Loading...
 

Moduł i argument liczby zespolonej


Niech \( z=x+iy \), gdzie \( x,y\in\mathbb{R} \), będzie dowolną liczbą zespoloną. Modułem liczby \( z \) nazywamy liczbę rzeczywistą \( |z| \) daną wzorem
\( |z|=\sqrt{x^{2}+y^{2}}. \)

Innym, powszechnie stosowanym oznaczeniem modułu liczby zespolonej \( z \) jest symbol \( r=|z| \).


Obliczymy moduł liczby \( z=-2-4\sqrt{2}i \). Część rzeczywista liczby \( z \) wynosi \( x=-2 \), zaś część urojona \( y=-4\sqrt{2} \), zatem
\( |z|=\sqrt{(-2)^{2}+(-4\sqrt{2})^{2}}=\sqrt{4+32}=6. \)


Geometrycznie moduł liczby zespolonej \( z \) to odległość tej liczby od początku układu współrzędnych.

Interpretacja geometryczna modułu liczby zespolonej
Rysunek 1: Interpretacja geometryczna modułu liczby zespolonej

Powyższą interpretację możemy rozszerzyć na dwie dowolne liczby zespolone. Niech mianowicie \( z_{0}=x_{0}+iy_{0} \) oraz \( z=x+iy \) będą dwiema liczbami zespolonymi. Wówczas \( z-z_{0}=(x-x_{0})+i(y-y_{0}) \) oraz \( \mathfrak{Re}z=x-x_{0} \), \( \mathfrak{Im}z=y-y_{0} \). Mamy

\( |z-z_{0}|=\sqrt{(x-x_{0})^{2}+(y-y_{0})^{2}}. \)

Zauważmy, że wyrażenie po prawej stronie równości jest zwykłą odległością euklidesową punktu \( (x,y) \) od punktu \( (x_{0},y_{0}) \). Zatem dla dowolych liczb zespolonych \( z,z_{0}\in\mathbb{C} \) moduł ich różnicy \( |z-z_{0}| \) oznacza odległość \( z \) od \( z_{0} \) na płaszczyźnie zespolonej.

Interpretacja geometryczna modułu różnicy dwóch liczb zespolonych
Rysunek 2: Interpretacja geometryczna modułu różnicy dwóch liczb zespolonych

Twierdzenie 1: Własności modułu liczby zespolonej

Niech \( z,z_{1},z_{2}\in\mathbb{C} \). Prawdziwe są następujące własności:
  • \( |z|\geqslant 0 \), przy czym \( |z|= 0 \) wtedy i tylko wtedy, gdy \( z=\mathbf{0} \);
  • \( \left| z_{1}+z_{2} \right|\leqslant \left| z_{1} \right|+\left| z_{2} \right| \);
  • \( \left|\left| z_{1} \right|-\left| z_{2}\right| \right|\leqslant \left| z_{1}-z_{2} \right| \);
  • \( z\cdot \bar{z}=|z|^{2} \);
  • \( \left| z_{1}\cdot z_{2} \right|=\left| z_{1} \right|\cdot \left| z_{2} \right| \);
  • \( \left| \frac{z_{1}}{z_{2}} \right|=\frac{\left| z_{1} \right|}{\left| z_{2}\right|} \), jeżeli \( z_{2} =\mathrel{\llap{/\,}} \mathbf{0} \).

Niech \( z=x+iy \), gdzie \( x,y\in\mathbb{R} \), będzie liczbą zespoloną różną od zera. Argumentem liczby \( z \) nazywamy każdą liczbę rzeczywistą \( \varphi \), spełniającą warunki:
\( \begin{cases} \cos \varphi&=&\frac{x}{|z|},\\ \sin \varphi&=&\frac{y}{|z|}. \end{cases} . \)
Argumentem głównym liczby \( z \) nazywamy ten argument, który należy do przedziału \( \lbrack 0,2\pi) \).

