Множина комплексних чисел, Детальна інформація

, построил в 1843 году ирландский математик У. Гамильтон, который назвал их “кватернионами”.

Большой вклад в развитие теории функций комплексного переменного внесли русские и советские ученые Н. И. Мусхелишвили занимался ее применениями к упругости, М. В. Келдыш и М. А. Лаврентьев - к аэро- и гидродинамике, Н. Н. Богомолов и В. С. Владимиров - к проблемам квантовой теории поля.

Поняття комплексного числа.

“Подобно тому, как всю область действительных величин можно представить с помощью бесконечной прямой, можно себе представить область всех величин, действительных и мнимых, с помощью бесконечной плоскости, где каждая точка, определенная своей абсциссой а и своей ординатой b, представляет в то же время величину a+ib”.

Гаусс

Рассмотрим множество чисел, каждое из которых определяется упорядоченной парой действительных чисел. Действительные числа будем обозначать буквами а, b, с, ..., а упорядоченные пары действительных чисел — буквами \x03B1, \x03B2, \x03B3, ... и соответственно записывать \x03B1=(a, b), \x03B2 =(c, d) и т. д. Такую упорядоченную пару действительных чисел (a,b) назовем комплексным числом.

Определим действия над упорядоченными парами действительных чисел. Суммой двух упорядоченных пар \x03B1= (а, b) и \x03B2 = (с, d) назовем упорядоченную пару \x03B3 = (a+c, b+d):

(a, b) + (c, d) = (a + c, b + d), (1)

а произведением указанных пар — упорядоченную пару \x03B4 = (ас – bd, ad + bc):

(a, b)(c, d) = (ac – bd, ad + bc). (2)

Действия сложения и умножения упорядоченных пар действительных чисел определены аксиоматически.

Для этих действий существуют обратные действия — вычитание и деление (кроме деления на нуль). Разностью \x03B1 — \x03B2 двух упорядоченных пар \x03B1 = (a, b) и \x03B2 = (с, d) назовем такую упорядоченную пару (х, y), для которой (с, d) + (x, y) = (a, b). Принимая во внимание равенство (1), получаем с + х = a, d + y = b, откуда x = а – c, y = b – d. Разностью \x03B1 — \x03B2 упорядоченных пар \x03B1 = (а, b) и \x03B2 = (с, d) является упорядоченная пара (а – c, b – d):

(a, b) – (c, d) = (a – c, b – d). (3)

Нулем служит пара 0 = (0, 0). Упорядоченной парой, противоположной для упорядоченной пары \x03B1 = (а, b) будет, пара - \x03B1 = ( -а, -b), так как \x03B1 + (-\x03B1) = (а, b) + (-а, -b) = (0,0) = 0.

0 (т. е. хотя бы одно из чисел с, d отлично от нуля) должна быть упорядоченная пара (x, y) такая, что (с, d) (x, y) = (а, b). Отсюда на основании равенства (2) получаем cx – dy = a, cy – dx = b. Из этой системы уравнений находим x и y:

.

0, то частное \x03B1/\x03B2 двух упорядоченных пар \x03B1 = (а, b), \x03B2 = (с, d) существует и определяется формулой:

. (4)

0 упорядоченной парой, обратной для \x03B2, будет упорядоченная пара

.

Таким образом, построено множество чисел, действия над которыми определяются по формулам (1) - (4). Это множество чисел называют множеством комплексных чисел.

Докажем, что множество комплексных чисел в качестве своего подмножества содержит все действительные числа. Рассмотрим упорядоченные пары вида (a, 0). Каждой паре (a, 0) поставим в соответствие действительное число а, в результате получим взаимно однозначное соответствие между множеством рассматриваемых упорядоченных пар и множеством всех действительных чисел. Применяя к указанным упорядоченным парам формулы (1) и (2), находим;

(а, 0) + (b, 0) = (а + b, 0); (а, 0) (b, 0) = (ab, 0).

Эти равенства означают, что упорядоченные пары вида (а, 0) складываются и умножаются так же, как действительные числа. Следовательно, множество указанных упорядоченных пар действительных чисел, рассматриваемое как подмножество множества комплексных чисел, по своим алгебраическим свойствам не отличается от множества действительных чисел. Это позволяет положить

(а, 0) = а, (5)

т. е. не различать упорядоченную пару (a, 0) действительных чисел и действительное число a. В частности, нуль (0, 0) и единица (1, 0) множества комплексных чисел оказываются обычными действительными числами 0 и 1.

+ 1 = 0 является такое число, квадрат которого равен действительному числу —1. Это число определяется упорядоченной парой (0, 1). В самом деле, применив формулу (2), получим

(0, 1) (0, 1) = (-1, 0) = -1.

Обозначим эту упорядоченную пару через i, т. е. i = (0, 1), тогда

, (6)