Tema 3.- Números Complejos.

Documentos relacionados
E.T.S.I. Industriales y Telecomunicación Curso Grados E.T.S.I. Industriales y Telecomunicación. Tema 1: Números complejos

Tema 3.- Números Complejos.

Ejemplo: 0+0i y -3+0i representan los números reales 0 y 3 respectivamente. Si a=0 se considera un número imaginario puro a 0+bi

cuadrado sea igual a -1. El conjunto de los números complejos es una ampliación del conjunto de los números reales.

Universidad Antonio Nariño Matemáticas Especiales

- Fernando Sánchez - Departamento de Matemáticas - Universidad de Extremadura

- Fernando Sánchez - Departamento de Matemáticas - Universidad de Extremadura. Cálculo I

LOS NÚMEROS COMPLEJOS

Los números complejos

Tema 1: Números Complejos

Unidad 1: Números Complejos

Teoría: Números Complejos. Necesidad de ampliar el conjunto de los números reales

con operacion inversa la resta (suma de opuestos) y una operacion producto escalar, que no es interna,

Los números complejos ( )

Números complejos Susana Puddu

Dinámica compleja. Conjuntos de Julia y Mandelbrot Método de Newton

NÚMERO COMPLEJO. Nota decimos que a es su parte real (anotamos Re(z) = a ) y b su parte imaginaria (anotamos Im(z) = b )

Coordinación de Matemática I (MAT021) 1 er Semestre de 2011 Semana 13: Lunes 30 de Mayo Viernes 3 de Junio. Contenidos

Departamento de Ingeniería Matemática - Universidad de Chile

Tema 4: Números Complejos

Tema 4: Números Complejos

Números Complejos. Capítulo Los números complejos. 1.2 El plano complejo. 2 Matemáticas 1 : Preliminares

Los números complejos ( )

1 SISTEMA DE NUMEROS COMPLEJOS

INTRODUCCIÓN A LOS NÚMEROS COMPLEJOS

AMPLIACIÓN DE MATEMÁTICAS APLICACIONES.

DESIGUALDADES CLÁSICAS

Universidad Diego Portales Facultad de Ingeniería. Laboratorio Nº 11. Números Complejos

Unidad I: Números Complejos

Una sucesión es un conjunto infinito de números ordenados de tal forma que se puede decir cuál es el primero, cuál el segundo, el tercero, etc.

Introducción a las Funciones Vectoriales (Funciones de R R n ) 1. Funciones de R en R n (Funciones Vectoriales)

una sucesión de funciones de A. Formemos una nueva sucesión de funciones {S n } n=1 de A de la forma siguiente:

VECTORES. A partir de la representación de, como una recta numérica, los elementos

SOLUCIONES DE LAS ACTIVIDADES Págs. 23 a 43

1. Definiciones y propiedades básicas - C como extensión de R.

Espacio Vectorial Definición: Sea V un conjunto donde hemos definido una ley u operación interna, que

GUIA DE ESTUDIO Nro 1

MATEMÁTICA LIC. Y PROF. EN CS. BIOLÓGICAS

Construcción de los números reales.

SOLUCIONES DE LAS ACTIVIDADES Págs. 23 a 43

Tema 1 Los números reales Matemáticas I 1º Bachillerato 1

IES IGNACIO ALDECOA 1 AMPLIACIÓN DE MATEMÁTICAS 4º ESO CURSO 10/11

2 Conceptos básicos y planteamiento

Apéndice Números Complejos

Introducción a los métodos lineales en dominio de la frecuencia.

