Politecnico di Torino Corso di Laurea in Matematica per le Scienze dell’Ingegneria Dipartimento di Matematica Seminari MAT+ Mercoledı̀ 19 marzo 2008 Numeri complessi: trigonometria con e senza la H Marco Codegone Sommario Inquesto seminario desidero presentare i numeri complessi nelle loro varie forme e in particolare nella forma esponenziale, per ricaverne alcune proprietà importanti riguardanti il modulo e l’argomento, le potenze e il logaritmo. Si presenterà poi l’estenzione delle funzioni trigonometriche ai numeri complessi, mostrando come le formule della trigonometria sono riconducibili alle prorpietà dell’esponenziale complesso. In questo quadro le funzioni iperboliche godono di analoghe propprietà. 1 Forma cartesiana Il primo modo di presentare i numeri complessi z ∈ C è quello di identificarli a un coppia ordinata di numeri reali: z ∈ C ⇐⇒ z = {(x, y) ∈ R2 , x ∈ R, y ∈ R} Quindi z ∈ C può essere identificato a un punto del piano o a un vettore del piano. Le operazioni binarie di somma e prodotto di due numeri complessi z = (x, y) e w = (a, b) sono definite nel modo segunete: z + w = (x + a, y + b) z · w = (xa − yb, xb + ya) Lo zero complesso è il numero (0, 0) e l’unità complessa è il numero (1, 0). Si può provare che C, con queste operazioni, è un campo. Nel campo complesso trova soluzione l’equazione: z 2 + (1, 0) = (0, 0) infatti il numero complesso z = (0, 1) è tale che z 2 = (0, 1) · (0, 1) = (0 · 0 − 1 · 1, 0 · 1 + 1 · 0) = (−1, 0). Si introduce inoltre il concetto di modulo |z| e di argomento arg z di un numero complesso z = (x, y): p |z| = x2 + y 2 (1) 1 ¡ ¢ arctan ¡ xy ¢ arctan ¡ xy ¢ + π arctan xy − π arg z = π 2 − π2 non è definito se se se se se se x>0 x<0 x<0 x=0 x=0 x=0 e e e e e y y y y y ≥0 <0 >0 <0 = 0. (2) L’argomento cosı̀ definito è unico. Tuttavia si osserva facilmente che esso rappresenta un angolo che la semiretta dell’asse delle x positive forma con la semiretta su cui giace il segmento che congiunge l’origine degli assi con z. Dunque se noi aggiungiamo 2kπ, con k ∈ Z, ad arg z otteniamo sempre lo stesso numero complesso. 2 Forma matriciale Un altro modo di presentare i numeri complessi è quello di edentificarli alle matrici quadrate 2 × 2 di un opportuno tipo nel modo seguente: µ ¶ x −y z= y x con x ∈ R e y ∈ R. Le operazioni di somma e prodotto sono le oparazioni di somma e prodotto di matrici. Siano: µ ¶ µ ¶ x −y a −b z= w= y x b a si ha: µ ¶ µ ¶ µ ¶ x −y a −b x + a −(y + b) z+w = + = y x b a y+b x+a µ ¶ µ ¶ µ ¶ x −y a −b x · a − y · b −(x · b + y · a) z·w = · = y x b a x·b+y·a x·a−y·b Lo zero complesso è la matrice µ 0 0 0 0 ¶ mentre l’unità complessa è la matrice: µ L’equazione: µ 2 z + 1 0 0 1 ha la soluzione: µ z= infatti: 1 0 0 1 µ 0 −1 1 0 ¶ ¶ . µ = 0 −1 1 0 0 0 0 0 ¶ ¶ ¶ µ ¶ µ ¶ 0 −1 −1 0 · = . 