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Topos Uranos

सारांश

यह पाठ प्रत्येक सम्मिश्र संख्या z=a+biz = a + bi को समतल के उस रूपांतरण का आव्यूह सौंपता है जो zz से गुणा करता है, और सिद्ध करता है कि यह संगतता एकैकी है और योगों को योगों में तथा गुणनफलों को गुणनफलों में बदलती है: इस रूप के आव्यूह कोटि दो के वर्ग आव्यूहों के भीतर सम्मिश्र संख्याओं का एक यथावत प्रतिरूप बनाते हैं। इस प्रतिरूप में काल्पनिक एकांक चौथाई चक्कर का घूर्णन है, जिसका वर्ग तत्समक का योज्य प्रतिलोम है; मापांक का वर्ग सारणिक है, संयुग्मी परिवर्त है और प्रतिलोम व्युत्क्रम आव्यूह है। ध्रुवीय रूप इनमें से प्रत्येक आव्यूह को एक घूर्णन में, जिसके बाद एक केंद्रीय तनन आता है, विघटित करता है, और ऑयलर तथा डी मॉयवर के सूत्र घूर्णनों के संघटन के नियम के रूप में फिर प्रकट होते हैं। पाठ समझाता है कि ये आव्यूह क्रमविनिमेय क्यों हैं, यद्यपि सामान्यतः आव्यूह ऐसे नहीं होते, और हैमिल्टन के चतुष्टयों पर एक पहली दृष्टि के साथ समाप्त होता है, जिनका गुणन अब क्रमविनिमेय नहीं है।

अधिगम उद्देश्य

  1. किसी सम्मिश्र संख्या से गुणन का आव्यूह प्राप्त करना और सिद्ध करना कि सम्मिश्र संख्याओं और आव्यूहों के बीच की संगतता योग और गुणनफल को संरक्षित रखती है।
  2. किसी सम्मिश्र संख्या के मापांक, संयुग्मी, प्रतिलोम और ध्रुवीय रूप को आव्यूहों की भाषा में अनूदित करना, और प्रत्येक अनुवाद की ज्यामितीय व्याख्या करना।
  3. सम्मिश्र संख्याओं की घातें, प्रतिलोम और मूल उनके आव्यूहों द्वारा परिकलित करना, और ऑयलर तथा डी मॉयवर के सूत्रों में घूर्णनों का संघटन पहचानना।
  4. समझाना कि सम्मिश्र संख्याओं के आव्यूह आपस में क्रमविनिमेय क्यों हैं, सिद्ध करना कि ठीक वही आव्यूह चौथाई चक्कर के घूर्णन के साथ क्रमविनिमेय हैं, और चतुष्टयों के आव्यूहों से जाँचना कि उनका गुणन क्रमविनिमेय नहीं है।

किसी सम्मिश्र संख्या से गुणन का आव्यूह

बीजगणित और ज्यामिति I पाठ्यक्रम के सम्मिश्र संख्याओं वाले पाठ में प्रत्येक सम्मिश्र संख्या x+yix + yi को समतल के बिंदु (x,y)(x, y) के साथ एकरूप माना गया, और सिद्ध किया गया कि ii से गुणा करना प्रत्येक बिंदु को मूल बिंदु के परितः चौथाई चक्कर घुमाता है। यदि ऐसा है, तो किसी नियत सम्मिश्र संख्या zz से गुणा करना समतल का एक रूपांतरण है, जो प्रत्येक बिंदु ww को बिंदु zwzw सौंपता है। समतल के रूपांतरणों के रूप में आव्यूह वाले पाठ में सिद्ध किया गया कि एक रैखिक रूपांतरण एक आव्यूह से निर्धारित होता है, जिसके स्तंभ सदिशों (1,0)(1, 0) और (0,1)(0, 1) के प्रतिबिंब हैं। इससे वह प्रश्न निकलता है जो इस पाठ को दिशा देता है: zz से गुणन का आव्यूह कौन-सा है, और प्रत्येक सम्मिश्र संख्या को उस आव्यूह से निरूपित करने से क्या मिलता है?

