Kompleksni brojevi

Kompleksni Brojevi

Uvod

Zamislite da rešavate jednačinu x2+1=0x^2 + 1 = 0. U skupu realnih brojeva ova jednačina nema rešenje — ne postoji realan broj čiji je kvadrat negativan. Matematičari su rešili ovaj problem uvođenjem novog broja: imaginarne jedinice.

Definišemo ii kao broj za koji važi:

i2=1i^2 = -1

Na ovaj način proširujemo skup realnih brojeva do skupa kompleksnih brojeva C\mathbb{C}, koji je dovoljno bogat da ima rešenja za svaku algebarsku jednačinu.


Sadržaj

  1. Algebarski oblik kompleksnog broja
  2. Realni i imaginarni deo
  3. Stepenovanje imaginarne jedinice
  4. Osnovne operacije
  5. Konjugovano kompleksni broj
  6. Modul kompleksnog broja
  7. Stepenovanje kompleksnih binoma
  8. Jednačine sa kompleksnim brojevima
  9. Čisto imaginarni i realni kompleksni brojevi
  10. Dokazivanje identiteta

1. Algebarski oblik

Svaki kompleksni broj možemo zapisati u algebarskom obliku:

z=a+biz = a + bi

gde su a,bRa, b \in \mathbb{R}, a ii je imaginarna jedinica (i2=1i^2 = -1).

z=3+2iz = 3 + 2i

z=14iz = -1 - 4i

z=5z = 5 (realan broj, b=0b = 0)

z=2iz = 2i (čisto imaginaran, a=0a = 0)


2. Realni i imaginarni deo

Za kompleksni broj z=a+biz = a + bi definišemo:

Re(z)=a(realni deo)\text{Re}(z) = a \quad \text{(realni deo)}

Im(z)=b(imaginarni deo)\text{Im}(z) = b \quad \text{(imaginarni deo)}

Imaginarni deo je realan broj bb, a ne bibi.

Na primer, za z=3+2iz = 3 + 2i imaginarni deo je: Im(z)=2\text{Im}(z) = 2, a ne 2i2i.

Dva kompleksna broja z1=a+biz_1 = a + bi i z2=c+diz_2 = c + di su jednaka ako i samo ako važi: a=cib=da = c \quad \text{i} \quad b = d

Ovo je ključna tehnika koja se koristi u gotovo svakom zadatku. Izjednačavanjem realnih i imaginarnih delova dobijamo sisteme jednačina.


3. Stepenovanje imaginarne jedinice

Kada računaš stepene imaginarne jedinice, vidi se da se rezultati ponavljaju. Posle svaka četiri stepena dobija se isti redosled vrednosti, pa kažemo da imaju period 4.

StepenVrednost
i1i^1ii
i2i^21-1
i3i^3i-i
i4i^411
i5i^5ii

Pravilo: Za bilo koji celi broj nn, delimo nn sa 44 i gledamo ostatak rr:

in=ir,r=nmod4i^n = i^r, \quad r = n \bmod 4

Za negativne stepene koristimo in=1ini^{-n} = \dfrac{1}{i^n}.

Izračunati i125+(i)60+i83i^{125} + (-i)^{60} + i^{83}

125=431+1125 = 4 \cdot 31 + 1, pa i125=i1=ii^{125} = i^1 = i

(i)60=i60(-i)^{60} = i^{60} (jer je eksponent paran), 60=41560 = 4 \cdot 15, pa i60=1i^{60} = 1

83=420+383 = 4 \cdot 20 + 3, pa i83=i3=ii^{83} = i^3 = -i

i125+(i)60+i83=i+1+(i)=1i^{125} + (-i)^{60} + i^{83} = i + 1 + (-i) = \boxed{1}


4. Osnovne operacije

4.1 Sabiranje i oduzimanje

Sabiraju se (oduzimaju) realni sa realnim, imaginarni sa imaginarnim:

(a+bi)±(c+di)=(a±c)+(b±d)i(a + bi) \pm (c + di) = (a \pm c) + (b \pm d)i

(2+5i)+(17i)=32i(2 + 5i) + (1 - 7i) = 3 - 2i

4.2 Množenje

Koristi se distributivni zakon, uz zamenu i2=1i^2 = -1:

