3.3 Potenser och rötter
Sommarmatte 2
(Skillnad mellan versioner)
| Versionen från 27 juni 2007 kl. 14.09 (redigera) KTH.SE:u1rp004j (Diskussion | bidrag) (→Exponentialform av komplexa tal) ← Gå till föregående ändring |
Versionen från 3 juli 2007 kl. 14.19 (redigera) (ogör) KTH.SE:u1tyze7e (Diskussion | bidrag) (Korrekturläst) Gå till nästa ändring → |
||
| Rad 4: | Rad 4: | ||
| {{Info| | {{Info| | ||
| '''Innehåll:''' | '''Innehåll:''' | ||
| - | * de Moviers formel | + | * de Moivres formel |
| * Binomiska ekvationer | * Binomiska ekvationer | ||
| * Exponentialform | * Exponentialform | ||
| Rad 14: | Rad 14: | ||
| {{Info| | {{Info| | ||
| - | '''Färdigheter:''' | + | '''Lärandemål:''' |
| Efter detta avsnitt ska du ha lärt dig att: | Efter detta avsnitt ska du ha lärt dig att: | ||
| - | * Beräkna potenser av komplexa tal med de Moviers formel | + | * Beräkna potenser av komplexa tal med de Moivres formel. |
| - | * Beräkna rötter av vissa komplexa tal genom omskrivning till polär form | + | * Beräkna rötter av vissa komplexa tal genom omskrivning till polär form. |
| - | * Lösa binomiska ekvationer | + | * Lösa binomiska ekvationer. |
| - | * Kvadratkomplettera komplexa andragradsuttryck | + | * Kvadratkomplettera komplexa andragradsuttryck. |
| - | * Lösa komplexa andragradsekvationer | + | * Lösa komplexa andragradsekvationer. |
| }} | }} | ||
| Rad 37: | Rad 37: | ||
| <!-- huvudtexten --> | <!-- huvudtexten --> | ||
| - | =Teori= | ||
| ==De Moivres formel== | ==De Moivres formel== | ||
| - | Att $\quad \cases {\arg (zw) = \arg z + \arg w \cr |zw| = |z|\cdot|w|} \;$ betyder också att | + | Räknereglerna $\ \arg (zw) = \arg z + \arg w\ $ och $\ |\,zw\,| = |\,z\,|\cdot|\,w\,|\ $ betyder att |
| + | $$\biggl\{\eqalign{&\arg (z\cdot z) = \arg z + \arg z \cr &|\,z\cdot z\,| = |\,z\,|\cdot|\,z\,|}\qquad\biggl\{\eqalign{&\arg z^3 = 3 \arg z \cr &|\,z^3\,| = |\,z\,|^3}\qquad\text{o.s.v.}$$ | ||
| + | För ett godtyckligt tal $\,z=r\,(\cos \alpha +i\,\sin \alpha)\,$ har vi därför följande samband | ||
| - | $\quad \quad \cases {\arg (z\cdot z) = \arg z + \arg z \cr |z\cdot z| = |z|\cdot|z|}\;$ och $\;\cases {\arg z^3 = 3 \arg z \cr |z^3| = |z|^3}\;$ , etc. | + | $$z^n = \bigl(r\,(\cos \alpha +i\sin \alpha)\bigr)^n = r^n\,(\cos n\alpha +i\,\sin n\alpha)\,\mbox{.}$$ |
| - | + | ||
| - | + | ||
| - | För ett godtyckligt tal $z=r(\cos \alpha +i\sin \alpha)$ har vi därmed följande samband: | + | |
| - | + | ||
| - | $$z^n = (r(\cos \alpha +i\sin \alpha))^n = r^n(\cos n\alpha +i\sin n\alpha)$$ | + | |
| - | Om $|z|=1$ , (dvs. $z$ ligger på enhetscirkeln) gäller speciellt | + | Om $\,|\,z\,|=1\,$, (dvs. $\,z\,$ ligger på enhetscirkeln) gäller speciellt |
| - | $$(\cos \alpha +i\sin \alpha)^n = \cos n\alpha +i\sin n\alpha$$ | + | <div class="regel"> |
| - | + | $$(\cos \alpha +i\,\sin \alpha)^n = \cos n\alpha +i\,\sin n\alpha\,\mbox{,}$$ | |
| + | </div> | ||
| vilket brukar kallas ''de Moivres formel''. Denna relation är mycket användbar när det gäller att härleda trigonometriska identiteter och beräkna rötter och potenser av komplexa tal. | vilket brukar kallas ''de Moivres formel''. Denna relation är mycket användbar när det gäller att härleda trigonometriska identiteter och beräkna rötter och potenser av komplexa tal. | ||
