Komplekse Tal. 20. november 2009. UNF Odense. Steen Thorbjørnsen Institut for Matematiske Fag Århus Universitet



Relaterede dokumenter
MM501 forelæsningsslides

Komplekse tal. Mikkel Stouby Petersen 27. februar 2013

Komplekse tal og polynomier

DesignMat Den komplekse eksponentialfunktion og polynomier

DesignMat Uge 1 Gensyn med forårets stof

Komplekse tal. x 2 = 1 (2) eller

Komplekse tal og algebraens fundamentalsætning.

Inden der siges noget om komplekse tal, vil der i dette afsnit blive gennemgået en smule teori om trigonometriske funktioner.

Komplekse tal. enote Indledning

Komplekse tal og rækker

Nøgleord og begreber Komplekse tal Test komplekse tal Polære koordinater Kompleks polarform De Moivres sætning

DesignMat Uge 1 Repetition af forårets stof

Noter om Komplekse Vektorrum, Funktionsrum og Differentialligninger LinAlg 2004/05-Version af 16. Dec.

Komplekse tal. Mike Auerbach. Tornbjerg Gymnasium, Odense 2015

Komplekse tal. enote Indledning

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 4

Eksamen i Calculus. 14. juni f (x, y, z) = 1 + x 2 + y 2. x 2 + y 2 1 Hele rummet uden z aksen

De Komplekse Tal. Johan Martens og Jens-Jakob Kratmann Nissen 27/ God made the natural numbers; all else is the work of man.

i x-aksens retning, så fås ). Forskriften for g fås altså ved i forskriften for f at udskifte alle forekomster af x med x x 0

Besvarelser til Calculus Ordinær eksamen - Forår - 6. Juni 2016

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2019

1. Vis, at hvis realdelen af en holomorf (analytisk) funktion er konstant (på et åbent område) er funktionen konstant.

Eksamen i Calculus. 14. juni f (x, y, z) = 1 + x 2 + y 2. Hele rummet uden z aksen

Eksamen i Calculus. 14. juni f (x, y, z) = 1 + x 2 + y 2. x 2 + y 2 1 Hele rummet uden z aksen

Matematik 1 Semesteruge 5 6 (1. oktober oktober 2001) side 1 Komplekse tal Arbejdsplan

Højere Teknisk Eksamen maj Matematik A. Forberedelsesmateriale til 5 timers skriftlig prøve NY ORDNING. Undervisningsministeriet

9.1 Egenværdier og egenvektorer

Oversigt [S] 7.3, 7.4, 7.5, 7.6; [DL] 1, 2

DiploMat 1 Inhomogene lineære differentialligninger

qwertyuiopåasdfghjklæøzxcvbnmqw ertyuiopåasdfghjklæøzxcvbnmqwert yuiopåasdfghjklæøzxcvbnmqwertyui Polynomier opåasdfghjklæøzxcvbnmqwertyuiopå

Lektion 12. højere ordens lineære differentiallininger. homogene. inhomogene. eksempler

Matematik F2 Opgavesæt 2

DesignMat Lineære differentialligninger I

Matematik 1 Semesteruge 5 6 (30. september oktober 2002) side 1. Komplekse tal Arbejdsplan

GEOMETRI-TØ, UGE 11. Opvarmningsopgave 2, [P] (i,ii,iv). Udregn første fundamentalform af følgende flader

Matematisk modellering og numeriske metoder

Repetition til eksamen. fra Thisted Gymnasium

DesignMat Lineære differentialligninger I

Lineære 2. ordens differentialligninger med konstante koefficienter

2. ordens differentialligninger. Svingninger.

