[Math] TRML培訓活動 - 第一話 - 淺談複數與向量 - 討論

討論區:
 http://groups.google.com.tw/group/chsh20/browse_thread/thread/2d6c25b520be7e6c?hl=zh-TW#

那麼就先來作一下複數的介紹:

首先給定一個複數 z ,

它的實數部分(實部)寫作Re( z );虛數部分(虛部)寫作Im( z )

一般在描述(假設一個複數的時候習慣記作:

z = a + bi ;其中 z 為複數,a、b為實數,且 Re( z ) = a 、Im( z ) = b,i 為虛數單位滿足i2 =
-1。

也許有人習慣用 x . y來表示複數,但在下在此皆用a . b來表示(因為自己在寫的時候比較順)

而這種表達法稱之為複數的“代數式”

在平面上建立直角座標系O x y,對於複數z = a + bi,

在這個坐標系上對應的點坐標為( a , b );

反過來也是如此,

對於這個坐標系上一點( a , b),

它代表的一個複數 z = a + bi。

這樣,就可以把所有的複數與在這個平面上的所有點一一對應。

根據這種與複數對應關係,

這個平面被稱之為複數平面(也稱作高斯平面)。

而這種方法可以清楚的表示出複數在平面上的位置。

且根據上面的定義,

x - 為實軸(由實數所構成的軸);y - 為虛軸(由虛數所構成的軸)

原點O所對應的點為( 0 , 0)

如果z = a + bi,則複數zbar = a - bi 稱為z的“共軛複數”

再將此兩點標示在高斯平面上的話,

不難發現它們是關於實軸對稱的兩點。

又可由複數的乘法得到,

(z) * (zbar) = a2 + b2

關於點 z 到原點的距離我們用| z |來表示,

其值等於根號a2 + b2

稱| z |為z的“模”。顯然 z 和 zbar 有相同的模,即 | z | = | zbar |

再來看複數的加法,

給定兩個複數 z1 = a1 +b1i ; z2 = a2 + b2i

則他們的和定義為:z1 + z2 = ( a1 + a2 ) + ( b1 + b2 )i ,也是一個複數。

特別注意到將這三個複數標示在高斯平面上,

以Oz1 、 Oz2為鄰邊作平行四邊形出去的話,

z1 + z2的位置就是該平行四邊形從原點出發的那條對角線的終點。

由此可知,複數的加法滿足“平行四邊形法則”。

大家知道,物理學有多的量,而且它們的加法具有平行四邊形法則,

這些量既有大小,又有方向,所以被稱為“向量”。

複數也有大小,就是它的模(到原點的距離),

也具有方向,就是從原點出發到表示該複數的點的指向,

複數的加法又適合平行四邊形法則。

因此,複數也就是平面向量。

另外,為了把複數的方向表示得更為清楚,

由實軸的正向向開始,沿著逆時針方向轉動,

到達向量Oz時所掃果的角度用theta來記,

則theta就代表著複數 z 的方向,稱為複數 z 的“幅角”,記為arg(z)= theta,

且特別當0 ≦ theta < 2pi 時,稱theta為z的“主幅角”,記為Arg(z)=theta,

只有對複數O無法定義幅角。

而關於點 z 的 x 坐標a及 y 坐標b而言,

可視點 z 對 x 軸的投影點為 x 坐標;對 y 軸的投影點為 y 坐標。(畫個圖能比較好理解)

即a = | z | cos( theta ) ; b = | z | sin( theta )

所以可得到z = a + b i = | z | cos( theta ) + i | z | sin( theta ) = | z |
( cos(theta) + i sin(theta))

這種表示法稱為複數的“三角式”,也稱為“極式”

另外對於z的坐標在這裡可以有另一種表示法:z = ( | z | , theta )

其中theta必須為Arg(z),這種表示複數坐標的方法稱為“極坐標”

還有一種方法是利用指數來表示的“指數式”

但高中的課程並未特別著墨於此,(還有就是我也沒有特別讀(炸))

所以在此就不介紹了。

再來就介紹一下常用的複數性質:

