1 Numeri complessi L’equazione x2 + 1 = 0 (1) non ha soluzioni tra i numeri reali, ma ammettiamo che essa abbia una soluzione i in un qualche insieme di numeri C . Se in C valgono le usuali proprietà del prodotto si ha che (−i)2 = (−i) ∗ (−i) = (−1) ∗ (−1) ∗ i ∗ i = i2 , quindi anche -i risolve la (1). Attraverso ± i, si possono esprimere soluzioni di tutte le equazioni di secondo grado a coefficienti reali. Infatti se l’equazione √ 2 ax√ + bx + c = 0√ha discriminante ∆ = b2 − 4ac < 0 possiamo porre ± ∆ = ± −i2 ∆ = ±i −∆ e quindi determinare le soluzioni √ √ −b ± i −∆ −b −∆ x1,2 = = ±i (2) 2a 2a 2a nella forma u+ i v,con u,v∈R. Quindi consideriamo ”numeri” della forma u+iv con u e v reali. Tali ”numeri” sono in corrispondenza biunivoca con le coppie di numeri reali e quindi (vedi n.2.33) i punti del piano. Se ammettiamo che valgano per tali ”numeri” le usuali proprietà algebriche, si ha che: (u+iv)+(u’+i v’)=u+iv+u’+i v’=u+u’+iv+iv’=(u+u’)+i(v+v’) (u+iv) (u’+i v’)= u u’+i2 v v’+ i u v’+i u’ v=(u u’-v v’)+i(u v’+u’v) Con percorso inverso si definiscono i numeri complessi Definizione 1 L’insieme C dei numeri complessi è costituito dalle coppie (u,v) di numeri reali con le operazioni di somma e prodotto definite da: 1. (u,v)+(u’, v’)=(u+u’,v+v’) 2. (u,v) (u’, v’)=(u u’-v v’,uv’+u’v) Si verfica che per le operazioni definite su C valgono prorietà algebriche analoghe a quelle viste per R(vedi...) (o con un diverso linguaggio C è un corpo ). Definizione 2 Dato un numero complesso z=a+i b, a,b∈ R 1. a si dice la parte reale di z, a= Re z. 2. b si dice la parte immaginaria di z, b= Im z. 3. il numero complesso z=a-ib si dice coniugato di z. 1 4. √ zz = |z| = |z| si dice modulo di z. √ √ 2+3)=3, Im(i 2+3)= 2 √ √ 2. 2 − i2 3 = 2 + i2 3 √ √ 3. |2 − i2 3| = |2 + i2 3| = 4 I numeri complessi con parte immaginaria nulla si identificano con i numeri reali, poichè (a,0) +(a’,0)=(a+a’,0) ed (a,0)(a’,0)=(a a’,0) e quindi se a∈R, a=a+i 0=(a,0)∈C . Inoltre i=(0,1) ed i2 =(0,1)(0,1)=(-1,0)=-1, che chiarisce in che senso i risolve l’equazione (1). I numeri complessi con parte reale nulla si dicono immaginari. Esempi: 1 1. Re(i √ NOTA 1 Per moltiplicare un numero complesso a+ib per un numero reale c, basta moltiplicare per c sia la parte reale che quella immaginaria, quindi 1 a b (a+ib)/c= (a + ib) = ( + i ). Poichè qualunque sia z∈C ,|z| è reale, se c c c zw z = il quoziente tra numeri complessi puó ricondursi al w∈C , w6=0, w ww prodotto. Esempi: 2 1. (3 + 5i)(−2 + 3i) = −21 − i 3 + 5i (3 + 5i)(−2 − 3i) 9 19 = = −i 2. −2 + 3i 13 13 13 3. |3 + 5i| | − 2 + 3i| = | − 21 − i| ¯ ¯ 3 + 5i 4. ¯¯ −2 + 3i ¯ ¯ ¯= ¯ |3 + 5i| 34 = | − 2 + 3i| 13 Proposizione 1 Il coniugato di una somma è la somma dei coniugati. Il coniugato di un prodotto è il prodotto dei coniugati,cioè se z,w∈C allora z + w = z + w e zw = z w Basta scrivere z=a+ib e w=c+id con a,b,c,d ∈bR . Per es. z + w = (a + c) + i(b + d) = (a + c) − i(b + d) = a − i b + c − i d 2 6 Im Ad ogni numero complesso a+ib resta associato un punto nel piano di coordinate (a,b). I punti sull’asse delle ascisse sono associati ai numeri reali, mentre i punti dell’asse delle ordinate sono associati ai numeri immaginari. Numeri complessi coniugati sono rappresentati nel piano da punti simmetrici rispetto all’asse reale. 