| - | <div class="regel"> | ||
| - | '''de Moivres formel:''' | ||
| - | $$(\cos \alpha +i\sin \alpha)^n = \cos n\alpha +i\sin n\alpha$$ | ||
| - | </div> | ||
| <div class="exempel"> | <div class="exempel"> | ||
| '''Exempel 1''' | '''Exempel 1''' | ||
| - | + | <br/> | |
| - | $z=\displaystyle\frac{1+i}{\sqrt2}$ . Beräkna $z^3$ och $z^{100}$. | + | <br/> |
| - | + | Om $\ z=\displaystyle\frac{1+i}{\sqrt2}\,$, beräkna $\,z^3\,$ och $\,z^{100}\,$. | |
| - | + | <br/> | |
| - | ''Lösning:'' | + | <br/> |
| - | + | Skriver vi $\,z\,$ i polär form $\ \ \displaystyle z= \frac{1}{\sqrt2} + \frac{i}{\sqrt2} = 1\cdot \Bigl(\cos \frac{\pi}{4} + i\sin \frac{\pi}{4}\Bigr)\ \ $ så ger de Moivres formel oss att | |
| - | $z= \displaystyle\frac{1}{\sqrt2} + \displaystyle\frac{1}{\sqrt2}i = 1\cdot (\cos \displaystyle\frac{\pi}{4} + i\sin \displaystyle\frac{\pi}{4})$ | + | $$\eqalign{z^3 &= \Bigl( \cos\frac{\pi}{4} + i\,\sin\frac{\pi}{4}\,\Bigr)^3 = \cos\frac{3\pi}{4} + i\,\sin\frac{3\pi}{4} = -\frac{1}{\sqrt2} + \frac{1}{\sqrt2}\,i = \frac{-1+i}{\sqrt2}\,\mbox{,}\cr z^{100} &= \Bigl( \cos\frac{\pi}{4} + i\,\sin\frac{\pi}{4}\,\Bigr)^{100} = \cos\frac{100\pi}{4} + i\,\sin\frac{100\pi}{4}\vphantom{\Biggl(}\cr &= \cos 25\pi + i\,\sin 25\pi = \cos \pi + i\,\sin \pi = -1\,\mbox{.}}$$ |
| - | + | ||
| - | $z^3 = \left( \cos \displaystyle\frac{\pi}{4} + i\sin \displaystyle\frac{\pi}{4} \right)^3 = \cos \displaystyle\frac{3\pi}{4} + i\sin \displaystyle\frac{3\pi}{4} = -\displaystyle\frac{1}{\sqrt2} + \displaystyle\frac{1}{\sqrt2}i = \displaystyle\frac{-1+i}{\sqrt2}$ | + | |
| - | + | ||
| - | $z^{100} = \left( \cos \displaystyle\frac{\pi}{4} + i\sin \displaystyle\frac{\pi}{4} \right)^{100} = \cos \displaystyle\frac{100\pi}{4} + i\sin \displaystyle\frac{100\pi}{4} = \cos 25\pi + i\sin 25\pi = \cos \pi + i \sin \pi = -1$ | + | |
| </div> | </div> | ||
| Rad 77: | Rad 66: | ||
| <div class="exempel"> | <div class="exempel"> | ||
| '''Exempel 2''' | '''Exempel 2''' | ||
| - | + | <br/> | |
| - | På traditionellt sätt kan man utveckla | + | <br/> |
| - | + | På traditionellt sätt kan man med kvadreringsregeln utveckla | |
| - | $ \;(\cos v + i \sin v)^2 = \cos^2 v + i^2 \sin^2 v + 2i \sin v \cos v = \cos^2 v - \sin^2 v + 2i \sin v \cos v$ | + | $$(\cos v + i\,\sin v)^2 = \cos^2\!v + i^2 \sin^2\!v + 2i \sin v \cos v = \cos^2\!v - \sin^2\!v + 2i \sin v \cos v$$ |
| - | + | och med de Moivres formel få att | |
| - | och med de Moivres formel: | + | $$(\cos v + i \sin v)^2 = \cos 2v + i \sin 2v\,\mbox{.}$$ |
| - | + | ||
| - | $(\cos v + i \sin v)^2 = \cos 2v + i \sin 2v$ | + | |
| - | + | ||
| Om man identifierar real- respektive imaginärdel i de båda uttrycken får man de kända trigonometriska formlerna | Om man identifierar real- respektive imaginärdel i de båda uttrycken får man de kända trigonometriska formlerna | ||
| - | + | $$\biggl\{\eqalign{\cos 2v &= \cos^2\!v - \sin^2\!v\,\mbox{,}\cr \sin 2v&= 2 \sin v \cos v\,\mbox{.}}$$ | |
| - | $\quad \cases {\cos 2v = \cos^2 v - \sin^2 v \cr \sin 2v= 2 \sin v \cos v} \;$ | + | |
| </div> | </div> | ||
| Rad 94: | Rad 79: | ||
| <div class="exempel"> | <div class="exempel"> | ||
