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复数的运算

掌握复数的运算,是使用复数的关键!

复数的加法

定义

两个复数 z1=a1+b1iz_1 = a_1 + b_1 iz2=a2+b2iz_2 = a_2 + b_2 i

z1+z2=(a1+a2)+(b1+b2)iz_1 + z_2 = (a_1 + a_2) + (b_1 + b_2)i

即实部和虚部分别相加。

例子

例子(3+4i)+(1+2i)=(3+1)+(4+2)i=4+6i(3 + 4i) + (1 + 2i) = (3 + 1) + (4 + 2)i = 4 + 6i

性质

  • 交换律z1+z2=z2+z1z_1 + z_2 = z_2 + z_1
  • 结合律(z1+z2)+z3=z1+(z2+z3)(z_1 + z_2) + z_3 = z_1 + (z_2 + z_3)
  • 零元z+0=zz + 0 = z0=0+0i0 = 0 + 0i
  • 负元z+(z)=0z + (-z) = 0z=abi-z = -a - bi

复数的减法

定义

两个复数 z1=a1+b1iz_1 = a_1 + b_1 iz2=a2+b2iz_2 = a_2 + b_2 i

z1z2=(a1a2)+(b1b2)iz_1 - z_2 = (a_1 - a_2) + (b_1 - b_2)i

即实部和虚部分别相减。

例子

例子(3+4i)(1+2i)=(31)+(42)i=2+2i(3 + 4i) - (1 + 2i) = (3 - 1) + (4 - 2)i = 2 + 2i

复数的乘法

定义

两个复数 z1=a1+b1iz_1 = a_1 + b_1 iz2=a2+b2iz_2 = a_2 + b_2 i

z1z2=(a1+b1i)(a2+b2i)z_1 z_2 = (a_1 + b_1 i)(a_2 + b_2 i)

展开并利用 i2=1i^2 = -1

z1z2=a1a2+a1b2i+b1a2i+b1b2i2z_1 z_2 = a_1 a_2 + a_1 b_2 i + b_1 a_2 i + b_1 b_2 i^2

=(a1a2b1b2)+(a1b2+b1a2)i= (a_1 a_2 - b_1 b_2) + (a_1 b_2 + b_1 a_2)i

例子

例子(3+4i)(1+2i)(3 + 4i)(1 + 2i)

=3×1+3×2i+4i×1+4i×2i= 3 \times 1 + 3 \times 2i + 4i \times 1 + 4i \times 2i

=3+6i+4i+8i2=3+10i8=5+10i= 3 + 6i + 4i + 8i^2 = 3 + 10i - 8 = -5 + 10i

性质

  • 交换律z1z2=z2z1z_1 z_2 = z_2 z_1
  • 结合律(z1z2)z3=z1(z2z3)(z_1 z_2) z_3 = z_1 (z_2 z_3)
  • 分配律z1(z2+z3)=z1z2+z1z3z_1(z_2 + z_3) = z_1 z_2 + z_1 z_3
  • 单位元z×1=zz \times 1 = z1=1+0i1 = 1 + 0i

模的性质

z1z2=z1z2|z_1 z_2| = |z_1| |z_2|

证明

z1z22=(z1z2)(z1z2)=z1z2z1ˉz2ˉ=(z1z1ˉ)(z2z2ˉ)=z12z22|z_1 z_2|^2 = (z_1 z_2)(\overline{z_1 z_2}) = z_1 z_2 \bar{z_1} \bar{z_2} = (z_1 \bar{z_1})(z_2 \bar{z_2}) = |z_1|^2 |z_2|^2

复数的除法

定义

两个复数 z1=a1+b1iz_1 = a_1 + b_1 iz2=a2+b2iz_2 = a_2 + b_2 iz20z_2 \neq 0)的

z1z2=z1z2ˉz2z2ˉ=z1z2ˉz22\frac{z_1}{z_2} = \frac{z_1 \bar{z_2}}{z_2 \bar{z_2}} = \frac{z_1 \bar{z_2}}{|z_2|^2}

计算方法

z1z2=(a1+b1i)(a2b2i)a22+b22\frac{z_1}{z_2} = \frac{(a_1 + b_1 i)(a_2 - b_2 i)}{a_2^2 + b_2^2}

=(a1a2+b1b2)+(b1a2a1b2)ia22+b22= \frac{(a_1 a_2 + b_1 b_2) + (b_1 a_2 - a_1 b_2)i}{a_2^2 + b_2^2}

例子

例子3+4i1+2i\frac{3 + 4i}{1 + 2i}

3+4i1+2i=(3+4i)(12i)(1+2i)(12i)=3+4i6i8i21+4=112i5=11525i\frac{3 + 4i}{1 + 2i} = \frac{(3 + 4i)(1 - 2i)}{(1 + 2i)(1 - 2i)} = \frac{3 + 4i - 6i - 8i^2}{1 + 4} = \frac{11 - 2i}{5} = \frac{11}{5} - \frac{2}{5}i

