vara lika
Den binomiska ekvationen
Ett binom är ett polynom med två termer:
b(z) = a1 z m + a2 z n ,
Antag (WLOG)3
m > n.
När man ska hitta nollställen till detta binom så börjar man med att faktorisera binomet:
z n (a1 z m−n + a2 )
Den första faktorn ger nollstället 0, medan den andra faktorn ger andra nollställen. När vi i
fortsättningen talar om ett binom menar vi ett polynom av typen
p(z) = az n − b,
(9)
ty de intressanta nollställena till ett allmänt binom kommer alltid från ett sådant binom, vilket
var vad vi visade i ovan.
Exempel 12. Den binomiska ekvationen (9) kan skrivas på formen
z n = a,
och denna ska vi nu lösa!
3 WLOG står för ”Without Loss Of Generality” som betyder ”utan förlust av allmängiltighet” och används för
att ange att ett antagande inte ger ett svagare resultat, bara enklare räkningar. I detta fall gäller att vi har två hela
tal m 6= n och då kan vi alltid låta m beteckna det större heltalet.
9
c Mikael Forsberg
— version 0.8 —
6 februari 2013
Tricket här är att utrycka allt på polär form. När vi skriver a på polär form har vi uppräkneligt
många val av argument. Om vi väljer en vinkel α0 i principalområdet (α0 ∈ (−π, π]) så kan vi
skriva alla andra möjliga vinklar som
α = α0 + 2πN,
N = 0, ±1, ±2, . . . .
a = rei(α+2πN ) ,
N = 0, ±1, ±2, . . . .
Med |a| = r så får vi
Skriver vi z = Reiφ , så får vi ekvationen
Rn einφ = rei(α+2πN )
Detta leder till ett system av två ekvationer, en för beloppet och en för argumentet:
Rn = r (beloppen lika)
N = 0, ±1, ±2, . . . .
nφ = α0 + 2πN,
1
Den första ekvationen leder till att R = r n . Den andra leder till att
φ=
α0
2π
+
N,
n
n
N = 0, ±1, ±2, . . . .
Notera att eftersom eiθ+2mπ = eiθ , ∀m ∈ Z (eiθ är 2π periodisk eftersom cosinus och sinus är
det) så gäller att endast n stycken av ovanstående vinklar är olika. Därför får vi n stycken olika
lösningar till vår binomekvation:
1
z = r n ei(
α0
n
+ 2π
n N)
N = 0, 1, . . . , n − 1.
,
Exempel 13. Lös ekvationen z 4 + 1 = 0
Lösning:: Ekvationen, som kan skrivas som z 4 = −1, blir på polär form
|z|4 e4iθ = ei(π+2πk) ,
k godtyckligt heltal
Ekvation för beloppet:: |z| = 1
Ekvation för argumentet::
4θ = π + 2πk
⇒
θ = π/4 + kπ/2
Fyra på varandra följande värden på k ger våra fyra lösningar för argumentet.
Lösningen sammanställs nu som z = ei(π/4+kπ/2) , där k = 0, 1, 2, 3.
k=1, 5, 9, ...
k=0, 4, 8, ...
-1
k=2, 6, 10, ...
k=3, 7, 11, ...
Figur 6: För varje heltasvärde på k så får vi en av de fyra svarta punkterna. Notera att de är jämnt
utspridda på cirkeln och att den första (k = 0) har argument som är en fjärdedel av argumentet
för vårt högerled −1.
10
c Mikael Forsberg
6 februari 2013
— version 0.8 —
-1+i√3
k=0, 2, 4, ...
√2
2
k=1, 3, 5, ...
√
Figur 7: Den yttre√röda cirkeln har radien 2 som är beloppet | − 1 + i 3 | = 2. Den inre svarta
cirkeln har radien 2 . Lösningarna tillpvår binomekvation ligger på denna inre cirkel. Notera att
√
de svarta punkterna kan tolkas som ± −1 + i 3 i enlighet med exemplen 8 och 9
√
Exempel 14. Lös ekvationen z 2 = −1 + i 3 .