| '''Exempel 3''' | '''Exempel 3''' | ||
| - | + | <br/> | |
| - | Beräkna $\displaystyle\frac{(\sqrt3 + i)^{14}}{(1+i\sqrt3)^7(1+i)^{10}}$ . | + | <br/> |
| - | + | Beräkna $\ \displaystyle\frac{(\sqrt3 + i)^{14}}{(1+i\sqrt3\,)^7(1+i)^{10}}\,$. | |
| - | ''Lösning:'' | + | <br/> |
| - | + | <br/> | |
| - | $\sqrt3 + i = 2(\cos \displaystyle\frac{\pi}{6} + i \sin \displaystyle\frac{\pi}{6})$ | + | Vi skriver talen $\,\sqrt{3}+i\,$, $\,1+i\sqrt{3}\,$ och $\,1+i\,$ i polär form |
| - | + | *$\quad\displaystyle\sqrt3 + i = 2\Bigl(\cos\frac{\pi}{6} + i\,\sin\frac{\pi}{6}\,\Bigr)\vphantom{\biggl(}\,$, | |
| - | $1+i\sqrt3 = 2(\cos \displaystyle\frac{\pi}{3} + i \displaystyle\frac{\pi}{3})$ | + | *$\quad\displaystyle 1+i\sqrt3 = 2\Bigl(\cos\frac{\pi}{3} + i\,\sin\frac{\pi}{3}\,\Bigr)\vphantom{\biggl(}\,$, |
| - | + | *$\quad\displaystyle 1+i = \sqrt2\,\Bigl(\cos\frac{\pi}{4} + i\,\sin\frac{\pi}{4}\,\Bigr)\vphantom{\biggl(}\,$. | |
| - | $1+i = \sqrt2 (\cos \displaystyle\frac{\pi}{4} + i \sin \displaystyle\frac{\pi}{4})$ | + | Då får vi med de Moivres formel att |
| - | + | $$\frac{(\sqrt3 + i)^{14}}{(1+i\sqrt3\,)^7(1+i)^{10}} = \frac{\displaystyle 2^{14}\Bigl(\cos\frac{14\pi}{6} + i\,\sin \frac{14\pi}{6}\,\Bigr)\vphantom{\biggl(}}{\displaystyle 2^7\Bigl(\cos \frac{7\pi}{3} + i\,\sin\frac{7\pi}{3}\,\Bigr) \cdot (\sqrt{2}\,)^{10}\Bigl(\cos\frac{10\pi}{4} + i\,\sin\frac{10\pi}{4}\,\Bigr)\vphantom{\biggl(}}$$ | |
| - | $\displaystyle\frac{(\sqrt3 + i)^{14}}{(1+i\sqrt3)^7(1+i)^{10}} = \displaystyle\frac{ 2^{14} (\cos \displaystyle\frac{14\pi}{6} + i \sin \displaystyle\frac{14\pi}{6} ) }{ 2^7 ( \cos \displaystyle\frac{7\pi}{3} + i \sin\displaystyle\frac{7\pi}{3}) \cdot \sqrt{2}^{10} (\cos \displaystyle\frac{10\pi}{4} + i\sin \displaystyle\frac{10\pi}{4})}=$ | + | och detta uttryck kan förenklas genom att utföra multiplikationen och divisionen i polär form |
| - | + | $$\eqalign{\frac{\displaystyle 2^{14}\Bigl(\cos\frac{14\pi}{6} + i\,\sin\frac{14\pi}{6}\,\Bigr)\vphantom{\biggl(}} {\displaystyle 2^{12}\Bigl(\cos\frac{29\pi}{6} + i\,\sin\frac{29\pi}{6}\,\Bigr)\vphantom{\biggl(}} &= 2^2 \Bigl(\cos\Bigl( -\frac{15\pi}{6}\,\Bigr) + i\,\sin\Bigl( -\frac{15\pi}{6}\,\Bigr)\,\Bigr)\cr &= 4\Bigl(\cos \Bigl( -\frac{\pi}{2}\,\Bigr) + i\,\sin\Bigl( -\frac{\pi}{2}\,\Bigr)\,\Bigr) = -4i\,\mbox{.}}$$ | |
| - | $= \displaystyle\frac{ 2^{14} (\cos \displaystyle\frac{14\pi}{6} + i \sin \displaystyle\frac{14\pi}{6} ) } { 2^{12} (\cos \displaystyle\frac{29\pi}{6} + i \sin \displaystyle\frac{29\pi}{6} ) } = 2^2 (\cos \left( - \displaystyle\frac{ 15\pi}{6} \right) + i \sin \left( - \displaystyle\frac{ 15\pi}{6} \right)) =$ | + | |
| - | + | ||
| - | $= 4(\cos \left( - \displaystyle\frac{ \pi}{2} \right) + i \sin \left( - \displaystyle\frac{ \pi}{2} \right)) = -4i $ | + | |
| </div> | </div> | ||
| ==Binomiska ekvationer== | ==Binomiska ekvationer== | ||
| - | Ett komplext tal $z$ kallas en $n$:te rot av det komplexa talet $w$ om | + | Ett komplext tal $\,z\,$ kallas en ''n'':te rot av det komplexa talet $\,w\,$ om |
| <div class="regel"> | <div class="regel"> | ||
| $$z^n= w \mbox{.}$$ | $$z^n= w \mbox{.}$$ | ||
| </div> | </div> | ||