Noter om komplekse tal

Institut for Matematik, DTU: Gymnasieopgave. I. De komplekse tals historie. Historien om 3. grads ligningerne

Kalkulus 1 - Opgaver. Anne Ryelund, Anders Friis og Mads Friis. 20. januar 2015

Lineær uafhængighed 1. Lineær afbildninger 2. Spektralteori 3. Komplekse tal 4. Indeks 8. u 3 = u 1 + u 2 (3) V u3 =

Nøgleord og begreber Separable ligninger 1. ordens lineær ligning August 2002, opgave 7 Rovdyr-Byttedyr system 1. ordens lineært system Opgave

Eulers equidimensionale differentialligning

MM501 forelæsningsslides

t a l e n t c a m p d k Matematik Intro Mads Friis, stud.scient 27. oktober 2014 Slide 1/25

SCT. KNUDS GYMNASIUM KOMPLEKSE TAL. Opgaver til noterne kan findes her. PDF. Facit til opgaverne kan findes her. PDF. Henrik S. Hansen, version 3.

Matematik B1. Mike Auerbach. c h A H

KOMPLEKS ANALYSE. noter til matematik beta H.A. NIELSEN

Opgaver til Maple kursus 2012

DESIGNMAT FORÅR 2012: UGESEDDEL Forberedelse Læs alle opgaverne fra tidligere ugesedler, og læg særlig mærke til dem du har spørgsmål til.

Prøveeksamen MR1 januar 2008

Introduktion til Laplace transformen (Noter skrevet af Nikolaj Hess-Nielsen sidst revideret marts 2013)

Potensrækker. Morten Grud Rasmussen november Definition 1 (Potensrække). En potensrække er en uendelig række på formen

Noter om polynomier, Kirsten Rosenkilde, Marts Polynomier

DesignMat Komplekse tal

Differentialligninger. Ib Michelsen

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2017

Mere om differentiabilitet

Polynomium Et polynomium. Nulpolynomiet Nulpolynomiet er funktionen der er konstant nul, dvs. P(x) = 0, og dets grad sættes per definition til.

Grundlæggende Matematik

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) AUGUST 2006 AARHUS UNIVERSITET

RKS Yanis E. Bouras 21. december 2010

Matematik. 1 Matematiske symboler. Hayati Balo,AAMS. August, 2014

Analyse 1. Mads Friis Anders Friis Anne Ryelund. 25. maj 2018

Modulpakke 3: Lineære Ligningssystemer

Løsning til aflevering - uge 12

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen - 3. Januar 2017

Idenne note giver vi et eksempel på, hvorledes det er vigtigt at holde sig

Kompleks Funktionsteori

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

Det teknisk-naturvidenskabelige basisår Matematik 1A, Efterår 2005, Hold 3 Prøveopgave C

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2017

Polynomier af én variabel

1RWHWLOGLIIHUHQWLDOOLJQLQJHU

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2018

Funktioner. 3. del Karsten Juul

Kursusnoter til BasisMat

Komplekse tal. Preben Alsholm Juli 2006

Nøgleord og begreber. Definition 15.1 Den lineære 1. ordens differentialligning er

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Januar 2019

MATEMATIK B. Videooversigt

GUX Matematik Niveau B prøveform b Vejledende sæt 2

DiMS 2010 Uge 7,

Studentereksamen Matematik

INSTITUT FOR MATEMATIK OG DATALOGI. TIDLIGERE EKSAMENSOPGAVER MM501 Calculus I, MM502 Calculus II Januar 2006 juni 2010

Oversigt [S] 7.3, 7.4, 7.5, 7.6; [LA] 15, 16, 17

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 5

Differentialkvotient af cosinus og sinus

Taylorudvikling I. 1 Taylorpolynomier. Preben Alsholm 3. november Definition af Taylorpolynomium

Eksamen i Calculus Fredag den 8. januar 2016

Nøgleord og begreber Eksistens og entydighed Retningsfelt Eulers metode Hastighedsfelt Stabilitet

Grundlæggende Matematik

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Calculus

Matematiske metoder - Opgaver

Mujtaba og Farid Integralregning

Matematik A-niveau Delprøve 1

Transkript:

Komplekse Tal 20. november 2009 UNF Odense Steen Thorbjørnsen Institut for Matematiske Fag Århus Universitet