Semana 10 [1/24] Sucesiones (II) 2 de mayo de Sucesiones (II)

Polinomio de una sola variable. , llamaremos polinomio de la variable x a toda expresión algebraica entera de la forma:

Prueba Integral Lapso / Área de Matemática Fecha: MODELO DE RESPUESTA (Objetivos del 01 al 11)

FUNCIONES. ( a) IGUALDAD DE FUNCIONES Sí y son dos funciones, diremos que las funciones f y

DEFINICIÓN DE PRODUCTO CARTESIANO:

CLAUSURA ALGEBRAICA Y NÚMEROS COMPLEJOS

ARITMÉTICA MODULAR. CONGRUENCIAS ENTERAS Carl Friedrich Gauss ( )

Álgebra I Práctica 3 - Números enteros (Parte 1)

Introducción a las Funciones Vectoriales (Funciones de R R n ) 1. Funciones de R en R n (Funciones Vectoriales)

La Teoría Introducción:

Departamento de Matemáticas

Unidad 1: Las Ecuaciones Diferenciales y Sus Soluciones

162 ÁLGEBRA Y FUNDAMENTOS: UNA INTRODUCCIÓN. (i) Efectuando el producto, tenemos. (ii) De forma semejente, si z 2 6= 0, tenemos

Álgebra I Práctica 2 - Números naturales e inducción

EJERCICIOS DE SERIES DE FUNCIONES

2.- ESPACIOS VECTORIALES. MATRICES.

Números reales Números. irracionales. Figura 3.1. Construcción del conjunto de los números complejos.

Cód. Carrera: Área de Matemática Fecha: MODELO DE RESPUESTAS Objetivos 1 al 11.

Tema 2: Diagonalización de matrices cuadradas

ALGEBRA, CÁLCULO NUMÉRICO Y GEOMETRÍA ANALÍTICA Capítulo 3

Sucesiones y series de números reales

NÚMEROS COMPLEJOS. el conjunto de todos los pares ordenados

CAPITULO 0 CONCEPTOS BASICOS DE ALGEBRA Y PROGRAMACION LINEAL Algebra lineal Notación básica.

Series de números reales

R. Urbán Introducción a los métodos cuantitativos. Notas de clase Sucesiones y series.

4. Sucesiones de números reales

1. Serie de Potencias

Notas de Teórico. Sistemas de Numeración

1 Sistemas Numéricos

TEMARIO DE MATEMÁTICAS [ ]

DESIGUALDADES. 1. Desigualdad de Cauchy-Schwarz. Para todo a 1,a 2,...,a n,b 1,b 2,...,b n números reales se cumple que:

Álgebra I Práctica 3 - Números enteros (Parte 1)

Teoremas de convergencia. Integral sobre... Convergencia... Convergencia...

Definición 13.1 Llamamos serie trigonométrica a una serie de funciones reales, de la forma. + n +ib n

SESIÓN 8 DESCRIPCIONES DE UNA RELACIÓN

Técnicas para problemas de desigualdades

SUCESIONES Y SERIES Una sucesión es un conjunto de números ordenados bajo cierta regla específica. 7, 10, 13, 16, 19, 22, 25,...

Fórmula de Taylor. Si f es continua en [a,x y derivable en (a,x), existe c (a,x) tal que f(x) f(a) f '(c) f(x) f(a) f '(c)(x a)

Series de potencias. Desarrollos en serie de Taylor

Unidad 10: LÍMITES DE FUNCIONES

Unidad 1: Números Complejos

UNIDAD 10.- DERIVADAS

TEMA 2: Potencias y raíces. Tema 2: Potencias y raíces 1

/ n 0 N / D(f) = {n N / n n 0 }

CUADRATURA GAUSSIANA

Sucesiones de números reales

Prácticas de Matemáticas I y Matemáticas II con DERIVE 136

CAPÍTULO XIV. SERIES NUMÉRICAS ARBITRARIAS

1.1 DEFINICIÓN 1.2 ENFOQUE GEOMÉTRICO 1.3 IGUALDAD 1.4 OPERACIONES

Listado para la Evaluación 2 Cálculo II (527148)

Transcripción:

Álgebra. 2004-2005. Igeieros Idustriales. Departameto de Matemática Aplicada II. Uiversidad de Sevilla. Tema 3.- Números Complejos. Los úmeros complejos. Operacioes. Las raíces de u poliomio real. Aplicacioes geométricas de los úmeros complejos: trasformacioes e el plao. Históricamete los úmeros complejos fuero itroducidos para tratar ecuacioes poliomiales, tales como x 2 + 1 = 0, que o tiee solució real. E esta direcció, el resultado pricipal de esta lecció es el teorema fudametal del Álgebra que asegura que toda ecuació poliomial co coeficietes complejos tiee, al meos, ua solució. Previamete habremos defiido el úmero complejo, sus operacioes más importates y la iterpretació geométrica de las mismas, cuyo maejo os permite describir trasformacioes sobre el plao complejo. 1. Los úmeros complejos. Defiició. Uúmero complejo es u úmero de la forma = a + bi (o = a + ib) dode i verifica que i 2 = 1 ya y b so úmeros reales. A i se le llama uidad imagiaria. Los úmeros reales a y b se cooce, respectivamete, como parte real y parte imagiaria del úmero complejo y se suele escribir Re() = a así como Im() = b. Dos úmeros complejos y so iguales si, y sólo si, Re() =Re() y Im() =Im(). Al cojuto de los úmeros complejos lo deotaremos por C, es decir, C = { = a + bi : a, b R}. Sea = a + bi. Sib = 0 escribiremos simplemete a para deotar a, sia = 0 escribiremos bi para deotar a. E este último caso diremos que es u úmero imagiario puro. E lo que sigue idetificaremos el úmero real a co el úmero complejo a +0i. De esta forma se puede eteder que el cojuto de los úmeros reales es u subcojuto de los úmeros complejos. 2. Operacioes. 2.1. Suma Dados dos úmeros complejos = a + bi y = c + di defiimos la suma + así: Propiedades de la suma. Si,,v C se verifica: 1. Comutativa: + = +. 2. Asociativa: ( + )+v = +( + v). + =(a + c)+(b + d) i. 3. Existe u elemeto ulo para la suma, el 0 = 0 + 0i tal que +0=0+ = para todo C. 4. Cada úmero complejo = a + bi tiee u elemeto opuesto = a +( b) i tal que +( ) =0. 1

2.2. Producto Dados dos úmeros complejos = a + bi y = c + di se defie el producto así: =(ac bd)+(ad + bc) i. Propiedades del producto. Si,,v C se verifica: 1. Comutativa: =. 2. Asociativa: () v = (v). 3. Existe u elemeto uidad para el producto, el 1 = 1 + 0i tal que 1 =1 = para todo C. 4. Cada úmero complejo = a + bi 0 tiee u elemeto iverso 1 tal que 1 = 1 =1.Dehecho, si = a + bi 0setieeque 1 a = a 2 + b 2 + b a 2 + b 2 i. Tambié se verifica ua propiedad que relacioa la suma y el producto: la propiedad distributiva del producto respecto de la suma ( + v) = + v. El iverso de lo represetaremos por 1 ypor1/ y = (1/)= 1. Para obteer la parte real y la imagiaria e ua divisió de úmeros complejos podemos hacer lo siguiete. Si = a + bi 0y = c + di = c + di a + bi =(c + di)(a + bi) 1 =(c + di) ( a a 2 + b 2 + b ) a 2 + b 2 i (c + di)(a bi) = a 2 + b 2. De cualquier modo, tras estudiar la cojugació y el módulo veremos otra técica más eficiete para calcular el iverso de u úmero complejo o dividir úmeros complejos. Observació. No es posible establecer e el cojuto de los úmeros complejos ua relació de orde que verifique las mismas propiedades que verifica la relació de orde que coocemos etre los úmeros reales. 2.3. Cojugado de u úmero complejo Sea = a + bi u úmero complejo. Se defie el cojugado de yserepresetapor como el úmero a bi. Propiedades del cojugado de u úmero complejo. 1 + 2 = 1 + 2.(Egeeral: 1 + 2 + + = 1 + 2 + + ). 1 2 = 1 2.(Egeeral: 1 2 = 1 2 ). + =2Re() =2iIm() =(Re()) 2 +(Im()) 2. Por ello, si 0 etoces >0. Demostraremos esta última propiedad: Si = a + bi, etoces = a bi y =(a + bi)(a bi) = ( a 2 b ( b) ) +(a ( b)+ba) i = a 2 + b 2 =(Re()) 2 +(Im()) 2. 2