| - | En sådan ekvation kallas en ''binomisk ekvation''. Lösningen till en sådan ges av att skriva båda leden på polär form och jämföra belopp och argument. | + | Ovanstående samband kan också ses som en ekvation där $\,z\,$ är den obekante, och en sådan ekvation kallas en ''binomisk ekvation''. Lösningarna ges av att skriva båda leden i polär form och jämföra belopp och argument. |
| - | För ett givet tal $w=|w|(\cos \theta + i \sin \theta)$ ansätter man det sökta talet $z=r(\cos \alpha + i \sin \alpha)$ och får $z^n = r^n (\cos n\alpha + i \sin n\alpha)$. Den binomiska ekvationen blir | + | För ett givet tal $\,w=|\,w\,|\,(\cos \theta + i\,\sin \theta)\,$ ansätter man det sökta talet $\,z=r\,(\cos \alpha + i\, \sin \alpha)$ och den binomiska ekvationen blir |
| - | $$r^n (\cos n\alpha + i \sin n\alpha) =|w|(\cos \theta + i \sin \theta)$$ | + | $$r^{\,n}\,(\cos n\alpha + i \sin n\alpha) =|w|\,(\cos \theta + i \sin \theta)\,\mbox{,}$$ |
| - | För belopp och argument måste nu gälla: | + | där de Moivres formel använts i vänsterledet. För belopp och argument måste nu gälla |
| + | $$\biggl\{\eqalign{r^{\,n} &= |w|\,\mbox{,}\cr n\alpha &= \theta + k\cdot 2\pi\,\mbox{.}}$$ | ||
| + | Observera att vi lägger till en multipler av $\,2\pi\,$ för att få med alla värden på argumentet som anger samma riktning som $\,\theta\,$. Man får då att | ||
| + | $$\biggl\{\eqalign{ r&={\textstyle\sqrt[\scriptstyle n]{|w|}}\cr \alpha&= (\theta + 2k\pi)/n\,, \quad k=0, \pm 1, \pm 2, \ldots}$$ | ||
| + | Detta ger ''ett'' värde på $\,r\,$, men oändligt många värden på $\,\alpha\,$. Trots detta blir det inte oändligt många lösningar. Från $\,k = 0\,$ till $\,k = n - 1\,$ får man olika argument för $\,z\,$ och därmed olika lägen för $\,z\,$ i det komplexa talplanet. För övriga värden på $\,k\,$ kommer man pga. periodiciteten hos sinus och cosinus tillbaka till dessa lägen och får alltså inga nya lösningar. | ||
| + | Detta resonemang visar att ekvationen $\,z^n=w\,$ har exakt $\,n\,$ rötter. | ||
| - | $$\cases {r^n = |w| \cr n\alpha = \theta + k\cdot 2\pi}$$ | + | ''Anm.'' Observera att rötternas olika argument ligger $\,2\pi/n\,$ ifrån varandra, vilket gör att rötterna ligger jämnt fördelade på en cirkel med radien $\,\sqrt[\scriptstyle n]{|w|}\,$ och bildar hörn i en regelbunden ''n''-hörning. |
| - | (Observera perioden $2\pi$ , eftersom $\sin(\theta + k\cdot 2\pi) = \sin \theta$ och $\cos(\theta + k\cdot 2\pi) = \cos \theta$ för alla heltal $k$) | + | |
| - | Man får då att $\quad \quad \quad \cases { r=\sqrt[\scriptstyle n]{|w|} \cr n\alpha= \displaystyle\frac{\theta}{n} + k \cdot \displaystyle\frac{2\pi}{n} \quad , \quad k=0, \pm 1, \pm 2, \ldots}$ | ||
| - | |||
| - | |||
| - | Det ger ''ett'' värde på $r$, men oändligt många värden på $\alpha$. Trots detta blir det inte oändligt många lösningar. Från $k = 0$ till $k = n - 1$ får man olika argument för $z$ och därmed olika lägen för $z$ i det komplexa talplanet. För övriga värden på $k$ kommer man pga. periodiciteten hos sinus och cosinus tillbaka till dessa lägen och får alltså inga nya lösningar. | ||
| - | Detta resonemang visar att ekvationen $z^n=w$ har exakt $n$ rötter. | ||
| - | |||
| - | Anm: | ||
| - | |||