Fra de naturlige tal til de komplekse Optælling af størrelser i naturen De naturlige tal N (N = {1,2,3,...}). Løsning af f.eks. x + 2 = 1 De hele tal Z (Z = {0, ±1, ±2, ±3,...}). Løsning af f.eks. 2x = 1 De rationale tal Q (Q = { m n m Z, n N}). Løsning af f.eks. x 2 = 2 De reelle tal R (R = {alle endelige og uendelige decimaltal}). Løsning af f.eks. x 2 = 1 De komplekse tal C (C = {a + ib a,b R}).

Algebraens Fundamentalsætning. Ethvert n te grads polynomium p(x) = a n x n + a n 1 x n 1 + + a 1 x + a 0, med komplekse koefficienter a 0,a 1,...,a n har præcis n komplekse rødder talt med multiplicitet. Specielt: Enhver 2. grads ligning ax 2 + bx + c = 0 med komplekse koefficienter a,b,c har to komplekse løsninger (talt med multiplicitet).

Indføring af de komplekse tal. Vi starter med at betragte punkterne i den 2-dimensionale plan: R 2 = {(a,b) a R, b R}. Vi udstyrer R 2 med to regneoperationer + og, som defineres på følgende måde: (a,b) + (x,y) = (a + x,b + y), (a,b,x,y R) (a,b) (x,y) = (ax by,ay + bx), (a,b,x,y R).

Regneregler Det er ikke svært at efterse, at der for disse regneoperationer gælder følgende regneregler for z,v,w R 2 : z + v = v + z z + (v + w) = (z + v) + w zw = wz z(vw) = (zv)w z(v + w) = zv + zw.

Indlejring af de reelle tal Vi identificerer det reelle tal a R med (a,0) R 2. Bemærk at der for a,b i R gælder: a + b = (a,0) + (b,0) = (a + b,0) = a + b. a b = (a,0) (b,0) = (a b,0) = a b. De indførte regneoperationer på R 2 passer således med de sædvanlige regneoperationer på R.

Første definition af de komplekse tal De komplekse tal C er mængden R 2 = {(a,b) a R,b R} udstyret med regneoperationerne + og indført ovenfor.

Tallet i. Elementet i := (0,1) R 2 har speciel betydning: i 2 = i i = (0,1) (0,1) = ( 1,0) = 1. Tallet i kaldes for den imaginære enhed. Bemærk, at der for ethvert b R gælder at i b = (0,1) (b,0) = (0,b). Dermed kan ethvert par (a,b) R 2 skrives på formen: (a,b) = (a,0) + (0,b) = a + ib.

Anden definition af komplekse tal Et komplekst tal er et tal på formen: z = a + ib, hvor a,b R. Tallet a kaldes realdelen af z, tallet b kaldes imaginærdelen af z. Man benytter notationen: Re(z) = Re(a + ib) = a, og Im(z) = Im(a + ib) = b. Mængden af alle komplekse tal betegnes med C, altså: C = {a + ib a,b R}.

Regneoperationerne på C (revisited) Hvis vi som ovenfor skriver komplekse tal på formen a + ib, så kan regneoperationerne + og udtrykkes på følgende måde: (a + ib) + (x + iy) = a + x + i(b + y) (a + ib) (x + iy) = ax by + i(ay + bx). Bemærk specielt at produktet (a + ib) (x + iy) kan udregnes ved blot at gange parantesserne ud og huske på at i i = 1: (a + ib)(x + iy) = ax + aiy + ibx + ibiy = ax + i(ay + bx) + (i i)by = ax by + i(ay + bx).