2.4. Módulo de u úmero complejo Se defie el módulo del úmero complejo = a + bi yserepresetapor, comoelúmero real Observacioes. = a 2 + b 2. 1. Nótese que =. Deahísededuce ahora que 1 = 2. 2. Podemos observar tambié que para dividir dos úmeros complejos /, basta co multiplicar umerador y deomiador por el cojugado del deomiador Propiedades del módulo de u úmero complejo. = 0 si, y sólo si, =0. =. = = 2. 1 2 = 1 2.(Egeeral: 1 2 = 1 2 ). Re(), Im(). 1 + 2 1 + 2.(Egeeral: 1 + 2 + + 1 + 2 + + ). Desigualdad triagular. Demostraremos esta última propiedad: 1 + 2 2 = ( 1 + 2 ) ( 1 + 2 )=( 1 + 2 )( 1 + 2 ) = 1 1 + 1 2 + 2 1 + 2 2 = 1 2 +2Re( 1 2 )+ 2 2 1 2 +2 Re( 1 2 ) + 2 2 1 2 +2 1 2 + 2 2 = 1 2 +2 1 2 + 2 2 =( 1 + 2 ) 2 1 + 2 1 + 2 e la cuarta igualdad os basamos e que 1 2 = 1 2 = 1 2 y, por tato, 1 2 + 2 1 =2Re( 1 2 ). 2.5. Represetació de los úmeros complejos e el plao. Hemos defiido los úmeros complejos como úmeros de la forma = x + yi para x, y R. Estoospermite represetar al úmero complejo por el puto P del plao que tiee por coordeadas cartesiaas (x, y). A veces tambié lo respresetaremos por el vector que tiee su orige e O, el orige de coordeadas del plao, y por extremo el puto P. Iterpretado de esta maera, al plao cartesiao se le deomia tambié plao complejo. De esta forma la suma y la diferecia que hemos defiido se puede iterpretar e el plao complejo así: 2 1 + 2 1 2 1 1 2 El producto que hemos defiido o tiee ua fácil iterpretació, por ahora, pero más adelate daremos ua iterpretació geométrica. Si el úmero complejo = x + yi se represeta por el puto P (x, y), su cojugado = x yi se represeta por el puto P (x, y) que es el simétrico de P respecto del eje X de abscisas (ver la figura siguiete). 3

El módulo del úmero complejo = x + yi, que hemos defiido como = x 2 + y 2,serepresetapor la logitud del segmeto OP (ver figura). Por tato, el módulo os puede ser útil para represetar distacias, logitudes de segmeto. Así, si los úmeros complejos 1 = x 1 + y 1 i y 2 = x 2 + y 2 i se represeta e el plao por los putos P 1 (x 1,y 1 )yp 2 (x 2,y 2 ), respectivamete, etoces ysumódulo 1 2 =(x 1 + y 1 i) (x 2 + y 2 i)=(x 1 x 2 )+(y 1 y 2 ) i 1 2 =+ (x 1 x 2 ) 2 +(y 1 y 2 ) 2 represeta la distacia que existe etre los putos P 1 y P 2. Teiedo e cueta lo aterior, el cojuto de putos P (x, y) del plao que equidista del orige O ua catidad costate r, es decir, los putos P (x, y) que verifica x 2 + y 2 = r so los de ua circuferecia co cetro e el orige de coordeadas y radio r. Usado los úmeros complejos dicho cojuto se puede represetar por = r (ver figura). De la misma forma, si el úmero complejo 0 = x 0 + y 0 i se represeta e el plao por el puto C (x 0,y 0 ), etoces el cojuto de putos P (x, y) del plao que equidista de C ua catidad costate r, es decir, los putos P (x, y) que verifica (x x 0 ) 2 +(y y 0 ) 2 = r, so los de ua circuferecia co cetro e C yradio r. Ésta, mediate los úmeros complejos, se escribe como 0 = r (ver figura). 0 0 = r 0 = r 2.6. Forma polar o trigoométrica de u úmero complejo. Como acabamos de ver, al úmero complejo = a + bi le correspode el puto P del plao de coordeadas (a, b). Si represetamos por r la logitud del segmeto OP, que ue el orige O de coordeadas y P,yporθ el águlo que forma OP co el semieje positivo de abscisas, se dice que (r, θ) so las coordeadas polares del puto P.Sir = 0, es decir, si P O, etoces el águlo θ o está defiido. Cosideraremos, por tato, que 0. Se etiede que θ es positivo si es medido e setido atihorario, y egativo e caso cotrario. Al úmero θ lo llamaremos argumeto de y lo represetaremos por arg (). Se sigue fácilmete que r =+ a 2 + b 2 = yquetgθ = y x. 4

