Complexe getallen: Invoering van de complexe getallen
Imaginaire getallen
Het is bekend dat negatief is en dat het kwadraat van een reëel getal niet negatief is. Dit heeft tot gevolg dat de vergelijking
Kenmerken van complexe getallen
Kenmerkende eigenschappen van zijn:
- De reële getallen maken deel uit van .
- Getallen in kun je optellen, aftrekken, vermenigvuldigen en delen (behalve door nul); het resultaat van zo'n operatie is weer een element van .
- De rekenregels commutativiteit, associativiteit, distributiviteit en de rollen van en , zoals we ze kennen van de reële getallen, gelden ook voor .
- De vergelijking heeft een oplossing in .
- "De reële getallen maken deel uit van " betekent dat met een deelverzameling van te identificeren is en dat optellen, aftrekken, vermenigvuldigen en delen van elementen uit die deelverzameling overeenkomt met dezelfde operatie voor de reële getallen.
- "De vergelijking heeft een oplossing in " betekent niet dat die oplossing uniek is. We benadrukken dit, omdat voor elke oplossing , ook een oplossing is.
Volgens de vierde eigenschap bestaat er een complex getal waarvoor geldt dat . Dit getal zouden we als kunnen schrijven. Maar er zijn goede redenen om hiervoor een nieuw symbool in te voeren.
Imaginaire eenheid
De imaginaire eenheid is een complex getal met de eigenschap dat .
Waarom schrijven we eigenlijk liever voor de imaginaire eenheid in plaats van ? We geven twee redenen:
- Een reden daarvoor is dat de belangrijke rekenregel voor de wortels van positieve getallen niet geldt voor de wortels van negatieve getallen. Stel immers dat deze regel wel zou gelden, en neem en ; dan zouden we de volgende tegenspraak krijgen:Met de wortelnotatie is de kans op dit soort fouten groter dan bij een strak geregelde formulemanipulatie met de imaginaire eenheid .
- Een tweede reden is dat bij positieve reële getallen , het unieke positieve reële getal aangeeft met , terwijl we niet kunnen zeggen wat we met positief bedoelen als het om complexe getallen gaat. Als we vastgesteld hebben dat een oplossing is van de vergelijking , dan is dat ook. Daarom leggen we graag een getal vast met de eigenschap dat , om vervolgens te definiëren in termen van : zie hieronder.
Ingenieurs gebruiken voor de imaginaire eenheid vaak het symbool omdat de letter in de elektriciteitsleer al vergeven is als symbool voor stroomsterkte. In deze cursus houden we het bij de gebruikelijke wiskundige notatie.
In het kader van het derde kenmerk van de complexe getallen kijken we naar de volgende bekende wet.
We hebben al gezien dat de wet niet goed werkt als en beide negatief zijn. We gaan er nu van uit dat bovenstaande regel wel werkt als en een positief reëel getal is. We komen dan uit op de volgende definitie:
De wortel uit een negatief reëel getal
Voor een positief reëel getal schrijven we:
Het rechter lid, , is een speciaal getal van de vorm . Vereist is dat het een getal in is omdat we producten van complexe getallen willen toelaten, en het reële getal , of , tot behoort.
Omdat we aannemen dat geldt als ten hoogste één van , negatief is, vinden we:
De natuurlijke interpretatie van , met , is dat het een complex getal is dat voldoet aan . Dit is inderdaad het geval:
De constructie van complexe getallen is gebaseerd op de toevoeging van de imaginaire eenheid aan de reële getallen. Wat betekent het nu dat we aan de reële getallen toevoegen? We willen zeker met een reëel getal kunnen vermenigvuldigen; dit geeft getallen van de vorm .
Imaginair getal
Een getal van de vorm , waarbij een reëel getal is, heet een imaginair getal.
Het getal wordt vaak afgekort tot .
Het kwadraat van het imaginaire getal is , een niet-positief reëel getal.
Voor elk negatief reëel getal zijn er dus twee imaginaire getallen die in het kwadraat opleveren: en . Later zullen we zien dat dit ook de enige twee complexe oplossingen van de vergelijking met onbekende zijn.
Imaginaire getallen kunnen we al vermenigvuldigen en tot een positieve gehele macht verheffen. We hoeven dan alleen de gebruikelijke rekenregels te hanteren en de eigenschap toe te passen om een resultaat te vereenvoudigen. Het resultaat zal steeds een reëel of een imaginair getal zijn.
Immers,
omptest.org als je een OMPT examen moet maken.