Комплексні числа: задачі з покроковими розв’язками

Безкоштовні задачі з теми Комплексні числа з рисунками, підказками й повними розв’язками. Щоразу нові значення, трьох рівнів: арифметика в алгебраїчній формі, полярна та показникова форми, Формула Муавра, корені та рівняння.

Безкоштовна задачаЛегка
ReIm22−2−244−4−466−6−6z₁z₂

Для z₁ = 1 + j4 і z₂ = 5 + j6 знайдіть уявну частину w = 2z₁ + 5z̄₂.

z₁ = 1 + j4z₂ = 5 + j6
Наступна задача →

Що ви тренуєте

  1. Легкаарифметика в алгебраїчній формі
  2. Середняполярна та показникова форми
  3. СкладнаФормула Муавра, корені та рівняння

Як розв’язувати задачі на тему «Комплексні числа»

  1. Оберіть форму, що підходить для операції: алгебраїчну a + jb для додавання й віднімання, полярну r∠θ для множення, ділення, степенів і коренів.
  2. Розкривайте дужки з j² = −1; діліть, помноживши чисельник і знаменник на спряжене знаменника.
  3. Перетворюйте за r = √(a² + b²) і θ за ескізом точки (перевірте чверть), а назад — за a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Для степенів користуйтеся формулою Муавра, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; для zⁿ = R∠φ випишіть усі n коренів R1/n∠((φ + 360°k)/n).

Типові помилки

  • Вважати j² рівним +1 під час розкриття дужок.
  • Ділити дійсну й уявну частини окремо.
  • Брати atan(b/a) як аргумент для точки в лівій півплощині.
  • Змішувати градуси й радіани, особливо в ejθ.
  • Давати лише один корінь zⁿ = w або забути взяти корінь n-го степеня з модуля.

Основні формули

Алгебраїчна форма
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
Модуль і аргумент
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
Полярна та показникова форми
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
Ділення
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
Добуток і частка
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
Муавр
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
Корені n-го степеня
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
Квадратне рівняння з p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

Вивчайте тему «Комплексні числа» з нуля

1Що таке комплексне число

Рівняння x² = −1 не має дійсного розв’язку. Інженери додають нове число j із j² = −1. Математики пишуть i; в інженерії використовують j, бо i вже означає струм.

Комплексне число має вигляд z = a + jb. Число a — це дійсна частина, а b — уявна частина: Re(z) = a і Im(z) = b.

Число z можна зобразити як точку (a, b) на комплексній площині (діаграмі Арганда): дійсна частина — вздовж горизонтальної осі, уявна — вздовж вертикальної.

ReImθz = 3 + j2|z|z̄ = 3 − j232

Відстань від початку координат — це модуль |z| = √(a² + b²). Кут від додатної дійсної осі — це аргумент θ. Дзеркальне відображення відносно дійсної осі, z̄ = a − jb, — це спряжене число.

Самоперевірка Чому дорівнює модуль z = 3 − j4?
  1. 25
  2. 5
  3. 7
  4. −1

Відповідь: 5. |z| = √(3² + (−4)²) = √25 = 5. Додавання 3 і 4 дає 7, а якщо забути квадратний корінь, вийде 25.

2Додавання, множення і ділення

Додавайте й віднімайте покомпонентно: (2 + j3) + (1 − j4) = 3 − j.

Множте, розкриваючи дужки й замінюючи j² на −1:

(2 + j3)(1 − j4) = 2 − j8 + j3 − j²12 = 2 + 12 − j5 = 14 − j5

Число, помножене на своє спряжене, завжди дійсне: (a + jb)(a − jb) = a² + b².

Діліть, помноживши чисельник і знаменник на спряжене знаменника. Тоді знаменник стає дійсним числом:

(4 + j2)/(1 + j) = (4 + j2)(1 − j)/((1 + j)(1 − j)) = (6 − j2)/2 = 3 − j
Самоперевірка Чому дорівнює (1 + j)(1 − j)?
  1. 0
  2. 1 − j
  3. 2
  4. 2j

Відповідь: 2. Це число, помножене на своє спряжене: 1² + 1² = 2. Запис 1 − j² як 1 − 1 = 0 забуває, що j² = −1, тож −j² = +1.

3Полярна та показникова форми

Точку можна також задати відстанню та кутом: z = r∠θ, де r = |z| і θ = arg z. Назад до алгебраїчної форми: a = r cos θ і b = r sin θ.

z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ

Остання форма використовує формулу Ейлера ejθ = cos θ + j sin θ. У показниковій формі θ має бути в радіанах.

Стежте за чвертю. Калькулятор дає atan(b/a) між −90° і 90°. Якщо a < 0, точка лежить ліворуч, тож додайте або відніміть 180°.

Приклад: z = −2 + j2. Тоді r = √8 = 2,828. Опорний кут дорівнює atan(2/2) = 45°, а точка лежить у другій чверті, тож θ = 180° − 45° = 135°.