1 0 0 −1 2 Il modulo del numero complesso è dato dalla radice quadrata del determinante: s µ ¶ p x −y |z| = det = x2 + y 2 . y x La corrispondenza tra la rappresentazione di C come punti del piano e quella sotto forma di matrici è la seguente: µ ¶ x −y z = (x, y) ←→ z = . y x 3 Forma cartesiana con la i Un modo molto comune di presentare un numero complesso z è quello di idendificarlo a una coppia ordinata di numeri reali x e y secondo l’espressione x + i y. La somma e il prodotto di due numeri complessi z = x + i y e w = a + i b è definita nel modo seguente: z = (x + i y) + (a + i b) = (x + a) + i (y + b) z = (x + i y) · (a + i b) = (x · a − y · b) + i (x · b + y · a) Si osservi come in queste operazioni i è stato trattato come se fosse un versore e viene detto unità immaginaria è gode della proprietà che: i 2 = −1. Lo zero complesso è il numero z = 0 + i 0 = 0 e l’unità complessa è il numero z = 1 + i 0 = 1. Si può provare che C, con queste operazioni, è un campo. Nel campo complesso trova soluzione l’equazione: z2 + 1 = 0 infatti il numero complesso z = i è tale che (0 + i ) · (0 + i ) = i · i = −1 + i 0 = −1. La corrispondenza tra la rappresentazione di C come punti del piano, quella sotto forma di matrici e quella con unità immaginaria è la seguente: µ ¶ x −y z = (x, y) ←→ z = ←→ z = x + i y. y x 4 Forma polare trigonometrica Un altro modo molto comune di presentare un numero complesso z = x + i y è quello di idendificare la sua parte reale x e la sua parte immaginaria y utilizzando le coordinate polari r = |z| e θ = arg z come definite nelle formule (1) e (2): z = r(cos θ + i sin θ) si osservi che la coordinata θ non è unica, ma si ha anche: z = r(cos(θ + 2kπ) + i sin(θ + 2kπ)) 3 con k∈Z La somma di due numeri complessi z = r(cos θ + i sin θ) e w = ρ(cos φ + i sin φ) è definita con la regola del parallelogramma e non precisiamo oltre i dettagli. E’ invece interessante approfondire il prodotto di z = r(cos θ + i sin θ) e w = ρ(cos φ + i sin φ): z = r(cos θ + i sin θ) · ρ(cos φ + i sin φ) = = rρ ((cos θ · cos φ − sin θ · sin φ) + i (cos θ · sin φ + sin θ · cos φ)) Ora per le formule di somma e sottrazione della trigonometria si ha: rρ (cos θ · cos φ − sin θ · sin φ) + i | {z } = cos(θ + φ) +i (cos θ · sin φ + sin θ · cos φ) = | {z } sin(θ + φ) dunque per fare il prodotto di due numeri complessi si moltiplicano i moduli e si sommano gli argomenti. Si osserva dunque facilmente che se i numeri complessi hanno modulo unitario il loro prodotto si trasforma in una somma degli argomenti. Questo fatto dà intuitivamente una giustificazione alla formula di Eulero: e i θ = cos θ + i sin θ con θ ∈ R. (3) Anzi possiamo dire che una volta accettata la formula di Eularo da essa seguono le formule di somma e sottrazione della trigonometria: e iθ · e iφ = = (cos θ · cos φ − sin θ · sin φ) + i {z } | = cos(θ + φ) +i i (θ+φ) = e . 5 (cos θ · sin φ + sin θ · cos φ) = | {z } sin(θ + φ) Forma esponenziale Il modo per noi più interessante di esprimere un numero complesso z è quello di esprimerlo nella sua forma esponenziale: z = r e iθ ove r è il modulo di z e θ è l’argomento di z come sono stati definiti nelle formule (1) e (2). La corrispondenza tra la rappresentazione di C come punti del piano, quella sotto forma di matrici e quella con unità immaginaria è la seguente: µ ¶ x −y z = (x, y) ←→ z = ←→ y x ←→ z = x + i y ←→ z = r(cos θ + i sin θ) ←→ z = r e i θ , ove i legami tra r e θ con x e y sono dati dalle formule (1) e (2) e dalle espressioni