(a+bi)(c+di)=ac+adi+bci+bdi2=(acbd)+(ad+bc)i(a + bi)(c + di) = ac + adi + bci + bdi^2 = (ac - bd) + (ad + bc)i

(2+5i)(34i)(2 + 5i)(3 - 4i)

=68i+15i20i2=6+7i+20=26+7i= 6 - 8i + 15i - 20i^2 = 6 + 7i + 20 = \boxed{26 + 7i}

Posebno korisna formula — razlika kvadrata:

(a+bi)(abi)=a2b2i2=a2+b2(a + bi)(a - bi) = a^2 - b^2i^2 = a^2 + b^2

Ovo uvek daje realan broj.

4.3 Deljenje

Da bismo podelili dva kompleksna broja, množimo i brojilac i imenilac konjugatom imenioca:

z1z2=z1z2z2z2=z1z2z22\frac{z_1}{z_2} = \frac{z_1 \cdot \overline{z_2}}{z_2 \cdot \overline{z_2}} = \frac{z_1 \cdot \overline{z_2}}{|z_2|^2}

Imenilac z2z2=a2+b2z_2 \cdot \overline{z_2} = a^2 + b^2 je uvek realan broj, pa možemo slobodno deliti.

Izračunati 17+19i7i\dfrac{17 + 19i}{7 - i}

17+19i7i7+i7+i=119+17i+133i+19i249i2=119+150i1949+1=100+150i50=2+3i\frac{17 + 19i}{7 - i} \cdot \frac{7 + i}{7 + i} = \frac{119 + 17i + 133i + 19i^2}{49 - i^2} = \frac{119 + 150i - 19}{49 + 1} = \frac{100 + 150i}{50} = \boxed{2 + 3i}


5. Konjugovano kompleksni broj

Za z=a+biz = a + bi, konjugovano kompleksni broj je:

z=abi\overline{z} = a - bi

Geometrijski, z\overline{z} je refleksija tačke zz u odnosu na realnu osu.

Osobine konjugovanja

Sve ove osobine mogu se dokazati pisanjem z=a+biz = a + bi:

z1+z2=z1+z2\overline{z_1 + z_2} = \overline{z_1} + \overline{z_2}

z1z2=z1z2\overline{z_1 - z_2} = \overline{z_1} - \overline{z_2}

z1z2=z1z2\overline{z_1 \cdot z_2} = \overline{z_1} \cdot \overline{z_2}

(z1z2)=z1z2\overline{\left(\frac{z_1}{z_2}\right)} = \frac{\overline{z_1}}{\overline{z_2}}

(z)=z\overline{(\overline{z})} = z

(z)=z\overline{(-z)} = -\overline{z}

Realni broj je jednak svom konjugatu: z=z    zRz = \overline{z} \iff z \in \mathbb{R}. To se dokazuje tako što iz a+bi=abia + bi = a - bi sledi b=0b = 0.

Korisne veze

z+z=2Re(z)Rz + \overline{z} = 2\,\text{Re}(z) \in \mathbb{R}

zz=2iIm(z)z - \overline{z} = 2i\,\text{Im}(z)

zz=a2+b2=z2Rz \cdot \overline{z} = a^2 + b^2 = |z|^2 \in \mathbb{R}


6. Modul kompleksnog broja

Modul kompleksnog broja z=a+biz = a + bi je:

z=a2+b2|z| = \sqrt{a^2 + b^2}

Geometrijski, z|z| je rastojanje tačke zz od koordinatnog početka.