Modulus og argument Grafisk repræsenterer vi et komplekst ( ) tal a + ib som punktet P = (a,b) eller vektoren OP a = b Modulus: Længden af OP kaldes for modulus eller den absolutte værdi af z, og den betegnes med z : z = a + ib = a 2 + b 2. Argument: Lad θ betegne vinklen i ] π,π], som vektoren OP danner med den reelle akse. Denne vinkel kaldes for argumentet for z og betegnes med Arg(z). Polar form af et komplekst tal: z = a + ib = z (cos θ + isin θ). (1)

Grafisk repræsentation af produktet af to komplekse tal. Betragt to komplekse tal z og w, og sæt θ = Arg(z), og φ = Arg(w). Vi finder så at zw = ( z (cos θ + isin θ)) ( w (cos φ + isin φ)) = z w (cos θ cos φ + icos θ sin φ + isin θ cos φ sinθ sinφ) = z w ( (cos θ cos φ sin θ sin φ) + i(cos θ sin φ + sin θ cos φ) ) = z w ( cos(θ + φ) + isin(θ + φ) ). Vi har til sidst har benyttet additionsformler for cos og sin!

Kvadratrødder af komplekse tal. Det følger fra ovenstående, at ethvert komplekst tal z 0 har to forskellige kvadratrødder! Vi kan nemlig skrive: z = z (cos θ + isinθ), hvor θ = Arg(z). Vi kan da betragte tallene ± z ( cos( θ 2 ) + isin(θ 2 )). Vi finder så vha. foregående udregning [ ± z ( cos( θ 2 ) + isin(θ 2 ))] 2 = z z ( cos( θ 2 + θ 2 ) + isin(θ 2 + θ 2 )) = z ( cos θ + isin θ ) = z.

Hovedværdien af kvadratroden Vi sætter z = z ( cos( θ 2 ) + isin(θ 2 )), og dette tal kaldes for hovedværdien af kvadratroden for z. Bemærk specielt at Re( z) = z cos( θ 2 ) 0, idet θ 2 ] π 2, π 2 ]. Hvis θ π, er hovedværdien af z altså den af de to kvadratrødder, som har positiv realdel. Hvis θ = π, gælder at z ],0[, og vi finder, at z = z (cos( π 2 ) + isin(π 2 )) = i z.

Om løsning af 2. grads ligninger. Betragt en reel 2. grads ligning: ax 2 + bx + c = 0, a,b,c R, a 0, Med de komplekse tal til rådighed har enhver sådan ligning to løsninger (som dog kan være sammenfaldende): r 1 = b + D 2a Her er D diskriminanten: og r 2 = b D, (2) 2a D = b 2 4ac.

Om løsning af 2. grads ligninger (fortsat) Hvis D > 0, er der 2 forskellige reelle rødder. Hvis D = 0, er der 2 sammenfaldende reelle rødder. Hvis D < 0, finder vi, at r 1 r 2 = b D 2a + i 2a = b D 2a i 2a. Løsningsformlen: r 1 = b + D 2a gælder faktisk også selvom a,b,c C. og r 2 = b D 2a

Den komplekse eksponentialfunktion Eksponentialfunktionen e x er som bekendt defineret for alle reelle værdier af x. Man kan udvide definitionen til også at gælde for komplekse tal, idet man benytter definitionen: e x+iy = e x (cos y + isin y), (x + iy C). Bemærk, at for et reelt tal x = x + i0 har vi e x+i0 = e x (cos(0) + isin(0)) = e x.

Fundamentalligningen for exponentialfunktionen: Den komplekse eksponentialfunktion opfylder den sædvanlige identitet: e z e w = e z+w, (z,w C). Bevis. Skriv z og w som z = x + iy, w = u + iv, hvor x,y,u og v er reelle tal. Vi har da e z e w = ( e x (cos(y) + isin(y) )( e u (cos(v) + isin(v) ) = e x e u (cos(y + v) + isin(y + v)) = e x+u (cos(y + v) + isin(y + v)) = e (x+u)+i(y+v) = e z+w.