seguenti: ½ x = r cos θ y = r sin θ. 4 6 Alcune proprietà del modulo e dell’argomento La forma esponenziale complessa permette di ricavare in modo particolarmente semplice le proprietà del modulo e dell’argomento. Siano z1 = ρ1 e i ϑ1 , z2 = ρ2 e i ϑ2 . a) Si ha: z1 z2 = ρ1 e i ϑ1 ρ2 e i ϑ2 = ρ1 ρ2 e i (ϑ1 +ϑ2 ) e quindi: |z1 z2 | = |ρ1 ρ¡2 e i (ϑ1 +ϑ2 ) | ¢ = ρ1 ρ2 , arg z1 z2 = arg ρ1 ρ2 e i (ϑ1 +ϑ2 ) = ϑ1 + ϑ2 . b) Si ha: z1 ρ1 e i ϑ1 ρ1 i (ϑ1 −ϑ2 ) = = e , i ϑ2 z2 ρ ρ2 e 2 e quindi: c) ¯ ¯ ¯ z1 ¯ ¯ z2 ¯ arg zz12 ¯ ¯ ¯ρ ¯ ρ = ¯ ρ12 e i (ϑ1 −ϑ2 ) ¯ = ρ12 , ³ ´ ρ = arg ρ12 e i (ϑ1 −ϑ2 ) = ϑ1 − ϑ2 . Osserviamo infine che la moltiplicazione per un esponenziale con all’esponente un immaginario puro provoca una rotazione: ¡ ¢ arg z1 e i α = α + arg z1 . In particolare la moltiplicazione per i provoca una rotazione di π/2: arg ( i z1 ) = π + arg z1 . 2 In modo analogo si osserva che che la moltiplicazione per i n provoca una rotazione di nπ/2 e in particolare : i 4n z = z, i 4n−1 z = − i z, i 4n−2 z = −z, i 4n−3 z = i z. Esempio 1 Si determinino il modulo e l’argomento del seguente numero complesso: z= Si ha: 2 + 2i √ e i π/2 . 1+ i 3 √ √ |2 + 2 i | ¯¯ i π/2 ¯¯ 4+4 2 2 √ |z| = ¯¯ = 2, = ¯= √ √ ¯¯ ¯ e 2 1+3 ¯1 + i 3¯ √ ¢ ¡ arg z = arg (2 + 2 i ) − arg 1 + i 3 + π = 2 √ π π π = arctan 1 − arctan 3 + π 2 = 4−3+2 5 = 5 12 π . 7 Potenze e radici complesse La forma esponenziale è la più naturale per esprimere le potenze e le radici dei numeri complessi. Infatti è sufficiente utilizzare le proprietà dell’esponenziale. Se indichiamo z nella sua forma esponenziale z = r e i θ si ha: ³ ´n z n = r e i θ = rn e i nθ Si comprende che se anche si utilizzasse, per rappresentare lo stesso z, un angolo φ che differisce da θ di un multiplo di 2π, il risultato non cambierebbe: ³ ´n ³ ´n ³ ´n z n = r e i φ = r e i θ+ i k 2π = r e i θ e i k 2π = rn e i nθ e i n k 2π = rn e i nθ · 1 = rn e i nθ . Per le radici utilizziamo le stesse proprietà dell’esponenziale, ma trattandosi di potenze frazionarie il rappresentare z con arg z = θ o con un argomento φ che differiscce da θ di un multiplo di 2π, porta a risultati differenti: ³ ´1 ³ ´1 √ √ 1 θ 2π n n n z = (z) n = r e i θ = r e i θ+ i k 2π = n r e i n+i k n . Si hanno, cioè, n radici distinte, che stanno sulla circonferenza di raggio che differisce di un multiplo di 2π n . 8 √ n r e con un argomento Seni e coseni complessi Sia α ∈ R; sommando alla formula di Eulero (3) la sua complessa coniugata, otteniamo e i α = cos α + i sin α, e − i α = cos α − i sin α, e i α + e − i α = 2 cos α, (4) mentre sottraendo si ha e i α − e − i α = 2 i sin α. (5) Dalle espressioni (4) e (5) si ricava: cos α = e iα + e−iα , 2 (6) sin α = e iα −e 2i −iα . I secondi membri delle espressioni (6) hanno significato anche quando α è complesso. Possiamo perciò definire per ogni z ∈ C cos z = e iz + e−iz , 2 (7) sin z = e iz −e 2i −iz . Si può facilmente dimostrare che, grazie a questa definizione, si possono estendere al campo complesso molte proprietà delle funzioni trigonometriche reali, quali le formule di addizione, di 6 sottrazione, di duplicazione, le relazioni degli archi associati e cosı̀ via. Inoltre le funzioni sin z e cos z sono periodiche di periodo 2π; verifichiamo questa affermazione per il coseno: cos(z + 2kπ) = = e i z+2kπ i + e − i z−2kπ i = 2 e i z e 2kπ i + e − i z e −2kπ i = cos z. 2 Le funzioni trigonometriche complesse, a differenza di quelle reali, possono avere modulo maggiore di uno, come è mostrato nel seguente esempio. Esempio 2 Calcolare cos(2 i ). cos(2 i ) = e i (2 i ) + e − i (2 i ) e −2 + e 2 = = cosh 2. 