Como a = r cos θ y b = r seθ, etoces se puede escribir así = a + ib = r (cos θ + iseθ) que deomiaremos forma polar o trigoométrica de. Los úmeros complejos 1 = r 1 (cos θ 1 + iseθ 1 )y 2 = r 2 (cos θ 2 + iseθ 2 ) so iguales 1 = 2 r 1 = r 2 y θ 1 θ 2 =2kπ co k Z. Iterpretació geométrica del producto de dos úmeros complejos. Si 1 = r 1 (cos θ 1 + iseθ 1 )y 2 = r 2 (cos θ 2 + iseθ 2 ), etoces 1 2 = r 1 (cos θ 1 + iseθ 1 ) r 2 (cos θ 2 + iseθ 2 ) = r 1 r 2 [(cos θ 1 cos θ 2 seθ 1 seθ 2 )+i(seθ 1 cos θ 2 +cosθ 1 seθ 2 )] = r 1 r 2 [cos (θ 1 + θ 2 )+ise (θ 1 + θ 2 )] que os permite dar ua iterpretació geométrica del producto de dos úmeros complejos: cuado se multiplica dos úmeros complejos, se obtiee otro que tiee por módulo el producto de los módulos y por argumeto la suma de los argumetos. El iverso del úmero complejo = r (cos θ + iseθ) se puede obteer e forma trigoométrica del siguiete modo: 1 = 1 = 1 r (cos θ + iseθ) = 1 r cos θ iseθ (cos θ + iseθ)(cosθ iseθ) = 1 r = r 1 (cos θ iseθ) =r 1 (cos( θ)+ise( θ)). Del mismo modo podemos deducir que 1 = r 1 [cos (θ 1 θ 2 )+ise (θ 1 θ 2 )]. 2 r 2 2.7. La fórmula de Euler. Observamos e los cálculos ateriores que el térmio f (θ) =cosθ + iseθ tiee las mismas propiedades que ua fució expoecial, pues f (θ 1 + θ 2 )=f (θ 1 )+f (θ 2 ). cos θ iseθ (cos θ) 2 +(seθ) 2 Es posible mostrar, auque está fuera del alcace de este curso, que la fució expoecial real e x puede extederse de maera raoable al caso de expoetes complejos y que dicha extesió es ecesariamete e iθ =cosθ + iseθ. Co esto se puede represetar = r (cos θ + iseθ) =re iθ. Propiedades: e iθ = e iθ e iθ =1 e iθ1 e iθ2 = e i(θ1+θ2) Se sigue que 1 = 1 = 1 r (cos θ + iseθ) = 1 r que coicide co el valor de 1 obteido ates. cos θ iseθ cos 2 θ +se 2 θ = 1 r e iθ 5