Euler s formler: For ethvert reelt tal x gælder formlerne: cos(x) = eix + e ix, og sin(x) = eix e ix. 2 2i En anvendelse: Udregn integralet π 0 sin2 (x)dx. Vha. Eulers formel for sin(x) finder vi, at ( e sin 2 ix e ix ) 2 e 2ix + e 2ix 2 (x) = = 2i 4 Det følger derfor, at π 0 = 1 2 1 4( e 2ix + e 2ix) = 1 2 1 2 cos(2x). sin 2 (x)dx = [ 1 2 x 1 4 sin(2x) ] π 0 = π 2.

Anden ordens lineære differentialligninger med konstante koefficienter. En anden ordens lineær, homogen differentialligning med konstante koefficienter er en differentialligning på formen: hvor a, b, c er konstanter. ay + by + cy = 0, (3) Løsninger: En to gange differentiabel funktion y = y(t) defineret på et interval I er en løsning til (3), hvis den opfylder at ay (t) + by (t) + cy(t) = 0, for alle t i I.

Løsning af: ay + by + cy = 0. For at bestemme løsninger til (3) gætter vi i første omgang på en funktion på formen y(t) = e rt, hvor r er en konstant (reel eller kompleks!). Bemærk at y (t) = re rt og y (t) = r 2 e rt. Det følger derfor, at ay (t) + by (t) + cy(t) = ar 2 e rt + bre rt + ce rt = (ar 2 + br + c)e rt. Det fremgår altså, at y(t) = e rt er en løsning til (3) ar 2 + br + c = 0.

Løsning af: ay + by + cy = 0 (fortsat). Andengradsligningen ax 2 + bx + c kaldes for karakterligningen hørende til (3). Løsningen til (3) afhænger nu af løsningen til karakterligningen. Der er 3 tilfælde; svarende til om diskriminanten: D = b 2 4ac er positiv, nul eller negativ.

Tilfælde I: D > 0. I dette tilfælde har karakterligningen to forskellige reelle rødder: r 1 = b D 2a og r 2 = b + D. 2a Således har vi fundet de to løsninger e r1t og e r2t til (3). Dermed er alle funktioner på formen y(t) = Ae r1t + Be r2t, (4) hvor A og B er vilkårlige konstanter, også løsninger til (3). Man kan vise, at der ikke findes andre løsninger til (3). Vi siger, at (4) angiver den fuldstændige løsning til (3).

800 600 400 200-6 -4-2 0 0 t 2 Grafen for funktionen 2e 2t + e t på intervallet [ 6,3].

Tilfælde II: D = 0. I dette tilfælde har karakterligningen dobbeltroden r = b 2a. Den fuldstændige løsning til (3) bliver så y(t) = Ae rt + Bte rt, hvor A og B er vilkårlige konstanter.

60 50 40 30 20 10-3 -2-1 0 0 1 t 2 3 Grafen for funktionen e t + 2te t på intervallet [ 3,3].

Tilfælde III: D < 0. I dette tilfælde har karakterligningen de to komplekse løsninger: og Vi har her sat r 1 = b 2a i D 2a r 2 = b 2a + i D 2a k = b 2a og ω = = k iω, = k + iω. D 2a, Vi finder dermed løsningerne y(t) = C 1 e (k iω)t + C 2 e (k+iω)t, hvor C 1 og C 2 er konstanter.

Tilfælde III (fortsat) Her antager e (k iω)t og e (k+iω)t komplekse værdier. Husk imidlertid på, at e (k iω)t = e kt (cos(ωt) isin(ωt)), e (k+iω)t = e kt (cos(ωt) + isin(ωt)). Man kan dermed omskrive løsningerne til formen: y(t) = Ae kt cos(ωt) + Be kt sin(ωt), (5) som giver reelle løsninger når A og B vælges reelle. Man kan igen indse, at (5) angiver den fuldstændige løsning til (3)

50 t -4-2 0 0 2 4-50 -100 Grafen for funktionen e t (cos(t) + sin(t)) på intervallet [ 4,5].

