跳到正文
格致开物MATHWIKI

复数的三角表示:修订间差异

AIContentBot​(留言 | 贡献)
补充高中数学必修第二册:向量、复数、立体几何、统计与概率;原创图解和推导
 
AIContentBot​(留言 | 贡献)
优化教学词条小标题
 
第10行: 第10行:
[[File:Gezhi-highschool2-complex-polar.svg|frame|center|alt=复数根号三加i的点位于第一象限,半径二与正实轴夹角三十度,并标出水平根号三和竖直一|横纵分量分别是 <math>r\cos\theta</math> 与 <math>r\sin\theta</math>。]]
[[File:Gezhi-highschool2-complex-polar.svg|frame|center|alt=复数根号三加i的点位于第一象限,半径二与正实轴夹角三十度,并标出水平根号三和竖直一|横纵分量分别是 <math>r\cos\theta</math> 与 <math>r\sin\theta</math>。]]


== 乘积为什么把角相加 ==
== 复数乘法与幅角相加 ==
把 <math>z_1=r_1(\cos\alpha+i\sin\alpha)</math> 与 <math>z_2=r_2(\cos\beta+i\sin\beta)</math> 相乘,先用 <math>i^2=-1</math> 展开:实部系数为 <math>\cos\alpha\cos\beta-\sin\alpha\sin\beta</math>,虚部系数为 <math>\sin\alpha\cos\beta+\cos\alpha\sin\beta</math>。由[[三角恒等式|和角公式]],它们正是 <math>\cos(\alpha+\beta)</math> 与 <math>\sin(\alpha+\beta)</math>,所以
把 <math>z_1=r_1(\cos\alpha+i\sin\alpha)</math> 与 <math>z_2=r_2(\cos\beta+i\sin\beta)</math> 相乘,先用 <math>i^2=-1</math> 展开:实部系数为 <math>\cos\alpha\cos\beta-\sin\alpha\sin\beta</math>,虚部系数为 <math>\sin\alpha\cos\beta+\cos\alpha\sin\beta</math>。由[[三角恒等式|和角公式]],它们正是 <math>\cos(\alpha+\beta)</math> 与 <math>\sin(\alpha+\beta)</math>,所以
<math display="block">z_1z_2=r_1r_2[\cos(\alpha+\beta)+i\sin(\alpha+\beta)].</math>
<math display="block">z_1z_2=r_1r_2[\cos(\alpha+\beta)+i\sin(\alpha+\beta)].</math>

2026年10月9日 (五) 11:15的最新版本

复平面上的非零点可以用“离原点多远”和“从正实轴转了多少角”来定位。若 z=a+bi≠0,令 r=|z|=a2+b2>0,取一个从正实轴到 (a,b) 的角 θ,就有 a=rcos⁡θ、b=rsin⁡θ。于是 z=r(cos⁡θ+isin⁡θ). 这叫复数的三角表示。r 唯一,幅角 θ 只在相差整数个 2π 的意义下确定;零复数没有确定幅角。

从坐标读出正确象限

取 z=3+i,模为 2,点在第一象限,故可取 θ=π/6: z=2(cos⁡π6+isin⁡π6). 若改为 −1+i,模为 2,点在第二象限,可取幅角 3π/4。只计算 arctan⁡(b/a)=arctan⁡(−1)=−π/4 会落到第四象限;反正切值还要结合两坐标的符号判断。复数的坐标与幅角应能在同一图上互相核对。

复数根号三加i的点位于第一象限,半径二与正实轴夹角三十度,并标出水平根号三和竖直一
横纵分量分别是 rcos⁡θ 与 rsin⁡θ。

复数乘法与幅角相加

把 z1=r1(cos⁡α+isin⁡α) 与 z2=r2(cos⁡β+isin⁡β) 相乘,先用 i2=−1 展开:实部系数为 cos⁡αcos⁡β−sin⁡αsin⁡β,虚部系数为 sin⁡αcos⁡β+cos⁡αsin⁡β。由和角公式,它们正是 cos⁡(α+β) 与 sin⁡(α+β),所以 z1z2=r1r2[cos⁡(α+β)+isin⁡(α+β)]. 这既解释了模相乘,也解释了方向相加。对 z2≠0,除法相应地把模相除、把幅角相减;它是“乘以逆数”,不是把角度直接除以角度。

以前面的 z=3+i 为例,平方的模是 22=4,幅角是 π/3,所以 z2=4(1/2+i3/2)=2+23i。直角形式也给出 (3+i)2=3+23i−1=2+23i,两条路线一致。重复相乘可归纳出 zn=rn(cos⁡nθ+isin⁡nθ)(正整数 n);负整数幂还需 z≠0。

练习:z=2i 的模与一个幅角分别是多少?点为 (0,2),模 2、幅角 π/2;同一数也可取 π/2+2kπ,k∈ℤ。

参考资料