Osobine modula

z2=zz|z|^2 = z \cdot \overline{z}

z1z2=z1z2|z_1 \cdot z_2| = |z_1| \cdot |z_2|

z1z2=z1z2\left|\frac{z_1}{z_2}\right| = \frac{|z_1|}{|z_2|}

zn=zn|z^n| = |z|^n

Umesto da sredimo ceo izraz pa onda računamo modul, često je lakše koristiti osobine modula direktno. Na primer:

(2i)(1+i)3i=2i1+i3i\left|\frac{(2-i)(1+i)}{3-i}\right| = \frac{|2-i| \cdot |1+i|}{|3-i|}

2i=4+1=5|2 - i| = \sqrt{4 + 1} = \sqrt{5}

3+22i=9+8=17|3 + 2\sqrt{2}\,i| = \sqrt{9 + 8} = \sqrt{17}

26+5i=24+25=49=7|2\sqrt{6} + 5i| = \sqrt{24 + 25} = \sqrt{49} = 7


7. Stepenovanje kompleksnih binoma

Ovo je jedna od najvažnijih tehnika. Umesto direktnog stepenovanja, uvek tražimo prečicu.

Osnovna tehnika: kvadriranje kao prvi korak

Za binome oblika (1±i)n(1 \pm i)^n i (1±i2)n\left(\dfrac{1 \pm i}{\sqrt{2}}\right)^n uvek prvo kvadriramo:

(1+i)2=1+2i+i2=2i(1 + i)^2 = 1 + 2i + i^2 = 2i

(1i)2=12i+i2=2i(1 - i)^2 = 1 - 2i + i^2 = -2i

(1+i2)2=(1+i)22=2i2=i\left(\frac{1+i}{\sqrt{2}}\right)^2 = \frac{(1+i)^2}{2} = \frac{2i}{2} = i

(1i2)2=i\left(\frac{1-i}{\sqrt{2}}\right)^2 = -i

Visoki stepen uvek razbijaj na stepen kvadrata. Umesto (1+i)100(1+i)^{100}, piši ((1+i)2)50=(2i)50((1+i)^2)^{50} = (2i)^{50}.

Dokazati da je (1i)100=250(1-i)^{100} = -2^{50}

Korak 1: (1i)2=12i+i2=2i(1-i)^2 = 1 - 2i + i^2 = -2i

Korak 2: (1i)100=((1i)2)50=(2i)50(1-i)^{100} = \left((1-i)^2\right)^{50} = (-2i)^{50}

Korak 3: (2i)50=(2)50i50(-2i)^{50} = (-2)^{50} \cdot i^{50}

Korak 4: (2)50=250(-2)^{50} = 2^{50} (paran eksponent)

Korak 5: 50=412+250 = 4 \cdot 12 + 2, pa i50=i2=1i^{50} = i^2 = -1

Rezultat: (1i)100=250(1)=250\text{Rezultat: } (1-i)^{100} = 2^{50} \cdot (-1) = \boxed{-2^{50}} \checkmark


8. Jednačine sa kompleksnim brojevima

Tip 1: Nalaženje realnih xx i yy

Kada jednačina sadrži nepoznate realne brojeve xx i yy, izjednačavamo realne i imaginarne delove i dobijamo sistem.

Naći realne xx i yy ako je (2+3i)x+(3+2i)y=1(2 + 3i)x + (3 + 2i)y = 1

Leva strana: (2x+3y)+(3x+2y)i=1+0i\text{Leva strana: } (2x + 3y) + (3x + 2y)i = 1 + 0i

{2x+3y=13x+2y=0\begin{cases} 2x + 3y = 1 \\ 3x + 2y = 0 \end{cases}

Iz druge jednačine: x=23yx = -\dfrac{2}{3}y. Zamenom u prvu:

43y+3y=1    53y=1    y=35,x=25-\frac{4}{3}y + 3y = 1 \implies \frac{5}{3}y = 1 \implies y = \frac{3}{5}, \quad x = -\frac{2}{5}

Tip 2: Jednačine sa z\overline{z}

Naći zz ako je z+2z=3+2iz + 2\overline{z} = 3 + 2i

Neka je z=x+iyz = x + iy, pa z=xiy\overline{z} = x - iy:

(x+iy)+2(xiy)=3+2i(x + iy) + 2(x - iy) = 3 + 2i

3xiy=3+2i    {3x=3y=2    z=12i3x - iy = 3 + 2i \implies \begin{cases} 3x = 3 \\ -y = 2 \end{cases} \implies z = 1 - 2i