साध्यz से गुणन का आव्यूह

मान लीजिए z=a+biz = a + bi एक नियत सम्मिश्र संख्या है। समतल का वह रूपांतरण जो प्रत्येक सम्मिश्र संख्या w=x+yiw = x + yi को zz से गुणा करता है, रैखिक है; उसके आव्यूह के स्तंभ zz और iziz हैं, और, यदि z≠0z \neq 0, तो वह एकांक वर्ग को भुजा ∣z∣\abs{z} वाले वर्ग में ले जाता है।

हम गुणनफल को खोलकर लिखते हैं और उसमें आव्यूह पढ़ते हैं। आकृति z=2+iz = 2 + i का उपयोग करती है।

प्रमाण

  1. zw=(a+bi)(x+yi)=ax+ayi+bxi+bi2y=(ax−by)+(bx+ay)izw = (a + bi)(x + yi) = ax + ayi + bxi + b \resaltar{i^2} y = \dato{p}{\resaltar{(ax - by) + (bx + ay) i}}

    वितरण नियम से गुणनफल को खोलते हैं और i2i^2 के स्थान पर −1-1 रखते हैं।

  2. (ax−bybx+ay)=(a−bba)(xy)\begin{pmatrix} \resaltar{ax - by} \\ \resaltar{bx + ay} \end{pmatrix} = \dato{m}{\begin{pmatrix} \resaltar{a} & \resaltar{-b} \\ \resaltar{b} & \resaltar{a} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}}

    बिंदुओं को स्तंभ सदिशों के रूप में लिखते हैं। zwzw के निर्देशांक xx और yy के नियत गुणांकों वाले रैखिक संयोजन हैं: यह एक आव्यूह और ww के सदिश का गुणनफल है, और इसलिए रूपांतरण रैखिक है।

  3. z⋅1=a+bi,z⋅i=−b+aiz \cdot \resaltar{1} = \resaltar{a + bi}, \qquad z \cdot \resaltar{i} = \resaltar{-b + ai}

    आव्यूह के स्तंभ 11 और ii के प्रतिबिंब हैं। पहला zz है; दूसरा iz=−b+aiiz = -b + ai है, अर्थात् zz को चौथाई चक्कर घुमाने से प्राप्त सदिश।

  4. ∣iz∣=∣i∣∣z∣=∣z∣,z⋅(1+i)=z+iz\abs{iz} = \abs{i} \abs{z} = \resaltar{\abs{z}}, \qquad \resaltar{z \cdot (1 + i)} = \resaltar{z + iz}

    एकांक वर्ग, जिसके शीर्ष 00, 11, 1+i1 + i और ii हैं, उस चतुर्भुज में बदल जाता है जिसके शीर्ष 00, zz, z+izz + iz और iziz हैं। मूल बिंदु से निकलने वाली उसकी भुजाओं की लंबाई एक ही, ∣z∣\abs{z}, है और वे लंबवत हैं: प्रतिबिंब भुजा ∣z∣\abs{z} वाला एक वर्ग है, जो एकांक वर्ग के सापेक्ष घूमा हुआ है।

प्राप्त आव्यूह का रूप बहुत विशिष्ट है: उसके विकर्ण की दोनों प्रविष्टियाँ समान हैं, और बाकी दो परस्पर योज्य प्रतिलोम हैं। सम्मिश्र संख्या का आव्यूह z=a+biz = a + bi (जहाँ aa और bb वास्तविक हैं) zz से गुणन के आव्यूह को कहते हैं:

M(z)=(a−bba)M(z) = \begin{pmatrix} a & -b \\ b & a \end{pmatrix}

M(z)M(z) का पहला स्तंभ स्वयं zz है, और दूसरा iziz है। सम्मिश्र संख्या के दोनों भागों को अलग करने पर आव्यूह दो नियत आव्यूहों के एक रैखिक संयोजन में विघटित हो जाता है: तत्समक आव्यूह II, जो संख्या 11 का आव्यूह है, और आव्यूह JJ, जो संख्या ii का आव्यूह है।

M(a+bi)=a(1001)+b(0−110)=aI+bJM(a + bi) = a \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} + b \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} = aI + bJ

विशेष रूप से, वास्तविक संख्याएँ तत्समक के गुणजों M(a)=aIM(a) = aI के संगत हैं, जो मूल बिंदु पर केंद्र वाले केंद्रीय तनन हैं, और विशुद्ध काल्पनिक संख्याएँ bibi, JJ के गुणजों के संगत हैं। संगतता सारणी की पहली प्रविष्टियाँ नीचे दी गई हैं।

M(1)=I,M(i)=J,M(−1)=−I,M(−i)=−J,M(0)=(0000)M(1) = I, \qquad M(i) = J, \qquad M(-1) = -I, \qquad M(-i) = -J, \qquad M(0) = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}