| - | Observera att rötternas olika argument ligger $\frac{2\pi}{n}$ ifrån varandra, vilket gör att rötterna ligger jämnt fördelade på en cirkel med radien $\sqrt[\scriptstyle n]{|w|}$ och bildar hörn i en regelbunden $n$-hörning. | ||
| <div class="exempel"> | <div class="exempel"> | ||
| '''Exempel 4''' | '''Exempel 4''' | ||
| - | + | <br/> | |
| - | Lös ekvationen $z^4= 16i$. | + | <br/> |
| - | + | Lös den binomiska ekvationen $\ z^4= 16\,i\,$. | |
| - | + | <br/> | |
| - | ''Lösningen:'' | + | <br/> |
| - | + | Skriv $\,z\,$ och $\,16\,i\,$ i polär form | |
| - | Sätt $z=r(\cos \alpha + i \sin \alpha) \quad , \quad 16i= 16(\cos \displaystyle\frac{\pi}{2} + i\sin \displaystyle\frac{\pi}{2})$. | + | *$\quad z=r\,(\cos \alpha + i\,\sin \alpha)\,$, |
| - | + | *$\quad\displaystyle 16\,i= 16\Bigl(\cos\frac{\pi}{2} + i\,\sin\frac{\pi}{2}\,\Bigr)\vphantom{\biggl(}$. | |
| - | $z^4 = 16i \quad \rightarrow \quad r^4(\cos 4\alpha + i \sin 4\alpha) = 16(\cos\displaystyle\frac{\pi}{2} + i\sin \displaystyle\frac{\pi}{2})$ | + | Då ger ekvationen $\ z^4=16\,i\ $ att |
| - | + | $$r^4\,(\cos 4\alpha + i\,\sin 4\alpha) = 16\Bigl(\cos\frac{\pi}{2} + i\sin\frac{\pi}{2}\,\Bigr)\,\mbox{.}$$ | |
| - | $\rightarrow \quad \cases {r^4=16 \cr 4\alpha = \displaystyle\frac{\pi}{2} + k\cdot 2\pi} \quad \rightarrow \quad \cases {r=\sqrt[\scriptstyle 4]{16}= 2 \cr \alpha = \displaystyle\frac{\pi}{8} + k\cdot \displaystyle\frac{\pi}{2} \quad , \quad k=0,1,2,3}$ | + | När vi identifierar belopp och argument i båda led fås att |
| - | + | $$\biggl\{\eqalign{r^4&=16 \cr 4\alpha &=\pi/2 + k\cdot 2\pi}\qquad\text{d.v.s.}\qquad\biggl\{\eqalign{r&=\sqrt[\scriptstyle 4]{16}= 2 \cr \alpha &= \pi/8 + k\pi/2\,,\quad k=0,1,2,3}$$ | |
| - | + | ||
| [[Bild:komplext-talplan-16.gif|right|250px]] | [[Bild:komplext-talplan-16.gif|right|250px]] | ||
| - | + | Lösningarna till ekvationen är alltså | |
| - | + | $$\left\{\eqalign{\displaystyle z_1&= 2\Bigl(\cos \frac{\pi}{8} + i\,\sin\frac{\pi}{8}\,\Bigr)\cr | |
| - | $\rightarrow \cases{ z_1= 2(\cos \displaystyle\frac{\pi}{8} + i \sin \displaystyle\frac{\pi}{8}) \cr | + | \displaystyle z_2 &= 2\Bigl(\cos\frac{5\pi}{8} + i\,\sin\frac{5\pi}{8}\,\Bigr)\vphantom{\biggl(}\cr |
| - | z_2 = 2(\cos\displaystyle\frac{5\pi}{8} + i\sin \displaystyle\frac{5\pi}{8}) \cr | + | \displaystyle z_3 &= 2\Bigl(\cos\frac{9\pi}{8} + i\,\sin\frac{9\pi}{8}\,\Bigr)\vphantom{\biggl(}\cr |
| - | z_3 = 2(\cos\displaystyle\frac{9\pi}{8} + i\sin \displaystyle\frac{9\pi}{8}) \cr | + | \displaystyle z_4 &= 2\Bigl(\cos\frac{13\pi}{8} + i\,\sin\frac{13\pi}{8}\,\Bigr)}\right.$$ |
| - | z_4= 2(\cos\displaystyle\frac{13\pi}{8} + i\sin \displaystyle\frac{13\pi}{8}) }$ | + | |
| - | + | ||
| - | + | ||
| Rad 171: | Rad 144: | ||
| ==Exponentialform av komplexa tal== | ==Exponentialform av komplexa tal== | ||
| - | Om vi behandlar $i$ likvärdigt med ett reellt tal och betraktar ett komplext tal $z$ som en funktion av $\alpha$ ($r$ konstant) , | + | Om vi behandlar $\,i\,$ likvärdigt med ett reellt tal och betraktar ett komplext tal $\,z\,$ som en funktion av $\,\alpha\,$ (och $\,r\,$ är en konstant), |
| - | $$f(\alpha) = r(\cos \alpha + i \sin \alpha)$$ | + | $$f(\alpha) = r\,(\cos \alpha + i\,\sin \alpha)$$ |
| - | + | ||
| så får vi efter derivering | så får vi efter derivering | ||