(1)有兩個複數z1、z2,若滿足z1 = z2,則Re( z1 ) = Re( z2 );Im( z1 ) = Im( z2 )

也就是常說的「實部等於實部,虛部等於虛部」

這個性質看起來很直觀,但它的實用性非常高,是重要的。

(2)有兩個複數z1、z2,那麼z2 - z1就代表了向量z1z2。可得知z1,z2之間的距離等於複數z2 - z1的模,即|z2 -
z1|,當然也等於|z1 - z2|

這個性質代表的意義就是複數間的兩點距離,

要確切求出距離的話還是根據定義,將z2 - z1的模求出來。

(3)滿足| z | = 1的複數到原點的距離為1,因此它的分佈在以原點為中心、半徑為1的圓周上,這個圓稱為“單位圓”。

單位圓的方程用複數表達是(z)*(zbar) = 1 ,或者是 | z | = 1

而一般地,以複數z0為中心、半徑為 r 的圓的方程可以寫為|z - z0| = r ,其中複數 z 表示圓周上變動的點(動點)

關於圓的方程表示,在高中課程中想必大家都會用 z = cos(theta) + i sin(theta)來作表示,

而對於這種表示法還可以做許多延伸,這部分的話則在往後的文章再作介紹。

--------------------------------------------------------------------------------

再來介紹一下棣美弗(Abraham de Moivre)定理,

這主要是關於複數與三角結合的定理:

給定兩個複數z1 = r1(cos A + i sin A)、z2 = r2(cos B + i sin B),其中r1、r2為|z1|和|
z2|,A、B為主幅角。

則滿足(z1)*(z2) = r1*r2 (cos (A+B) + i sin (A+B))

特別另r2 = 1時

可將其幾何意義看作:

將z1延逆時鐘方向旋轉角B,且不改變其長度。

證明:自行展開,利用和角公式化簡。

它的應用方面在這裡就只談旋轉這個部分,

大部分常用的應用在課本上都有提到了這樣。

關於旋轉的部分,

首先給定兩個複數z1 = a1 + b1i 、 z2 = a2 + b2i

如果我想要做到「以點 z2 為旋轉點,將z1逆時鐘旋轉120度得到z」該怎麼辦呢?

(提醒:可以畫圖就畫圖,不能畫圖,還是要畫圖)

這個題目將圖畫出來是重要的,

step 1 :在坐標上取兩個點(a1 , b1)、(a2 , b2)代表點 z1和點 z2

step 2 :因為是以點 z2 為旋轉點,於是計算z1 - z2 = (a1 - a2) + (b1 - b2)i

step 3 :為了逆時鐘旋轉120度,故將複數(a1 - a2) + (b1 - b2)i乘上複數 1 (cos(120度) + i
sin(120度)) 後再加上z2極為所求的複數z

步驟中有兩個步驟是重要的(就是藍色部分)

在旋轉的過程中,是必須要使起點回歸原點O(0 , 0)的,

於是將z1 - z2 可以得到一個以z2為起點的向量z2z1,

可利用向量平移的方式將它的起點移到原點而不改變其向量,

再利用乘上一個模為 1 的的複數使其旋轉可得到另一個向量,

而所求的點只要將這個旋轉後的向量加上旋轉點 z2 就可以得到。

如果對向量平移不熟悉的話可以用另一種方式思考,

就是坐標系的改變。

在z1 - z2的這個過程中,

可以看作是「以z2作為新坐標系的原點」

於是z1在新坐標系的位置即是在z1 - z2的位置

那麼再乘上一個極坐標為(1 , 120度)的複數使其旋轉到另一個點 z',

這個點 z' 是在新坐標系中的點 z,

為了求出點z的坐標必須回歸到原本的坐標系,

所以再加上z2即可以回歸到原本的坐標系。

--------------------------------------------------------------------------------

那麼第一篇文章的介紹就到這個段落做個小結論:

文章初有提到一件事情「因此,複數也就是平面向量。」

這個性質告訴我們一件事情:

「有些向量的問題用複數是可解的」

沒有留言:

張貼留言