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发表于 2022-4-17 08:45
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本帖最后由 春风晚霞 于 2022-4-18 07:15 编辑
四、复平面及棣莫弗公式
1、复平面相关概念
1)、复平面的相关概念
(1)、定义:建立了直角坐标系来表示复数的平面叫做复平面,x轴叫做实轴,y轴除去原点的部分叫做虚轴,原点表示实数0,原点不在虚轴上.
(2)、复平面上的点与复数的对应关系
复平面内的每一个点,有唯一的一个复数和它对应,反过来,每一个复数,有复平面内唯一的一个点和它对应,所以复数集C和复平面内所有的点所成的集合是一一对应的。
2、复数的三角式
如图,设z=x+yi是复平面上任意一点。线段| oz |的长度为r(也叫复数z的模为r),由直角三角形中正余弦函数的定义得:x=rcosθ,y=rsinθ (θ称复数z的幅角,主值区间为(0,2π),主值区间上的幅角记为argz,非主值区间上的幅角记为Argz)得复数z=x+yi的三角式:\(\mathbf{z=r(cosθ+isinθ)}\)
3、棣莫弗公式
设复数 \(z_1\)=\(r_1\)(cos\(θ_1\)+isin\(θ_1\));\(z_2\)=\(r_2\)(cos\(θ_2\)+isin\(θ_2\)),
则\(z_1\)\(z_2\)=\(r_1\)\(r_2\)[cos(\(θ_1\)+\(θ_2\))+isin(\(θ_1\)+\(θ_2\))]
【证明:】因为\(z_1\)=\(r_1\)(cos\(θ_1\)+isin\(θ_1\));\(z_2\)=\(r_2\)(cos\(θ_2\)+isin\(θ_2\));
所以\(z_1\)\(z_2\)=\(r_1\)(cos\(θ_1\)+isin\(θ_1\))\(r_2\)(cos\(θ_2\)+isin\(θ_2\))
=\(r_1\)\(r_2\)[(cos\(θ_1\)+isin\(θ_1\))(cos\(θ_2\)+isin\(θ_2\))
=\(r_1\)\(r_2\)[(cos\(θ_1\)cos\(θ_2\)+isin\(θ_1\)cos\(θ_2\)+isin\(θ_2\)cos\(θ_1\)+\(i^2\)sin\(θ_1\)sin\(θ_2\))
=\(r_1\)\(r_2\)[(cos\(θ_1\)cos\(θ_2\)-sin\(θ_1\)sin\(θ_2\))+i(sin\(θ_1\)cos\(θ_2\)+sin\(θ_2\)cos\(θ_1\))]
=\(r_1\)\(r_2\)[cos(\(θ_1\)+\(θ_2\))+i(sin\(θ_1\)+\(θ_2\))]【证毕】
4、复数三角式的除法
①复数z=r(cosθ+isinθ)的倒数为:\(1\over z\)=\(1\over r\)(cosθ-isinθ)
证明:因为r(cosθ+isinθ)\(1\over z\)(cosθ-isinθ)=(cosθ+isinθ)[cos(-θ)+isin(-θ)]
=cos(θ-θ)+isin(θ-θ)=cos0=1
所以,复数z=r(cosθ+isinθ)的倒数为:\(1\over z\)=\(1\over z\)(cosθ-isinθ)
②复数三角式的除法法则
两复数相除,模的商作为商的模,幅角的差作为商的幅角。
5、用棣莫弗公式验证虚数i的幂的周期性
因为复数1=cos0+isin0;i=cos\(π\over 2\)+isin\(π\over 2\);
①、i=1\(\times\)i=(cos0+isin0)(cos\(π\over 2\)+isin\(π\over 2\))=cos(0+\(π\over 2\))+isin(0+\(π\over 2\))
=isin\(π\over 2\))(即1\(\times\)i=i);
②、\(i^2\)=i\(\times\)i=(cos\(π\over 2\)+isin\(π\over 2\))(cos\(π\over 2\)+isin\(π\over 2\))
=[cos(\(π\over 2\)+\(π\over 2\))+isin(\(π\over 2\)+\(π\over 2\))]=cosπ+isinπ=-1;
③、\(i^3\)=\(i^2\)\(\times\)i=(cosπ+isinπ)(cos\(π\over 2\)+isin\(π\over 2\))
=[cos(π+\(π\over 2\))+isin(π+\(π\over 2\))]=isin(\(3π\over 2\)=-i;
④\(i^4\)=\(i^2\)\(i^2\)=(cosπ+isinπ)(cosπ+isinπ)=cos2π+isin2π=1;这样,我们就验证了,i的幂在幅角argz主值区间上的周期性。同样,我们可以验证i的幂在Argz(即非主值区间上)的周期性。
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