| - | $\quad f'(\alpha) = -r\sin \alpha + ri \cos \alpha =ri^2 \sin \alpha + ri \cos \alpha = ir (\cos \alpha + i \sin \alpha) = i \cdot f(\alpha)$ | + | $$\eqalign{f^{\,\prime}(\alpha) &= -r\sin \alpha + r\,i\,\cos \alpha =r\,i^2 \sin \alpha + r\,i\,\cos \alpha = i\,r\,(\cos \alpha + i\,\sin \alpha) = i\,f(\alpha)\cr f^{\,\prime\prime} (\alpha) &= - r\,\cos \alpha - r\,i\,\sin \alpha = i^2\,r\,(\cos \alpha + i\,\sin \alpha) = i^2\, f(\alpha)\cr &\text{o.s.v.}}$$ |
| - | $\quad f^{\prime \prime} (\alpha) = - r \cos \alpha - ri \sin \alpha = i^2 r(\cos \alpha + i \sin \alpha) = i^2 \cdot f(\alpha)$ | + | Den enda reella funktion med dessa egenskaper är $\,f(x)= e^{\,kx}\,$, vilket motiverar definitionen |
| - | + | ||
| - | etc. | + | |
| - | Den enda reella funktion med dessa egenskaper är $f(x)= e^{kx}$ , vilket motiverar definitionen | + | $$e^{\,i\alpha} = \cos \alpha + i\,\sin \alpha\,\mbox{.}$$ |
| - | + | ||
| - | $$e^{i\alpha} = \cos \alpha + i \sin \alpha$$ | + | |
| - | Denna definition visar sig vara en helt naturlig generalisering av exponentialfunktionen för reella tal. Om man sätter $z=a+bi$ så får man | + | Denna definition visar sig vara en helt naturlig generalisering av exponentialfunktionen för reella tal. Om man sätter $\,z=a+ib\,$ så får man |
| - | $$e^z = e^{a+bi} = e^a \cdot e^{bi} = e^a(\cos b + i \sin b)$$ | + | $$e^{\,z} = e^{\,a+ib} = e^{\,a} \cdot e^{\,ib} = e^{\,a}(\cos b + i\,\sin b)\,\mbox{.}$$ |
| - | Definitionen av $e^z$ kan uppfattas som ett bekvämt skrivsätt för den polära formen av ett komplext tal, eftersom $z=r(\cos \alpha + i \sin \alpha) = re^{ia}$ . | + | Definitionen av $\,e^{\,z}\,$ kan uppfattas som ett bekvämt skrivsätt för den polära formen av ett komplext tal, eftersom $\,z=r\,(\cos \alpha + i\,\sin \alpha) = r\,e^{\,i\alpha}\,$. |
| <div class="exempel"> | <div class="exempel"> | ||
| '''Exempel 5''' | '''Exempel 5''' | ||
| - | + | <br/> | |
| - | För ett reellt tal $z$ överensstämmer definitionen med den reella exponentialfunktionen, eftersom $z=a +0 \cdot i$ ger | + | <br/> |
| - | $$e^z = e^{a+0\cdot i} = e^a (\cos 0 + i \sin 0) = e^a \cdot 1 = e^a$$ | + | För ett reellt tal $\,z\,$ överensstämmer definitionen med den reella exponentialfunktionen, eftersom $\,z=a +0 \cdot i\,$ ger att |
| + | $$e^{\,z} = e^{\,a+0\cdot i} = e^a (\cos 0 + i \sin 0) = e^a \cdot 1 = e^a\,\mbox{.}$$ | ||
| </div> | </div> | ||
| <div class="exempel"> | <div class="exempel"> | ||
| '''Exempel 6''' | '''Exempel 6''' | ||
| - | + | <br/> | |
| + | <br/> | ||
| Ytterligare en indikation på det naturliga i ovanstående definition ges av sambandet | Ytterligare en indikation på det naturliga i ovanstående definition ges av sambandet | ||
| - | + | $$\bigl(e^{\,i\alpha}\bigr)^n = (\cos \alpha + i \sin \alpha)^n = \cos n\alpha + i \sin n \alpha = e^{\,in\alpha}\,\mbox{,}$$ | |
| - | $$\left(e^{i\alpha}\right)^n = (\cos \alpha + i \sin \alpha)^n = \cos n\alpha + i \sin n \alpha = e^{in\alpha}$$ | + | |
| - | + | ||
| vilket visar att de Moivres formel egentligen är identisk med en redan känd potenslag, | vilket visar att de Moivres formel egentligen är identisk med en redan känd potenslag, | ||