2 2 Si noti che il risultato è un numero reale più grande di uno. Mediante conti analoghi si ottiene che cos( i a) = cosh a, a ∈ R; per a → +∞ si ha che cosh a−→ + ∞; quindi, per valori grandi di a, si ottengono valori del coseno grandi quanto si vuole. Nell’esempio precedente si è ottenuto un valore reale del coseno di un numero complesso; in generale il seno o il coseno di un numero complesso è un numero complesso, il cui modulo può essere più grande di uno. 9 Seni e coseni iperbolici complessi Richiamiamo la definizione di seno e di coseno iperbolico per un numero t reale: cosh t = e t + e −t , 2 sinh t = e t − e −t . 2 (8) Per t che tende all’infinito i seni e i coseni iperbolici tendono all’infinito in modo esponenziale; si tratta di funzioni non limitate della variabile reale t. I secondi membri delle espressioni (8) hanno significato anche per z complesso. Definiamo quindi: cosh z = e z + e −z , 2 sinh z = e z − e −z . 2 Osserviamo che in ambito complesso vi è uno stretto legame tra le funzioni circolari e le funzioni iperboliche: sin i z = cos i z = sinh i z = cosh i z = e i ( i z) − e − i ( i z) 2i e i ( i z) + e − i ( i z) 2 e iz − e−iz 2 e iz + e−iz 2 −z z = − i e 2− e −z z = e 2+ e iz e−iz = i e − 2i = cos z. 7 = i sinh z, = cosh z, = i sin z, (9) che possiamo riassumere nel seguente quadro: sin i z = i sinh z cos i z = cosh z sinh i z = (10) i sin z cosh i z = cos z Le funzioni iperboliche complesse sono periodiche di periodo 2π i , vale a dire lungo direzioni parallele all’asse immaginario. Per k ∈ Z si ha: sinh z = sinh(z + 2kπ i ) (11) cosh z = cosh(z + 2kπ i ) Osserviamo che, mentre ez è sempre diverso da zero, sinh z e cosh z hanno infiniti zeri sull’asse immaginario . Si ha: sinh z = 0 =⇒ =⇒ =⇒ =⇒ e z − e −z e 2z e 2z z = 0 = 1 = e 2kπ i = kπ i =⇒ =⇒ =⇒ (12) cosh z = 0 =⇒ =⇒ =⇒ =⇒ ez + e −z = 0 e 2z = −1 e 2z = e i π+2kπ i z = i π/2 + kπ i =⇒ =⇒ =⇒ Con ragionamenti analoghi si può constatare che gli zeri del seno e del coseno (circolari) di variabile complessa sono gli stessi del seno e del coseno di variabile reale: sin z = 0 =⇒ z = kπ cos z = 0 =⇒ z = π/2 + kπ Osservazione. Le funzioni di variabile complessa ez , e−z , sin z, cos z, sinh z e cosh z sono combinazioni lineari le une delle altre; questo spiega perché hanno comportamenti analoghi lungo opportune direzioni del piano complesso. 