Hooke s Lov. Betragt et lod af masse m, som er ophængt i en (vægtløs) fjeder. Vi forestiller os at loddet hænger stille (ligevægtsposition), men hvis man trækker vertikalt i loddet, vil fjederen påvirke det med en modsatrettet kraft, som er propertional med loddets afstand til ligevægtspositionen: hvor F fjeder = ky, y = loddets afstand til ligevægtspositionen. k er en positiv proportionalitetskonstant. Samtidig giver Newton s 2. lov, at F fjeder = m d2 y dt 2,

Hooke s Lov (fortsat). Vi opnår således differentialligningen: m d2 y dt 2 = ky, dvs. d 2 y dt 2 + k y = 0. (6) m Den tilhørende karakterligning er x 2 + k m = 0, Den har løsningerne: k r = ±i m. Dermed bliver den fuldstændige løsning til (6) hvor ω = k m. y(t) = A cos(ωt) + B sin(ωt),

2 1-8 -4 0 0 4 8 x -1-2 Grafen for funktionen 2cos(t) + sin(t) på intervallet [ 8,8].

Kompleks differentiabilitet I det følgende betragtes en funktion f : C C (f.eks. f (z) = e z for alle komplekse z) Definition. Lad z 0 være et fast punkt fra C. Vi siger da at f er kompleks differentiabel i punktet z 0, hvis grænseværdien f (z) f (z 0 ) c := z z0 lim, z z z z 0 0 eksisterer. I bekræftende fald kaldes c for den afledede af f i z 0 og betegnes med df dz (z 0) eller f (z 0 ). Hvis f er kompleks differentiabel i alle punkter af C, siges f at være C-C-differentiabel i C.

Eksempler på C-C-differentiable funktioner: Polynomier: p(z) = a n z n + a n 1 z n 1 + + a 1 z + a 0, hvor a 0,a 1,...,a n C. Den komplekse exponentialfunktion: f (z) = e z. Sammensætning og regning med C-C-differentiable funktioner, f.eks. f (z) = (z 4 + 1)e z2. De komplekse cosinus og sinus funktioner f (z) = cos z og g(z) = sin z.

Egenskaber for C-C-differentiable funktioner For en C-C-differentiabel funktion f : C C gælder der, at Hvis f (z) R for alle z, så er f konstant. f er automatisk uendeligt ofte C-C-differentiabel. Der findes en følge a 1,a 2,a 3,... af komplekse tal, såldes at f for alle z i C har fremstillingen f (z) = n=0 a n z n ( = lim a0 + a 1 z + a 2 z 2 + + a N z N), N F.eks. gælder der, at e z = n=0 1 n! zn. Hvis f er begrænset, så er f konstant [Liouville s Sætning].

Algebraens Fundamentalsætning. Ethvert n te grads polynomium p(x) = a n x n + a n 1 x n 1 + + a 1 x + a 0, med komplekse koefficienter a 0,a 1,...,a n har præcis n komplekse rødder talt med multiplicitet.

Skitse af beviset for algebraens fundamentalsætning Antag at p ikke har nogen rødder i C. Så kan man betragte funktionen f (z) = 1 p(z), (z C), og man kan let argumentere for, at f er C-C-differentiabel og begrænset. Ifølge Liouvilles Sætning gælder derfor at 1 p(z) = f (z) = C og dermed p(z) = 1 C, for en passende konstant C.

Skitse af beviset for algebraens fundamentalsætning (fortsat) Ovenstående viser, at ethvert polynomium p(z) af grad mindst 1 (dvs. som ikke er konstant) har mindst én rod ζ 1 i C. Så bliver kvotienten et nyt polynomium. q(z) = p(z)/(z ζ 1 ) Hvis q har grad mindst 1, så har q mindst en rod ζ 2, og dermed har p(z) = (z ζ 1 )q(z) mindst to rødder ζ 1 og ζ 2. Sådan kan man fortsætte, og man ender med fremstillingen p(z) = a n (z ζ 1 )(z ζ 2 ) (z ζ n ), hvor ζ 1,ζ 2,...,ζ n er rødderne for p.