| - | + | $$\left(a^x\right)^y = a^{x\,y}\,\mbox{.}$$ | |
| - | $\left(a^x\right)^y = a^{xy}$. | + | |
| </div> | </div> | ||
| Rad 214: | Rad 181: | ||
| <div class="exempel"> | <div class="exempel"> | ||
| '''Exempel 7''' | '''Exempel 7''' | ||
| - | + | <br/> | |
| + | <br/> | ||
| Ur definitionen ovan kan man erhålla sambandet | Ur definitionen ovan kan man erhålla sambandet | ||
| - | $$e^{\pi i} = \cos \pi + i \sin \pi = -1$$ | + | $$e^{\pi\,i} = \cos \pi + i \sin \pi = -1$$ |
| - | + | vilket knyter samman de tal som brukar räknas som de mest grundläggande inom matematiken: $\,e\,$, $\,\pi\,$, $\,i\,$ och 1. | |
| - | vilket knyter samman de tal som brukar räknas som de mest grundläggande inom matematiken; $e,\pi , i$ och $1$. | + | |
| Detta samband betraktas av många som det vackraste inom matematiken och upptäcktes av Euler i början av 1700-talet. | Detta samband betraktas av många som det vackraste inom matematiken och upptäcktes av Euler i början av 1700-talet. | ||
| Rad 225: | Rad 192: | ||
| <div class="exempel"> | <div class="exempel"> | ||
| '''Exempel 8''' | '''Exempel 8''' | ||
| + | <br/> | ||
| + | <br/> | ||
| + | Lös ekvationen $\ (z+i)^3 = -8i$. | ||
| + | <br/> | ||
| + | <br/> | ||
| + | Sätt $\,w = z + i\,$. Vi får då den binomiska ekvationen $\ w^3=-8i\,$. Till att börja med skriver vi om $\,w\,$ och $\,-8i\,$ i polär form | ||
| + | *$\quad w=r\,(\cos \alpha + i\,\sin \alpha) = r\,e^{i\alpha}$ | ||
| + | *$\quad\displaystyle -8i = 8\Bigl(\cos \frac{3\pi}{2} + i\,\sin\frac{3\pi}{2}\,\Bigr) = 8\,e^{3\pi i/2}\vphantom{\biggl(}$ | ||
| + | Ekvationen blir i polär form $\ r^3e^{3\alpha i}=8\,e^{3\pi i/2}\ $ och identifierar vi belopp och argument i båda led har vi att | ||
| + | $$\biggl\{\eqalign{ r^3 &= 8\cr 3\alpha &= 3\pi/2+2k\pi}\qquad\Leftrightarrow\qquad\biggl\{\eqalign{r&=\sqrt[\scriptstyle 3]{8}\cr \alpha&= \pi/2+2k\pi/3\,,\quad k=0,1,2}$$ | ||
| + | Rötterna till ekvationen blir därmed | ||
| + | *$\quad\displaystyle w_1 = 2\,e^{\pi i/2} = 2\Bigl(\cos \frac{\pi}{2} + i\,\sin\frac{\pi}{2}\,\Bigr) = 2i\quad\vphantom{\biggl(}$ d.v.s. $\,z_1 = 2i-i=i\,$. | ||
| + | *$\quad\displaystyle w_2 = 2\,e^{7\pi i/6} = 2\Bigl(\cos\frac{7\pi}{6} + i\,\sin\frac{7\pi}{6}\,\Bigr) = -\sqrt{3}-i\quad\vphantom{\Biggl(}$ d.v.s. $\,z_2 = - \sqrt{3}-2i\,$. | ||
| + | *$\quad\displaystyle w_3 = 2\,e^{11\pi i/6} = 2\Bigl(\cos\frac{11\pi}{6} + i\,\sin\frac{11\pi}{6}\,\Bigr) = \sqrt{3}-i\quad\vphantom{\biggl(}$ d.v.s. $\,z_3 = \sqrt{3}-2i\,$. | ||
| - | Lös ekvationen $(z+i)^3 = -8i$. | ||
| - | |||
| - | |||
| - | ''Lösning'' | ||
| - | |||
| - | Sätt $w = z + i$ . Man får då ekvationen $w^3=-8i$ . | ||
| - | |||
| - | $\cases{w=r(\cos \alpha + i \sin \alpha) = re^{i\alpha} \rightarrow w^3 = r^3 e^{3\alpha i } \cr -8i = 8(\cos \displaystyle\frac{3\pi}{2} + i \sin \displaystyle\frac{3\pi}{2} ) = 8e^{3\pi/2 \cdot i}}$ | ||
| - | |||
| - | $\rightarrow \cases{ r^3 = 8 \quad \rightarrow \quad r= \sqrt[\scriptstyle 3]{8} = 2 \cr 3\alpha = \displaystyle\frac{3\pi}{2} + k \cdot 2\pi \quad \rightarrow \quad \alpha= \displaystyle\frac{\pi}{2} + k \cdot \displaystyle\frac{2\pi}{3} \; , \; k=0,1,2}$ | ||
| - | |||