Tip 3: Jednačine sa z|z|

Naći zz ako je zz=1+2i|z| - z = 1 + 2i

Neka je z=x+iyz = x + iy:

x2+y2(x+iy)=1+2i\sqrt{x^2 + y^2} - (x + iy) = 1 + 2i

{x2+y2x=1y=2\begin{cases} \sqrt{x^2+y^2} - x = 1 \\ -y = 2 \end{cases}

Iz druge jednačine y=2y = -2. Zamenom:

x2+4=x+1    x2+4=x2+2x+1    x=32\sqrt{x^2 + 4} = x + 1 \implies x^2 + 4 = x^2 + 2x + 1 \implies x = \frac{3}{2}

z=322iz = \frac{3}{2} - 2i

Kada kvadriramo jednačinu sa korenom, moramo proveriti da je desna strana nenegativna. Ovde x+10x + 1 \geq 0 mora biti zadovoljeno.

Tip 4: Sistemi sa kompleksnim nepoznatim

{z1+2z2=1+i3z1+iz2=23i\begin{cases} z_1 + 2z_2 = 1 + i \\ 3z_1 + iz_2 = 2 - 3i \end{cases}

Iz prve: z1=1+i2z2z_1 = 1 + i - 2z_2. Zamenom u drugu:

3(1+i2z2)+iz2=23i3(1 + i - 2z_2) + iz_2 = 2 - 3i 3+3i6z2+iz2=23i3 + 3i - 6z_2 + iz_2 = 2 - 3i z2(i6)=16iz_2(i - 6) = -1 - 6i z2=16ii6=1+6i6i6+i6+i=6+i+36i637=37i37=iz_2 = \frac{-1-6i}{i-6} = \frac{1+6i}{6-i} \cdot \frac{6+i}{6+i} = \frac{6 + i + 36i - 6}{37} = \frac{37i}{37} = i

z1=1+i2i=1iz_1 = 1 + i - 2i = 1 - i


9. Čisto imaginarni i realni kompleksni brojevi

Kada je zz realan?

zR    Im(z)=0    z=zz \in \mathbb{R} \iff \text{Im}(z) = 0 \iff z = \overline{z}

Kada je zz čisto imaginaran?

z je cˇisto imaginaran    Re(z)=0   i   Im(z)0z \text{ je čisto imaginaran} \iff \text{Re}(z) = 0 \;\text{ i }\; \text{Im}(z) \neq 0

Naći realne xx za koje je (x2i)2(x - 2 - i)^2 čisto imaginaran.

Razvijamo: ((x2)i)2=(x2)22(x2)i+i2((x-2) - i)^2 = (x-2)^2 - 2(x-2)i + i^2

=(x2)21Re+(2(x2))Imi= \underbrace{(x-2)^2 - 1}_{\text{Re}} + \underbrace{(-2(x-2))}_{\text{Im}} \cdot i

Uslov: Re=0\text{Re} = 0 i Im0\text{Im} \neq 0:

(x2)2=1    x=1 ili x=3(x-2)^2 = 1 \implies x = 1 \text{ ili } x = 3

Proveravamo: za oba, Im0\text{Im} \neq 0. Rešenje: x{1,3}x \in \{1, 3\}.


Rezime najvažnijih formula

FormulaNapomena
i2=1i^2 = -1Definicija
in=inmod4i^n = i^{n \bmod 4}Periodičnost stepena
(a+bi)(abi)=a2+b2(a+bi)(a-bi) = a^2 + b^2Razlika kvadrata
1a+bi=abia2+b2\dfrac{1}{a+bi} = \dfrac{a-bi}{a^2+b^2}Racionalisanje
(1+i)2=2i(1+i)^2 = 2iČesta prečica
(1i)2=2i(1-i)^2 = -2iČesta prečica
z=a2+b2\lvert z \rvert = \sqrt{a^2 + b^2}Definicija modula
zz=z2z \cdot \overline{z} = \lvert z \rvert^2Ključna veza
z1z2=z1z2\lvert z_1 z_2 \rvert = \lvert z_1 \rvert \cdot \lvert z_2 \rvertOsobina modula