Самоперевірка Чому дорівнює аргумент z = −1 − j між −180° і 180°?
  1. 135°
  2. 45°
  3. −135°
  4. −45°

Відповідь: −135°. Точка лежить у третій чверті. Опорний кут дорівнює 45°, тож θ = −(180° − 45°) = −135°. atan(−1/−1) = 45° вказує на протилежну чверть.

4Множення в полярній формі, степені та корені

У полярній формі множення просте: перемножте модулі й додайте аргументи. Для ділення поділіть модулі й відніміть аргументи.

(r₁∠θ₁)(r₂∠θ₂) = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂)

Повторення цього дає формулу Муавра: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ.

Рівняння zⁿ = R∠φ має рівно n коренів. Усі вони мають модуль R1/n і аргументи (φ + 360°·k)/n для k = 0, 1, …, n − 1.

ReIm2−1 + j1,732−1 − j1,732120°

Для z³ = 8 = 8∠0°: модуль дорівнює 2, а аргументи — 0°, 120° і 240° (тобто −120°). Корені утворюють правильний трикутник на колі.

Квадратне рівняння z² + pz + q = 0 за p² < 4q має комплексні корені −p/2 ± j√(q − p²/4). Дійсні многочлени завжди мають комплексні корені спряженими парами.

5Розв’язаний приклад

Степені чисел на кшталт 1 + j набагато швидше обчислювати в полярній формі, ніж перемножуючи.

Розв’язаний приклад

Обчисліть (1 + j)6 за формулою Муавра.

1

Запишіть 1 + j у полярній формі

r = √(1² + 1²) = √2. Точка лежить у першій чверті, тож θ = atan(1/1) = 45°.

1 + j = √2∠45°
2

Застосуйте формулу Муавра

Піднесіть модуль до степеня 6 і помножте кут на 6.

(√2)6 = 8, 6·45° = 270°
3

Приведіть кут до діапазону

270° — це той самий напрямок, що й −90°.

(1 + j)6 = 8∠−90°
4

Назад до алгебраїчної форми

8(cos(−90°) + j sin(−90°)) = 8(0 − j) = −j8
Відповідь

(1 + j)6 = −j8: дійсна частина 0, уявна частина −8.

6Типові помилки та екзаменаційні запитання

  • Забути, що j² = −1, коли розкриваєте дужки, через що доданок отримує неправильний знак.
  • Ділити покомпонентно: (a + jb)/(c + jd) — це не a/c + jb/d. Використовуйте спряжене.
  • Брати atan(b/a) як аргумент, коли a < 0. Спершу накресліть точку.
  • Використовувати градуси в ejθ або лишати калькулятор у радіанах для r∠θ, заданого в градусах.
  • У формулі Муавра: забути піднести модуль до степеня або дати лише один корінь zⁿ = w.

Легкі запитання стосуються частини добутку, частки чи суми. Середні перетворюють між алгебраїчною, полярною та показниковою формами. Складні використовують формулу Муавра, корені n-го степеня та многочленні рівняння.

Самоперевірка z₁ = 2∠30° і z₂ = 4∠50°. Чому дорівнює z₁·z₂?
  1. 6∠80°
  2. 8∠1500°
  3. 8∠20°
  4. 8∠80°

Відповідь: 8∠80°. Перемножте модулі (2·4 = 8) і додайте аргументи (30° + 50° = 80°). Додавання модулів дає 6, а множення кутів не має сенсу.

Вивчайте крок за кроком у застосункуВивчайте крок за кроком у застосунку

Розв’язані приклади

Приклад 1Легка
ReIm55−5−5z₁z₂

Для z₁ = −7 + j і z₂ = 4 + j2 знайдіть дійсну частину добутку z₁·z₂.

z₁ = −7 + jz₂ = 4 + j2

Знайти: Re(z₁z₂)

Показати підказки
  1. Розкрийте дужки, як у (a + b)(c + d), що дає чотири доданки.
  2. Замініть j² на −1, щоб один із чотирьох доданків став дійсним.
  3. (−7 + j)(4 + j2) = (−28) + j(−14) + j4 + j²·2
Показати відповідь і покроковий розв’язок

Комплексні числа: z = a + jb має дійсну частину a та уявну частину b, де j² = −1 (математики пишуть i). Додавайте й віднімайте покомпонентно; розкрийте дужки й замініть j² на −1; діліть, помноживши чисельник і знаменник на спряжене знаменника, z̄ = a − jb, бо z·z̄ = a² + b² є дійсним. На комплексній площині (діаграмі Арганда) z — це точка (a, b): її відстань від початку координат є модулем |z| = √(a² + b²), а кут від додатної дійсної осі — аргументом θ.