模的性质

z1z2=z1z2\left|\frac{z_1}{z_2}\right| = \frac{|z_1|}{|z_2|}

复数的幂运算

整数幂

正整数幂

使用乘法定义:

zn=z×z××z(n 个 z)z^n = z \times z \times \cdots \times z \quad (n \text{ 个 } z)

负整数幂

zn=1zn(z0)z^{-n} = \frac{1}{z^n} \quad (z \neq 0)

极坐标形式

如果 z=reiθz = r e^{i\theta},则:

zn=(reiθ)n=rneinθ=rn(cosnθ+isinnθ)z^n = (r e^{i\theta})^n = r^n e^{in\theta} = r^n (\cos n\theta + i \sin n\theta)

例子(1+i)4(1 + i)^4

  • 1+i=2eiπ/41 + i = \sqrt{2} e^{i\pi/4}
  • (1+i)4=(2)4eiπ=4eiπ=4(1)=4(1 + i)^4 = (\sqrt{2})^4 e^{i\pi} = 4 e^{i\pi} = 4(-1) = -4

分数幂(根)

定义

复数 z=reiθz = r e^{i\theta}nn 次根:

zn=rnei(θ+2kπ)/n(k=0,1,2,,n1)\sqrt[n]{z} = \sqrt[n]{r} e^{i(\theta + 2k\pi)/n} \quad (k = 0, 1, 2, \ldots, n-1)

nn 个不同的根。

例子

例子:求 13\sqrt[3]{1}

  • 1=1ei01 = 1 e^{i0}
  • 13=ei(0+2kπ)/3=ei2kπ/3\sqrt[3]{1} = e^{i(0 + 2k\pi)/3} = e^{i2k\pi/3}k=0,1,2k = 0, 1, 2

三个根:

  • k=0k = 0ei0=1e^{i0} = 1
  • k=1k = 1ei2π/3=12+32ie^{i2\pi/3} = -\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2}i
  • k=2k = 2ei4π/3=1232ie^{i4\pi/3} = -\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2}i

复数的指数运算

定义

复数 z=a+biz = a + bi指数

ez=ea+bi=eaebi=ea(cosb+isinb)e^z = e^{a + bi} = e^a e^{bi} = e^a (\cos b + i \sin b)

性质

  • ez1+z2=ez1ez2e^{z_1 + z_2} = e^{z_1} e^{z_2}
  • ez1z2=ez1ez2e^{z_1 - z_2} = \frac{e^{z_1}}{e^{z_2}}
  • (ez)n=enz(e^z)^n = e^{nz}

复数的对数

定义

复数 z=reiθz = r e^{i\theta}对数

lnz=lnr+i(θ+2kπ)(kZ)\ln z = \ln r + i(\theta + 2k\pi) \quad (k \in \mathbb{Z})

主值k=0k = 0):

Log z=lnr+iθ\text{Log } z = \ln r + i\theta

性质

  • ln(z1z2)=lnz1+lnz2\ln(z_1 z_2) = \ln z_1 + \ln z_2
  • ln(z1z2)=lnz1lnz2\ln\left(\frac{z_1}{z_2}\right) = \ln z_1 - \ln z_2
  • ln(zn)=nlnz\ln(z^n) = n \ln z

生活中的应用

物理

  • 电路分析:计算交流电路的电压和电流
  • 🔬 量子力学:计算量子态的演化

工程

  • 📡 信号处理:处理信号的相位和幅度
  • 🏗️ 控制理论:分析系统的稳定性

常见错误

错误 1:乘法计算错误

要正确展开 (a1+b1i)(a2+b2i)(a_1 + b_1 i)(a_2 + b_2 i),记住 i2=1i^2 = -1

错误 2:除法计算错误

要用共轭复数进行有理化:z1z2=z1z2ˉz22\frac{z_1}{z_2} = \frac{z_1 \bar{z_2}}{|z_2|^2}

错误 3:根的计算遗漏

nn 次根有 nn 个不同的值,不要遗漏。

小练习

  1. 计算 (2+3i)+(14i)(2 + 3i) + (1 - 4i)
  2. 计算 (2+3i)(14i)(2 + 3i)(1 - 4i)
  3. 计算 2+3i14i\frac{2 + 3i}{1 - 4i}
  4. 计算 (1+i)8(1 + i)^8
  5. 应用题:在电路分析中,如何用复数运算计算交流电路的阻抗?

💡 小贴士:复数的运算要分别处理实部和虚部。记住:乘法时 i2=1i^2 = -1,除法时要用共轭复数有理化。掌握复数的运算,你就能解决许多实际问题!