I numeri complessi

I numeri complessi

Si chiama unità immaginaria il numero che si indica con il simbolo $i$ e che è caratterizzato dalla relazione $i^2 = -1$.

Un numero immaginario è il prodotto di un numero reale per l’unità immaginaria

La somma di un numero reale con un numero immaginario dà luogo ad un numero complesso; un numero complesso ha quindi la forma $a + ib$.

Le operazioni di addizione, sottrazione e moltiplicazione tra numeri complessi seguono le regole del calcolo algebrico letterale tenendo presente che $i^2 = -1$.

L’operazione di divisione si esegue applicando la proprietà invariantiva, moltiplicando sia il dividendo che il divisore per il complesso coniugato del divisore:

$\dfrac{a + ib}{c + id} = \dfrac{(a + ib)(c - id)}{(c + id)(c - id)} = \dfrac{(a + ib)(c - id)}{c^2 + d^2}$
Mostra grafico della somma

La risoluzione delle equazioni in $\mathbb{C}$

L’unità immaginaria consente di calcolare le radici quadrate dei numeri negativi: ad esempio $\sqrt{-4} = \pm 2i$

Nell’insieme dei numeri complessi un’equazione di grado $n$ ammette sempre $n$ soluzioni, se ciascuna viene contanta con la sua molteplicità. In particolare, un’equazione di secondo grado ammette sempre 2 soluzioni che sono: * reali e distinte se $\Delta > 0$ * reali e coincidenti se $\Delta = 0$ * complesse e coniugate se $\Delta < 0$

Si può inoltre affermare che un’equazione di grado dispari ammette sempre almeno una soluzione reale.

Il piano di Gauss

Un numero complesso $z = a + ib$ si può rappresentare graficamente nel piano di Gauss riportando la parte reale $a$ sull’asse delle ascisse (asse reale) e il coefficiente $b$ della parte immaginaria sull’asse delle ordinate (asse immaginario).

Ad ogni numero complesso $z$ si può quindi associare un punto $P$ di coordinate $(a, \space b)$ o anche un vettore $v$ di componenti $(a, \space b)$.

§IMMAGINE§

La forma trigonometrica e le operazioni

Ad ogni numero complesso $z = a + ib$ si può associare una forma trigonometrica:

$z = \rho (\cos \vartheta + i \sin \vartheta)$ con $0 \leq \vartheta \leq 2 \pi$

dove $\rho$ rappresenta il modulo del numero complesso e $\vartheta$ la sua anomalia.

Fra i numeri $a$ e $b$ della forma algebrica e quelli $\rho$ e $\vartheta$ della forma trigonometrica sussistono le seguenti realzioni: * $a$ e $b$ in funzione di $\rho$ e $\vartheta$:

$\begin{cases} a = \rho \cos \vartheta \\ b = \rho \sin \vartheta \end{cases}$
  • $\rho$ e $\vartheta$ in funzione di $a$ e $b$:
$\rho = \sqrt{a^2 + b^2} \quad \cos \vartheta = \dfrac{a}{\rho} \quad \sin \vartheta \dfrac{b}{\rho} \quad \tan \vartheta \dfrac{b}{a}$

Le operazioni di moltiplicazione, divisione e potenza si possono eseguire in modo semplice mediante la forma trigonometrica; dati due numeri complessi $z_1 = \rho_1 (\cos \vartheta_1 + i \sin \vartheta_1)$ e $z_2 = \rho_2 (\cos \vartheta_2 + i \sin \vartheta_2)$ si procede in questo modo: * prodotto: si moltiplicano i moduli e si sommano le anomalie: $z_1 \cdot z_2 = \rho_1 \cdot \rho_1[cos(\vartheta_1 + \vartheta_2) i \sin (\vartheta_1 + \vartheta_2)]$ * quoziente: si dividono i moduli e si sottraggono le anomalie: $\dfrac{z_1}{z_2} = \dfrac{\rho_1}{\rho_2} [\cos (\vartheta_1 - \vartheta_2) + i \sin (\vartheta_1 - \vartheta_2)]$ * potenza $n$-esima: si eleva a potenza $n$ il modulo $\rho$ e si moltiplica per $n$ l’anomalia $\vartheta$: $z^n = \rho^2 (\cos n \vartheta + i \sin n \vartheta)$ (formula di De Moivre)

Mostra grafico del prodotto

Le radici $n$-esime di un numero complesso

Ogni numero complesso $z = (\rho, \space \vartheta)$ ha $n$ radici $n$-esime che si esprimono con la formula:

$\omega_k = \sqrt[n]{\rho} \left [ \cos \left ( \dfrac{\vartheta}{n} + \dfrac{2k \pi}{n} \right ) + i \sin \left ( \dfrac{\vartheta}{n} + \dfrac{2k \pi}{n} \right ) \right ] \space k = 0, 1, ..., n - 1$

Attraverso il calcolo delle radici $n$-esime di un numero complesso si possono trovare le $n$ soluzioni di equazione algebrica di grado $n$.

La forma esponenziale

Posto $e^{i \vartheta} \cos \vartheta + i \sin \vartheta$, un numero complesso ha anche una forma esponenziale: $z = \rho \cdot e^{i \vartheta}$

Per eseguire prodotti, quozienti e potenze di numeri complessi in forma esponenziale, si applicano le proprietà delle potenze; dati $z_1 = \rho_1 \cdot e^{i \vartheta_1}$ e $z_2 = \rho_2 \cdot e^{i \vartheta_2}$ si ha che:

  • prodotto $z_1 \cdot z_2 = \rho_1 \rho_2 \cdot e^{i (\vartheta_1 + \vartheta_2)}$
  • quoziente $\dfrac{z_1}{z_2} = \dfrac{\rho_1}{\rho_2} \cdot e^{i (\vartheta_1 - \vartheta_2)}$
  • potenza $n$-esima $z^n = \rho^n \cdot e^{i n \vartheta}$

Dalla forma esponenziale di un numero complesso, si ricavano le seguenti formule di Eulero:

$cos \vartheta = \dfrac{e^{i \vartheta} + e^{ -i \vartheta}}{2} \qquad sin \vartheta = \dfrac{e^{i \vartheta} - e^{ -i \vartheta}}{2i}$