| - | $w_1 = 2e^{\pi/2 \cdot i} = 2(\cos \displaystyle\frac{\pi}{2} + i \sin \displaystyle\frac{\pi}{2}) = 2i \quad \rightarrow \quad z_1 = 2i-i=i$ | ||
| - | |||
| - | $w_2 = 2e^{7\pi/6 \cdot i} = 2(\cos \displaystyle\frac{7\pi}{6} + i \sin \displaystyle\frac{7\pi}{6}) = -2\sqrt{3} -2i \quad \rightarrow \quad z_2 = - 2\sqrt{3}-3i$ | ||
| - | |||
| - | $w_3 = 2e^{11\pi/6 \cdot i} = 2(\cos \displaystyle\frac{11\pi}{6} + i \sin \displaystyle\frac{11\pi}{6}) = 2\sqrt{3} -2i \quad \rightarrow \quad z_3 = 2\sqrt{3}-3i$ | ||
| </div> | </div> | ||
| Rad 247: | Rad 212: | ||
| <div class="exempel"> | <div class="exempel"> | ||
| '''Exempel 9''' | '''Exempel 9''' | ||
| + | <br/> | ||
| + | <br/> | ||
| + | Lös ekvationen $\ z^2 = \overline{z}\,$. | ||
| + | <br/> | ||
| + | <br/> | ||
| + | Om $\,z=a+ib\,$ har $\,|\,z\,|=r\,$ och $\,\arg z = \alpha\,$ så gäller att $\,\overline{z}= a-ib\,$ har $\,|\,\overline{z}\,|=r\,$ och $\,\arg \overline{z} = - \alpha\,$. Därför gäller att $\,z=r\,e^{i\alpha}\,$ och $\,\overline{z} = r\,e^{-i\alpha}\,$. Ekvationen kan därmed skrivas | ||
| + | $$(r\,e^{i\alpha})^2 = r\,e^{-i\alpha}\,\qquad\text{eller}\qquad r^2 e^{2i\alpha}= r\,e^{-i\alpha}\,\mbox{,}$$ | ||
| + | vilket är ekvivalent med $\ r\,e^{3i\alpha} = 1\,$, som ger efter identifikation av belopp och argument | ||
| + | $$\biggl\{\eqalign{r&=1\cr 3\alpha &= 0 + 2k\pi}\qquad\Leftrightarrow\qquad\biggl\{\eqalign{r&=1\cr \alpha &= 2k\pi/3\,\mbox{,}\quad k=0,1,2}$$ | ||
| + | Lösningarna är | ||
| + | *$\quad z_1 = e^0 = 1$ | ||
| + | *$\quad\displaystyle z_2 = e^{2\pi i/ 3} = \cos\frac{2\pi}{3} + i\,\sin\frac{2\pi}{3} = -\frac{1}{2} + \frac{\sqrt3}{2}\,i\vphantom{\Biggl(}$ | ||
| + | *$\quad\displaystyle z_3 = e^{4\pi i/ 3} = \cos\frac{4\pi}{3} + i\,\sin\frac{4\pi}{3} = -\frac{1}{2} - \frac{\sqrt3}{2}\,i$ | ||
| - | Lös ekvationen $z^2 = \overline{z}$ . | ||
| - | |||
| - | |||
| - | ''Lösning'' | ||
| - | |||
| - | Om $z=a+bi$ har $|z|=r$ och $\arg z = \alpha$ så gäller att $\overline{z}= a-bi$ har $|\overline{z}|=r$ och $\arg \overline{z} = - \alpha$. | ||
| - | Då gäller att $z=re^{i\alpha}$ och $\overline{z} = re^{i\alpha}$ . Ekvationen kan därför skrivas | ||
| - | |||
| - | $\quad \quad \left(re^{i\alpha}\right)^2 = re^{-i\alpha}$, eller $r^2 e^{2i\alpha}= re^{-i\alpha}$ , vilket är ekvivalent med | ||
| - | |||
| - | $\quad \quad re^{3i\alpha} = 1 \quad$, som ger | ||
| - | |||
| - | $\cases{r=1 \cr 3\alpha = 0 + k \cdot 2\pi \quad \rightarrow \quad \alpha = k \cdot \displaystyle \frac{2\pi}{3} \; , \; k=0,1,2}$ | ||
| - | |||
| - | $z_1 = e^0 = 1$ | ||
| - | |||
| - | $z_2 = e^{2\pi i/ 3} = \cos \displaystyle \frac{2\pi}{3} + i \sin \displaystyle \frac{2\pi}{3} = - \displaystyle \frac{1}{2} + \displaystyle \frac{\sqrt3}{2} i$ | ||
| - | |||
| - | $z_3 = e^{4\pi i/ 3} = \cos \displaystyle \frac{4\pi}{3} + i \sin \displaystyle \frac{4\pi}{3} = - \displaystyle \frac{1}{2} - \displaystyle \frac{\sqrt3}{2} i$ | ||
| </div> | </div> | ||
| - | |||
| - | <div class="inforuta"> | ||
| - | '''Råd för inläsning''' | ||
| - | |||
| - | '''Tänk på att:''' | ||
| - | |||
| - | text | ||
| - | |||
| - | '''Lästips''' | ||
| - | |||
| - | stående | ||
| - | |||
| - | '''Länktips''' | ||
| - | |||
| - | stående | ||
| - | |||
| - | </div> | ||