2+i - O Re (−4 − 4i)/3 6 Il modulo di un numero complesso z, |z|,è la distanza dall’origine del punto che lo rappresenta nel piano. Sia A il punto di coordinate (1,0). Se z 6= 0 e P è il punto del piano associato d 0 ≤ AOP d < 2π. Se z=0 l’argomento l’ argomento di z, Arg z, è angolo AOP, non viene definito. In fig 0esempi dei punti corrispondenti a numeri complessi espressi in forma trigonometrica. Se P è un punto del piano corrispondente ad un numero complesso z espresso in forma trigonometrica da (ρ, θ), si dice anche che (ρ, θ) sono le coordinate polari di P. Punti sull’asse x di ascissa positiva hanno argomento 0,quelli di ascissa negativa hanno argomento −π. Punti sull’asse y di ordinata positiva hanno argomento π/2,quelli di ordinata negativa hanno argomento 3π/2. Le relazioni tra la forma trigonometrica (ρ, θ) e la forma cartesiana (a,b) di un numero complesso e quindi tra coordinate polari √ e cartesiane di un punto del piano sono:a=ρ cos θ e b=ρ sin θ ρ = a2 + b2 e se ρ 6= 0 tan θ = b/a o cot θ = a/b. secondo che a o b siano non nulli. Poichè la tangente e la cotangente sono funzioni di periodo π, occorre scegliere θ tra −pi/2 e pi/2 se z sta nel primo o quarto quadrante o tra pi/2 e 3pi/2 se z sta nel secondo o terzo quadrante. Esecizio 1 1. Determinare la forma trigonometrica dei numeri complessi 2+2i,-8i,-8,-4-4i,4+4i. 3 2. Determinare la forma cartesiana dei numeri complessi di modulo 7π 2π 2 ed argomenti π, −π, , . 12 3 Esecizio 2 Il prodotto (o il quoziente ) di un numero complesso ed il suo coniugato è sempre un numero reale . Proposizione 2 Se z,w∈C allora il modulo del prodotto zw è uguale al prodotto dei moduli di z e di w, |z w| = |z| |w| e l’argomento del prodotto è la somma degli argomenti, Arg (zw)=Arg z+Arg w. √ La prima relazione deriva dalla proposizione(1). |z w| = zzww. La seconda parte equivale alla relazioni: √ zwzw = cos(α + β) = cos α cos β − sin α sin β sin(α + β) = cos α sin β + cos α sin β vedi fig.0Dalla teoria delle serie di potenze trova giustificazione la notazione eiθ = cos θ + i sin θ. Ne segue che se z=ρeiθ e w=reit allora z w =ρreiθ+t . Le operazioni di somma e prodotto tra numeri complessi possono essere rilette da un punto di vista geometrico. Infatti se z=x+i y e w=u +i v sono numeri complessi a cui sono associati i punti del piano di coordinate cartesiane (x,y) ed (u,v), allora il punto corrispondente a z+w si ottiene traslando (x,y) del vettore (u,v) o viceversa(cfr...). Se z0 = x0 + iy0 ∈ C è fissato, la funzione z’=f(z)=z+z0 puó indifferentemente essere letta come funzione (lineare di C in se, oppure come la x′ = x + x0 traslazione nel piano che porta O in z0 . In questo ambito y ′ = y + y0 se z0 = ρ0 (cos θ0 + i sin θ0 ) ha modulo 1 allora la moltiplicazione per z0 corrisponde nel piano alla rotazione di centro O di un angolo θ0 . Si ottengono quindi subito le equazioni delle rotazioni di un angolo assegnato φ.Se (x,y) sono le coordinate di un punto, le coordinate (x’,y’) del punto trasformato si ( ′ x = x cos φ − y sin φ ottengono da (cos φ + i sin φ)(x+iy), y ′ = x sin φ + y cos φ Infine alla funzione f(z)=z corrisponde nel piano la simmetria rispetto alla retta reale. Se z= ρ(cos θ + i sin θ) è una radice n-esima di w=r(cos α + i sin α), cioè zn = w allora ρn (cos nθ + i sin nθ) = r(cos α + i sin α) 4 Tale relazione è vera se √ ρ= nr cos nθ = cos α sin nθ = sin α e quindi √ n r ρ= nθ = α + 2kπ, k ∈ Z (3) (4) Di fatto l’equazione ((4)) è soddisfatta solo da n valori distinti di θ, corrispondenti per es. ai valori di k=1,. . . ,n. Infatti per ogni altro valore intero di k si ottengono per θ angoli, che differiscono per multipli interi di 2π dai α + 2π α + 2(n + 1)π = + 2π. Ne deriva precedenti. Per es. se k=n+1 si ha n n n che se r6=0 l’equazione z = w ha n radici distinte. Tali radici hanno tutte lo stesso modulo ed argomenti che differiscono per 2π/n. Sia w=-4, le radici ottave di w, cioè le soluzioni di z 8 = w, sono ottenute nel modo seguente: √ |w| = 4 ed Arg w=π, quindi il modulo di ogni radice sarà 4 2 e gli argomenti sono dati da: π + 2π π + 4π π + 6π π + 8π θ1 = θ2 = θ3 = θ4 = 8 8 8 8 π + 10π π + 12π π + 14π π + 16π θ5 = θ6 = θ7 = θ8 = 8 8 8 8 Esecizio 3 Determinare espressione cartesiana e trigonometrica dei seguenti (5 + 5i) numeri complessi: (3 + i)(3i) (3 + i)/(3i) (−2 − i) Esecizio 4 Determinare le radici complesse delle seguenti equazioni: z 3 = 3i z 6 = 2 + 2i z −4 = −3i z2 -(8+i)z-(1+i)=0 z 1 6 + 4z 8 + 2 = 0 NOTA 2 Dalla proposizione (2) segue un metodo per determinare formule trigonometriche di triplicazione degli angoli. Infatti, per es. cos 3θ e sin 3θ possono essere espressi in funzione di cos θ e sin θ. Se z∈C ha modulo 1 ed argomento θ allora z 3 = z z z ha argomento 3 θ e si ha: (cos θ + i sin θ)3 = cos 3θ + i sin 3θ 5 1 0.5 -1 -0.5 0.5 1 -0.5 -1 Figure 1: Argomento e modulo Sviluppando il prodotto ed uguagliando le parti reali ed immaginarie di ambo i membri si ottiene il risultato. NOTA 3 Se un polinomio P(x) a coefficienti reali ammette una radice complessa z allora ammette anche la coniugata z. NOTA 4 il teorema fondamentale dell’algebra garantisce che ogni polinomio di grado a coefficienti complessi ( e quindi anche reali) ammette n radici complesse (contando la molteplicità).Ne deriva che se il grado è dispari almeno una radice è reale. Infine la definizione di potenze di numeri reali positivi con esponende immaginario. Si tratta di definire eıx , poichè se a>0, a= elog a e aıx = ex log a . Qualunque sia n∈N il polinomio di McLaurin di ex è dato da ex = 1 + x + x2 xn + .... + + Rn 2! n! bene porremo allora che eix è approssimato per ogni n da (ıx)2 (ıx)n e = 1 + ıx + + .... + + Rn 2! n! ıx Si può dimostrare che la definizione è ben posta. È interessante notare che, per ogni n=2 k pari, 6 n n x2 x2 x3 x5 kx kx 1 + ıx − + ı.... + −1 =1− + .. + (−1) + ı(x − + ..) 2! n! 2 n! 3! 5! in altre parole si ritrovano per le potenze pari il polinomio di McLaurin di cos x e per le potenze dispari quello di sen x. Analogo risultatto se n ’ dispari,per cui si pone eıx = cos x + ısen x Il processo può essere reso rigoroso, facendo riferimento alla nozione di serie di potenze. Ne deriva una identità considerata fondamentale , in quanto lega le 5 costanti più ”‘importanti”’ in Matematica”: eıπ + 1 = 0 7