Краткое содержание
Этот урок открывает раздел, посвящённый комплексным числам в тригонометрической форме. Он представляет шесть уроков раздела и нить, которая их связывает: описание каждого комплексного числа его расстоянием от начала координат и его направлением превращает произведение в поворот, соединённый с растяжением, степени в углы, кратные данному, а корни в правильные многоугольники. Он восстанавливает историческую предысторию этих идей, от формулы для кубического уравнения, опубликованной Кардано в 1545 году, и правил вычислений Бомбелли до геометрического изображения у Весселя, Аргана и Гаусса и формулы Эйлера; ставит двойную задачу, из которой они родились, алгебраическую и геометрическую, которую резюмирует пример среднего пропорционального между и , и указывает, где они применяются в дальнейшем: в этом курсе, в других курсах сайта, в науке и технике.
Цели обучения
- Описывать содержание каждого урока раздела и объяснять, почему они идут в таком порядке.
- Рассказывать, называя действующих лиц и приблизительные даты, как комплексные числа превратились из вычислительного приёма в геометрический объект, от Кардано и Бомбелли до Весселя, Аргана, Гаусса и Эйлера.
- Формулировать алгебраическую и геометрическую задачи, из которых родилась тригонометрическая форма, и истолковывать как повороты умножение на и средние пропорциональные между и .
- Указывать применения тригонометрической формы в последующем разделе, в других курсах сайта, в физике и в инженерном деле.
Входная проверка
Прежде чем проходить раздел, полезно измерить исходную точку. Этот тест для самого себя не ставит оценок: он нужен, чтобы понять, что уже освоено и где задержаться. Первые десять вопросов касаются шести содержательных уроков раздела: один относится к уроку о тригонометрической форме и один к уроку о геометрии с комплексными числами; по два к каждому из уроков о формуле Муавра, о корнях и о полиномиальных уравнениях; и два к уроку о комплексной экспоненте, причём второй из них является задачей на моделирование, в которой нужно с помощью фазоров составить модель практической ситуации. Те же умения измеряются снова в конце, в итоговом уроке. Два последних вопроса выясняют, что раздел считает известным из курса I и из предыдущих разделов: алгебраическую форму, сопряжённое число и модуль, табличные значения и формулы сложения.
Перед началом раздела оцени свою отправную точку. Это короткая самопроверка: она не оценивается, а результат хранится только в твоём браузере.
Вопрос 1Каково главное значение аргумента числа ?
Это арктангенс частного без поправки: арктангенс принимает значения только в первой и четвёртой четвертях, а есть аргумент противоположной точки, .Это один из аргументов числа , но не главное значение, поскольку не лежит в ; главное значение получается вычитанием одного оборота.Это аргумент числа , лежащего в четвёртой четверти: учтён знак мнимой части, но не знак действительной.Точка лежит в третьей координатной четверти. Арктангенс числа равен , и поскольку действительная и мнимая части отрицательны, формула вычитает : , что лежит в .Повторить: Тригонометрическая форма комплексного числа
Вопрос 2Вычислить .
Правильный ответ:
Число имеет модуль и аргумент . По формуле Муавра шестая степень имеет модуль и аргумент : она равна . Тот, кто получает , забыл, что аргумент соответствует отрицательной действительной полуоси.Повторить: Формула Муавра и степени комплексных чисел
Вопрос 3Какова линеаризация выражения ?
Умножено на вместо : множитель в равенстве тоже возводится в квадрат. При получилось бы , а произведение равно .Выражение понижено по формуле для косинуса; формула для синуса содержит знак минус, . При получилось бы , а произведение равно .Степень понижена без удвоения угла: квадрат линеаризуется через косинус , а не .При произведение равно ; отсюда , а после возведения в квадрат и понижения степени получается . При оба выражения равны .Повторить: Формула Муавра и степени комплексных чисел
Вопрос 4Какое из этих чисел является корнем четвёртой степени из ?
Модуль верный, но его аргумент есть половина от , а не четверть: , а не .Это правило знаков для действительных корней нечётной степени, которое здесь неприменимо: действительное число в чётной степени не отрицательно, и .Аргумент поделён верно, но и модуль поделён на , хотя из него нужно было извлечь корень четвёртой степени: четвёртая степень этого числа равна .Число имеет модуль и аргумент ; его корни четвёртой степени имеют модуль и аргументы . При получается .Повторить: Корни n-й степени из комплексного числа и корни из единицы
Вопрос 5Сколько существует первообразных корней девятой степени из единицы?
Правильный ответ:
Корень , где , является первообразным тогда и только тогда, когда ; натуральные числа до , взаимно простые с , суть , , , , и . Тот, кто получает , рассуждал так, будто простое; корни и являются кубическими корнями из единицы, и их степени обходят лишь три корня.Повторить: Корни n-й степени из комплексного числа и корни из единицы
Вопрос 6Каковы комплексные числа , удовлетворяющие уравнению ?
Это решение уравнения , а не . Знак минус требует, чтобы аргумент был равен с точностью до целого числа оборотов, а периодичность даёт бесконечно много решений.Это решения уравнения : не хватает аргумента числа .Положительна действительная экспонента; комплексная принимает все ненулевые значения, поскольку мнимая часть показателя задаёт произвольное направление.Число имеет модуль и аргумент . Если , то модуль числа равен , а есть один из его аргументов: из получается , а отличается от на целое кратное .Повторить: Комплексная экспонента и формула Эйлера
Вопрос 7Два громкоговорителя издают один и тот же чистый тон. В месте, где находится тот, кто слушает, создаваемые ими колебания давления равны и , в миллипаскалях. Какова амплитуда суммарного колебания давления, в миллипаскалях?
Правильный ответ:
Каждое колебание есть действительная часть своего фазора, умноженного на , а сумма двух колебаний одной частоты имеет фазором сумму фазоров: , модуль которой равен . Тот, кто получает , сложил амплитуды, как будто максимумы совпадают; тот, кто получает , вычел их, как будто колебания находятся в противофазе; а тот, кто получает , счёл фазоры перпендикулярными.Повторить: Комплексная экспонента и формула Эйлера
Вопрос 8Каков образ точки при повороте на четверть оборота в положительном направлении вокруг точки ?
Это , поворот вокруг начала координат. Чтобы повернуть вокруг другого центра, его нужно вычесть до умножения на и прибавить после.Это поворот в отрицательном направлении, по часовой стрелке, то есть умножение на : положительному направлению соответствует умножение на .Число прибавлено к точке, а не к центру: образ есть центр плюс повёрнутый вектор.Поворот с центром на угол задаётся формулой . Здесь , поворот этого числа есть , и образ равен .Повторить: Геометрия с комплексными числами
Вопрос 9Пусть , и суть корни многочлена . Вычислить .
Правильный ответ:
По формулам Виета и , и сумма квадратов равна . То, что она отрицательна, показывает, что не все корни действительны. Тот, кто получает , спутал сумму квадратов с квадратом суммы, а тот, кто получает , прибавил вместо того, чтобы вычесть.Повторить: Уравнения в комплексных числах: формулы Кардано и Феррари
Вопрос 10Каковы корни уравнения ?
Это соответствует случаю . Знак вычислен неверно: при член отрицателен, и оказывается положительным.Это требует , то есть , чего здесь нет.Кубическое уравнение с действительными коэффициентами всегда имеет действительный корень, поскольку его недействительные корни образуют сопряжённые пары, а всего корней три.Дискриминант равен , он положителен; это неприводимый случай, в котором формула Кардано проходит через кубические корни из недействительных чисел, хотя все три корня действительны.Повторить: Уравнения в комплексных числах: формулы Кардано и Феррари
Вопрос 11Из предыдущих разделовКакое число является обратным к ?
Деление выполнено на модуль, а не на его квадрат: произведение равно , а не .Действительная и мнимая части обращены по отдельности; число, обратное к сумме, не есть сумма обратных.Сопряжённое к число есть : сопряжение меняет знак мнимой части, и только его.Обратное к число есть ; здесь и . Подтверждение: .Повторить: Комплексные числа: действия и уравнения
Вопрос 12Из предыдущих разделовКаково точное значение ?
Это косинус : в синусе разности два произведения вычитаются.Это : синус разности не есть разность синусов.Это синус , удвоенного искомого угла; синус не пропорционален углу.Поскольку , по формуле синуса разности и табличным значениям .
Загрузка содержимого…