Розкрийте дужки

(−7 + j)(4 + j2) = (−7)·4 + j·(−7)·2 + j·1·4 + j²·1·2

Використайте j² = −1

Re = (−28) − 2 = −30
Im = (−14) + 4 = −10
z₁z₂ = −30 − j10
Re(z₁z₂) = −30

Відповідь

Re(z₁z₂) = −30
Приклад 2Середня
ReIm22−2−244−4−4θz

Запишіть z = 4∠160° в алгебраїчній формі a + jb і дайте уявну частину b.

r = 4θ = 160°

Знайти: b

Показати підказки
  1. a = r·cos θ і b = r·sin θ.
  2. sin(160°) = 0,342
  3. Помножте на r = 4.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

Полярна форма: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, де r = |z| і θ = arg z. Назад до алгебраїчної форми: a = r cos θ, b = r sin θ. Для аргументу потрібна чверть: θ = atan(b/a) лише за a > 0; за a < 0 додайте або відніміть 180°. У полярній формі множення просте: перемножте модулі й додайте аргументи; для ділення поділіть модулі й відніміть аргументи.

Складові

a = 4·cos(160°) = −3,759
b = 4·sin(160°) = 1,368

Алгебраїчна форма

z = −3,759 + j1,368
b = 1,368

Відповідь

b = 1,368
Приклад 3Складна
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁z₂z₃

Корені рівняння zⁿ = w з n = 4 і w = 16∠−60° мають вигляд zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, 2, 3. Знайдіть дійсну частину z₂.

w = 16∠−60°n = 4k = 2

Знайти: Re(z₂)

Показати підказки
  1. Кожен корінь має модуль R1/n = 161/4 = 2.
  2. Аргумент z₂ дорівнює (φ + 360°·k)/n, де φ = −60°, k = 2 і n = 4.
  3. a = R1/n·cos(165°).
Показати відповідь і покроковий розв’язок

Формула Муавра та корені: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. Рівняння zⁿ = R∠φ має рівно n коренів, усі з модулем R1/n, з аргументами (φ + 360°·k)/n для k = 0, 1, …, n − 1: вони лежать рівномірно на колі, на відстані 360°/n один від одного. Квадратне рівняння z² + pz + q = 0 за p² < 4q має комплексні корені z = −p/2 ± j√(q − p²/4); многочлен з дійсними коефіцієнтами завжди має комплексні корені спряженими парами a ± jb.

Модуль коренів

161/4 = 2

Аргумент кореня

θ₂ = (−60° + 360°·2)/4 = 165°

Алгебраїчна форма

z₂ = 2·(cos 165° + j sin 165°) = −1,932 + j0,5176
Re(z₂) = −1,932

Відповідь

Re(z₂) = −1,932

4 коренів лежать на колі радіусом 2 на відстані 90° один від одного.

Запитання й відповіді

Комплексні числа: що це?

Рівняння x² = −1 не має дійсного розв’язку. Інженери додають нове число j із j² = −1. Математики пишуть i; в інженерії використовують j, бо i вже означає струм.

Число z можна зобразити як точку (a, b) на комплексній площині (діаграмі Арганда): дійсна частина — вздовж горизонтальної осі, уявна — вздовж вертикальної.

Комплексні числа: як розв’язувати задачі крок за кроком?
  1. Оберіть форму, що підходить для операції: алгебраїчну a + jb для додавання й віднімання, полярну r∠θ для множення, ділення, степенів і коренів.
  2. Розкривайте дужки з j² = −1; діліть, помноживши чисельник і знаменник на спряжене знаменника.
  3. Перетворюйте за r = √(a² + b²) і θ за ескізом точки (перевірте чверть), а назад — за a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Для степенів користуйтеся формулою Муавра, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; для zⁿ = R∠φ випишіть усі n коренів R1/n∠((φ + 360°k)/n).
Комплексні числа: які помилки найпоширеніші?
  • Вважати j² рівним +1 під час розкриття дужок.
  • Ділити дійсну й уявну частини окремо.
  • Брати atan(b/a) як аргумент для точки в лівій півплощині.
  • Змішувати градуси й радіани, особливо в ejθ.
  • Давати лише один корінь zⁿ = w або забути взяти корінь n-го степеня з модуля.
Комплексні числа: що ви тренуєте?
  • Легка: арифметика в алгебраїчній формі
  • Середня: полярна та показникова форми
  • Складна: Формула Муавра, корені та рівняння

Кожна задача має нові значення, тож ви вивчаєте метод, а не відповідь. Застрягли? Спершу відкрийте невелику підказку, а повне пояснення — лише коли воно знадобиться.

Як проходить тренування

  • Кожна задача має нові значення, тож ви вивчаєте метод, а не відповідь.
  • Застрягли? Спершу відкрийте невелику підказку, а повне пояснення — лише коли воно знадобиться.
  • Ваш прогрес, помилки та збережені задачі зберігаються, тож перед іспитом ви зможете все повторити.

Калькулятори

Курси з цією темою

Інші теми: Математика і статистика

Робочий аркуш для друку