10 Logaritmo di un numero complesso Se r, a ∈ R, il logaritmo (reale) si comporta nel modo seguente: log (r e a ) = log r + log e a = log r + a log e = (log r) + a. 8 Definiamo il logaritmo complesso (che indichiamo ancora con il simbolo log) in modo che si conservi questa proprietà; poniamo, per z 6= 0, ³ ´ log z = log |z| e i arg z+2kπ i = log|z| + i arg z + 2kπ i , con k ∈ Z, (13) ove il logaritmo nell’ultimo membro è il logaritmo reale del numero reale positivo |z|. Si osservi che esiste una analogia tra le radici complesse e i logaritmi complessi, nel senso che entrambi non forniscono un unico valore. La radice n-esima di un numero complesso fornisce n valori distinti, mentre il logaritmo complesso ne fornisce infiniti distinti. Esempio 3 Calcolare il logaritmo complesso di √ z = 1 − i 3. Si ha: ³ ³ π´ ´ log z = log 2 e i (−π/3+2kπ) = log 2 + − i + 2kπ i . 3 Si osservi che si sono ottenuti infiniti valori, tutti con parte reale uguale a log 2; i punti corrispondenti stanno su una parallela all’asse immaginario. Esempio 4 Calcoliamo il logaritmo complesso di i e di −1. Si ha: ³ ´ π π = log e i (π/2+2kπ) = log 1 + i + 2kπ i = i + 2kπ i , 2 2 ³ ´ i π+2kπ i log(−1) = log e = log 1 + π i + 2kπ i = π i + 2kπ i . log i Si sono ottenuti, in entrambi i casi, infiniti valori che stanno sull’asse immaginario; nessuno di essi è reale. 11 Esponenziali con base complessa Utilizzando i logaritmi complessi si può definire l’esponenziale con base complessa. Se z, w ∈ C si pone: z w = e w log z = e w(log |z |+ i arg z+2kπ i ) con k ∈ Z. Un esponenziale con base complessa ha quindi infiniti valori. Esempio 5 Calcolare i i . Dalla definizione che abbiamo introdotto si ha: i i = e i log i = e i (π i /2+2kπ i ) = e −π/2−2kπ ; possiamo osservare il fatto che, in questo esempio particolare, si sono ottenuti infiniti valori reali. 9 12 Proprietà delle funzioni circolari e iperboliche Premettiamo un breve commento di nomenclatura. Le funzioni sin e cos sono dette funzioni seno e coseno circolari perchè la formula fondamentale che le caratterizza è: cos2 θ + sin2 θ = 1 (14) e questa formula permette di dare una rappresentazione parametrica, con parametro θ ∈ [0, 2π), della circonferenza di raggio r: µ ¶ ½ r cos θ x = r cos θ ~γ (θ) = ⇐⇒ ⇐⇒ x2 + y 2 = r2 . r sin θ y = r sin θ Le funzioni sinh e cosh sono dette funzioni seno e coseno iperbolico perchè la formula fondamentale che le caratterizza è: cosh2 t − sinh2 t = 1 (15) e questa formula permette di dare una rappresentazione parametrica, con parametro t ∈ R, dell’iperbole equilatera di semiasse r e con asintoti le rette y = ±x: µ ¶ ½ r cosh t x = r cosh t ~γ (t) = ⇐⇒ ⇐⇒ x2 − y 2 = r2 . r sinh t y = r sinh t La formula (15) si dimostra facilmente come proprietà dell’esponenziale reale: µ ¶ ¶ µ t −t 2 t −t 2 2 2 e + e e − e cosh t − sinh t = − = 2 2 = e 2t + 2 + e −2t − e 2t + 2 − e −2t = 4 = 2 + 2 = 1, 4 mentre la formula (14) è conseguenza delle proprietà dell’esponenziale complesso: µ ¶ ¶ µ iθ −iθ 2 iθ −iθ 2 e + e e − e 2 2 cos θ + sin θ = + = 2 2i = e 2 i θ + 2 + e −2 i θ − e 2 i θ + 2 − e −2 i θ = 4 = 2 + 2 = 1. 