Lösning:: Börja med att ställa upp ekvationen på polär form, där vi noterar att
|−1+
√
q
3 i| =
√
(−1)2 + ( 3 )2 e2π/3+2πk = 2e2π/3+2πk
Vi får
(|z|eiθ )2 = |z|2 e2iθ = 2e2π/3+2πk
Detta ger oss en ekvation för beloppet:
|z|2 = 2
⇒
|z| =
√
2
och en ekvation för argumentet
e2iθ = e(2π/3+2πk)i
⇒
θ = π/3 + πk,
k = 0, 1
Vi får alltså argumenten π/3 och 4π/3 och lösningarna blir därför
√
√ ! √
√ iπ/3 √
2
6
1+i 3
=
+i
= 2
z = 2e
2
2
2
och
z=
√
2e
i4π/3
=z=
√
2e
iπ/3
√
√
iπ
· |{z}
e = − 2e
=−1
iπ/3
=−
√ !
2
6
+i
2
2
√
Exempel 15. Lös ekvationen z 5 = − 3 + i
Lösning:: Skriv ekvationen på polär form:
r5 e5θ = 2ei5π/6+2πk
Detta ger oss att beloppet för z blir
1
|z| = r = 2 5 =
√
5
2.
Argumentet blir
θ=
π
2π
+k
= 30◦ + k · 72◦ ,
6
5
.
11
k = 0, 1, 2, 3, 4
c Mikael Forsberg
6 februari 2013
— version 0.8 —
150°
√3-i
k=1, 6, 11, ...
k=0, 5,10, ...
k=2, 7, 12 ...
30°
2
k=-1, 4, 9, ...
k=-2, 3, 8, ...
√
Figur 8: Här ligger rötterna på den inre cirkeln som har radien 5 2 ≈ 1.15. Punkterna är jämnt
utspridda med vinkeln 72◦ = 360/5 mellan
√ sig. Den första punkten, dvs för k = 0 har ett argument
som är en femtedel av argumentet för 3 − i (som är 150◦ ) och blir därför 30◦ .
Nollställen till andragradspolynom
Nu ska vi lära oss hitta nollställena till ett polynom som har komplexa koefficienter. Låt oss titta
på ett exempel:
Exempel 16. Vi låter p(z) = z 2 + (1 + i)z − (6 + 2i). För att hitta nollställena kan vi inte använda
den gamla formeln eftersom vi inte vet vad roten ur ett komplext tal innebär. (se Komplex Analys)
Däremot kan vi kvadratkomplettera i ekvationen p(z) = 0:
1
1
(z + (1 + i))2 − (1 + i)2 = (6 + 2i),
2
4
som blir
1
5
(z + (1 + i))2 = 6 + i.
2
2
Genom att göra substitutionen w = z + 21 (1 + i) så får vi den enkla ekvationen
5
w2 = 6 + i.
2
Sätt nu w = x + iy så ger ekvationen att
x2 − y 2 = 6, och 2xy =
5
.
2
Det finns också en tredje ekvation som är väldigt användbar här; Att två komplexa tal är lika
12
c Mikael Forsberg
— version 0.8 —
6 februari 2013
betyder att deras belopp också är lika. Vi får:
|w2 | = |w|2 = ww = x2 + y 2 ,
r
r
25
144 + 25
13
5
.
=
=
|6 + i| = 36 +
2
4
4
2
Följande ekvationssystem ger lätt lösningar för x2 och y 2 :
13
2
2
2
x − y = 6.
x2 + y 2 =
1
2
Man får alltså x2 = 25
4 och y = 4 Den tredje ekvationen visar att x och y har samma tecken
1
5
vilket ger att w = ±( 2 + i 2 ). Nu var det ju z vi sökte och vi har att z = w − 12 (1 + i) så vi får att
(
2
1
5
1
z = − (1 + i) ± ( + i ) =
2
2
2
−3 − i.
13