2.8. Potecias de úmeros complejos. Si = re iθ teemos: 0 = 1 (por coveio). 1 = = re iθ. 2 = r 2 e i2θ y, e geeral, = r e iθ para =1, 2, 3,... Se observa que la iterpretació geométrica de la potecia -ésima de u úmero complejo es secilla. Simplemete hay que elevar el módulo a y multiplicar el argumeto por. E la figura se observa dos ejemplos: para módulos mayor y meor que 1. 3 2 2 1 3 1 Si = 1, 2, 3,... llamamos m = y defiimos Etoces teemos = = ( 1) m. ( ) m ( ) m 1 1 = r e iθ = ( r 1) m e imθ = r e iθ. Fórmula de De Moivre: De lo aterior se sigue que si = e iθ, etoces (cos θ + iseθ) =cos(θ)+ise (θ), co Z. Potecias de la uidad imagiaria. Como caso particular de lo aterior teemos que i 0 =1 i 4 =1 i 8 =1 i 1 = i i 5 = i i 9 = i i 2 = 1 i 6 = 1 i 10 = 1 i 3 = i i 7 = i i 11 = i es decir, las potecias de la uidad imagiaria se repite de cuatro e cuatro. Por tato, para calcular, por ejemplo, i 1397 lo que haríamos sería dividir el expoete etre cuatro, hallar el resto, (e este caso se tedría 1397 = 4 349 + 1) y expresar: i 1397 = i 4 349+1 = ( i 4) 349 i 1 = i. 6

2.9. Raíces -ésimas de u úmero complejo. Se dice que el úmero complejo = re iθ es raí -ésima de 0 = r 0 e iθ0 0 si, y sólo si, = 0 : 0 = 0 =. Veamos cuátas raíces -ésimas tiee u úmero complejo. Segú la defiició dada deberá ser 0 = r 0 e iθ0 = ( re iθ) = r e iθ y de acuerdo co la defiició de igualdad de úmeros complejos dados e forma polar, { { r0 = r r = r 0 θ = θ 0 +2kπ θ = θ0+2kπ k =0, ±1, ±2,... Ahora bie, al dar valores a k obteemos Para k =0obteemoslaraí 1 = r 0 e i θ 0 Para k =1obteemoslaraí 2 = r 0 e i θ 0 +2π Para k = 1 obteemos la raí = r 0 e i θ 0 +2( 1)π Para k = obteemos la raí +1 = r 0 e i θ 0 +2π = r 0 e i( θ 0 +2π) yestaúltima raí +1 = r 0 e iθ 0 = 1. Por cosiguiete todo úmero complejo o ulo tiee raíces -ésimas. Represetació gráfica de las raíces. Observamos que todas las raíces -ésimas del úmero complejo 0 = r 0 e iθ0 tiee el mismo módulo r 0,ylosargumetosdedosraíces obteidas para k = p y k = p +1,se diferecia e θ 0 +2(p +1)π θ 0 +2pπ = 2π. Por tato, los putos que represeta a esas raíces so los vértices de u polígoo regular de lados iscrito e ua circuferecia co cetro e el orige de coordeadas y radio r 0. E la siguiete figura hemos represetado las raíces cuartas, quitas y sextas de u úmero complejo de módulo mayor que 1 y argumeto π/3. 2 2 3 1 3 4 5 1 2 3 1 4 5 6 4 Caso particular: Raíces -ésimas de la uidad. Elúmero 0 =1esuúmero complejo que tiee módulo uidad y argumeto cero, es decir, escrito e forma polar 0 =1=e i0. Etoces 1 = e i0 =cos0+ise0 = 1 1=e i 0+2kπ =cos 2kπ 2kπ +ise, para k =0, 1, 2,..., 1 que se deomia las raíces -ésimas de la uidad. 2 = e i2π/ =cos 2π + ise 2π 3 = e i4π/ =cos 4π + ise 4π = e i2( 1)π/ =cos 2( 1)π + ise 2( 1)π 7