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复数

定义

  • 一个复数(complex number)是一个有序对 (a,b) ,其中 a,bR (即都是实数),对于某个复数 zC 通常会写成 a+bi 的形式。

    • 其中 a 称为实部(real part),一般记作 Rez=a
    • 其中 b 称为虚=部(imaginary part),一般记作 Imz=b
    • 所以 z 可以写成 z=Rez+(Imz)i
    • 虚部后的 i 称为虚数单位(imaginary unit),它的定义非常简单: i2=1 ,复数的概念就是围绕这个十分特殊的性质建立的。
    • 当一个复数虚部为 0 时,实际上它等同于实部,变成了一个实数,所以可以说 RC
  • 由所有复数构成的集合一般记为 C

C={a+bi:a,bR}
  • C 上的加法乘法运算定义为:
(a+bi)+(c+di)=(a+c)+(b+c)i(a+bi)(c+di)=(acbd)+(ad+bc)i

实际上复数乘法不必定义,只要围绕性质 i2=1 就可以推导出来:

(a+bi)(c+di)=ac+cbi+adi+bidi=ac+cbi+adi+bd(ii)=ac+cbi+adi+bd(1)=acbd+(cb+ad)i=(acbd)+(ad+bc)i

算数性质

  • 交换性(commutativity):

对所有 α,βC 都有 α+β=β+ααβ=βα

  • 结合性(associativity):

对所有 α,β,λC 都有 (α+β)+λ=α+(β+λ)(αβ)λ=α(βλ)

  • 单位元(identities):

对所有 λC 都有 λ+0=λλ1=λ

  • 加法逆元(additive inverse):

对任意 αC 都存在唯一的 βC 使得 α+β=0

  • 乘法逆元(mutiplicative):

对任意 αC,α0 都存在唯一 βC 使得 αβ=1

  • 分配律(distributive property):

对任意 λαβC 都有 λ(α+β)=λα+λβ

减法与除法运算

有了加法逆元和乘法逆元的概念后,就可以明确定义复数集上的减法和除法了。

α,βC

  • C 上的减法定义为与减数的加法逆元相加,即:
αβ=α+(β)

这里的 β 指的是 β 的加法逆元。

  • C 上的除法定义为与除数的乘法逆元相乘,即:
α/β=α(1/β)

这里的 1/β 指的是 β 的乘法逆元。

复共轭与绝对值

定义

对于任意 zC

  • z复共轭(complex conjugate) 记作 z ,其定义为:
z=Rez(Imz)i
  • z绝对值(absolute value)记作 |z| ,定义为:
|z|=(Rez)2+(Imz)2

故而对于任意 zC 都有:

|z|R|z|0

相关性质

w,zC

  • z+z=2Rez
  • zz=2(Imz)i
  • zz=|z|2
  • w+z=w+z
  • wz=wz
  • z=z
  • |Rez||z|
  • |Imz||z|
  • |z|=|z|
  • |wz|=|w||z|
  • |w+z||w|+|z|

标量集 F

通常我们会用记号 F 表示 RC ,而称其中的元素为标量(scalar),它在数学领域中用来强调某个对象是一个“数”而不是向量(例如,一个复数有实部和虚部,是可以作为二维向量来看待的,但在有些上下文中,它只能是一个数,没有维数)。

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