4 Possiamo inoltre asserire che tutte le formule della trigonometria altro non sono che proprietà dell’esponenziale complesso e quindi devono valere, per le relazioni (9), delle analoghe formule per le funzioni iperboliche. Formule di somma e sottrazione Per le funzioni circolari si ha: e i α · e i β = (cos α · cos β − sin α · sin β) + i | {z } k k e i (α+β) = cos(α + β) +i 10 (cos α · sin β + sin α · cos β) = | {z } k sin(α + β) mentre per quelle iperboliche: e i i α · e i i β = (cos i α · cos i β − sin i α · sin i β) + i = (cosh α · cosh β + sinh α · sinh β) − | {z } k k e i i (α+β) = cosh(α + β) − (cos i α · sin i β + sin i α · cos i β) = (cosh α · sinh β + sinh α · cosh β) = | {z } k sinh(α + β) Abbiamo cosı̀ ottenuto le formule di somma e sottrazione: cos(α ± β) = cos α · cos β ∓ sin α · sin β (16) sin(α ± β) = sin α · cos β ± cos α · sin β cosh(α ± β) = cosh α · cosh β ± sinh α · sinh β (17) sinh(α ± β) = sinh α · cosh β ± cosh α · sinh β Possiamo dunque riscrivere tutte le formule di trigonometria ricordando semplicemente che cos i α = cosh α e sin i α = i sinh α. Formule di duplicazione Ponendo β = α nelle formule di somma e sottrazione si ottengono le formule di duplicazione: cos 2α = cos2 α − sin2 α = 1 − 2 sin2 α = 2 cos2 α − 1 (18) sin 2α = 2 · sin α · cos α cosh 2α = cosh2 α + sinh2 α = 1 + 2 sinh2 α = 2 cosh2 α − 1 (19) sinh 2α = 2 · sinh α · cosh α Formule del cos2 e del sin2 Dalla formula di duplicazione del coseno si ricavano facilmente le seguenti formule: cos2 α = 2 sin α = cosh2 α = 2 sinh α = 1 2 (1 + cos 2α) 1 2 (1 − cos 2α) (20) 1 2 (cosh 2α + 1) 1 2 (cosh 2α − 1) Formule di bisezione 11 (21) Dalle formule del cos2 e del sin2 , ponendo α/2 al posto di α e estraendo la radice quadrata, si hanno le formule di bisezione: cos α 2 q = ± 12 (1 + cos α) sin α 2 q = ± 12 (1 − cos α) cosh α2 sinh α 2 q = 1 2 (1 (22) + cosh α) q = ± 12 (cosh α − 1) (23) Formule di Werner Sommando e sottraendo opportunamente le formule di somma e sottrazione si ottengono le seguenti espressioni: cos α cos β = 1 2 (cos(α − β) + cos(α + β)) sin α sin β = 1 2 (cos(α − β) − cos(α + β)) sin α cos β = 1 2 (sin(α + β) + sin(α − β)) cosh α cosh β = 1 2 (cosh(α + β) + cosh(α − β)) sinh α sinh β = 1 2 (cosh(α + β) − cosh(α − β)) sinh α cosh β = 1 2 (sinh(α + β) + sinh(α − β)) (24) (25) Formule di prostaferesi Se si scrivono le formule di Werner con x al posto di α e y al posto di β e poi si opera la sostituzione: ½ x+y =α x−y =β e quindi x= y= 12 α+β 2 α−β 2 si ottengono facilmente le seguenti formule di prostaferesi: α−β cos α + cos β = 2 cos α+β 2 cos 2 α−β cos α − cos β = −2 sin α+β 2 sin 2 α+β 2 cos (26) α−β 2 sin α + sin β = 2 sin sin α − sin β α−β = 2 cos α+β 2 sin 2 α−β cosh α + cosh β = 2 cosh α+β 2 cosh 2 α−β cosh α − cosh β = 2 sinh α+β 2 sinh 2 13 α+β 2 cosh (27) α−β 2 sinh α + sinh β = 2 sinh sinh α − sinh β α−β = 2 cosh α+β 2 sinh 2 Bibliografia H.B. Dwight, Tables of Integrals and Other Mathematical Data, Macmillan, New York (1961). M.R. Spiegel, Complex Variables, McGraw-Hill Book, New York (1964). 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Indice − − − − − − − − − − − − − − Sommario Forma cartesiana Forma matriciale Forma cartesiana con la i Forma polare trigonometrica Forma esponenziale Alcune proprietà del modulo e dell0 argomento Potenze e radici complesse Seni e coseni complessi Seni e coseni iperbolici complessi Logaritmo di un numero complesso Esponenziali con base complessa Proprietà delle funzioni circolari e iperboliche Bibliografia Indice 13