Przyjmujemy, że argumentem liczby zespolonej \( z=\mathbf{0} \) jest dowolna liczba rzeczywista \( \varphi\in\mathbb{R} \), zaś argumentem głównym dla \( z=\mathbf{0} \) jest \( \varphi=0 \).
Argument liczby \( z \) oznaczamy symbolem \( \mathrm{arg}z \), zaś argument główny symbolem \( \mathrm{Arg}z \). Mamy zatem

\( \mathrm{arg}z=\mathrm{Arg}z+2k\pi, \quad \textrm{gdzie}\quad k\in\mathbb{Z}. \)


Geometrycznie argument liczby zespolonej \( z \) to kąt skierowany, jaki tworzy wektor \( \vec{\mathbf{0}z} \) z dodatnią półosią osi rzeczywistej \( \mathfrak{Re}z \).

Interpretacja geometryczna argumentu liczby zespolonej
Rysunek 3: Interpretacja geometryczna argumentu liczby zespolonej


Obliczymy argument główny liczby \( z=-1+\sqrt{3}i \).

Mamy:
\( |z|=\sqrt{1+3}=2 \).

Układ równań ( 1 ) ma postać:

\( \begin{cases} \cos \varphi&=&\frac{-1}{2},\\ \sin \varphi&=&\frac{\sqrt{3}}{2}. \end{cases}. \)


Kątem z przedziału \( \lbrack 0,2 \pi \) spełniającym powyższy układ równań jest \( \varphi=\frac{2}{3}\pi \). Zatem \( \mathrm{Arg}z=\frac{2}{3}\pi. \)
Zauważmy przy tym, że rozważany układ równań jest spełniony także dla \( \varphi_{1}=-\frac{4}{3}\pi \) czy dla \( \varphi_{2}=\frac{8}{3}\pi \). Zarówno \( \varphi_{1} \) jak i \( \varphi_{2} \) są zatem argumentami liczby \( z=-1+\sqrt{3} \), przy czym \( \varphi_{1}=\varphi-2\pi \), a \( \varphi_{2}=\varphi+2\pi \). Korzystając z zależności \( \mathrm{arg}z=\mathrm{Arg}z+2k\pi \), gdzie \( k\in \mathbb{Z} \) możemy wyliczyć inne argumenty liczby \( z \).


Dla ustalenia położenia punktu na płaszczyźnie można wprowadzić biegunowy układ odniesienia. W biegunowym układzie odniesienia wyróżniamy pewien punkt płaszczyzny, nazywany biegunem płaszczyzny oraz pewną wyróżnioną półprostą poprowadzoną z bieguna, nazywaną półosią biegunową. Wówczas położenie dowolnego punktu płaszczyzny określamy poprzez podanie odległości \( r \) tego punktu od bieguna oraz określenie kąta skierowanego \( \varphi \) pomiędzy półosią biegunową a półprostą o początku w biegunie i przechodzącą przez dany punkt (tzw. promieniem wodzącym tego punktu).

Biegunowy układ współrzędnych na płaszczyźnie
Rysunek 4: Biegunowy układ współrzędnych na płaszczyźnie


Łatwo zauważyć, że dla liczby zespolonej \( z=x+iy \), podanie jej modułu \( r=|z| \) i argumentu \( \varphi=\mathrm{Arg}z \) jest opisem położenia liczby \( z \) względem bieguna w punkcie \( \mathbf{0} \) oraz półosi dodatniej jako półosi biegunowej.

Biegunowy (polarny) opis położenia liczby zespolonej na płaszczyźnie zespolonej
Rysunek 5: Biegunowy (polarny) opis położenia liczby zespolonej na płaszczyźnie zespolonej

Ostatnio zmieniona Środa 09 z Marzec, 2022 09:47:55 UTC Autor: Agnieszka Kowalik
Zaloguj się/Zarejestruj w OPEN AGH e-podręczniki
Czy masz już hasło?

Hasło powinno mieć przynajmniej 8 znaków, litery i cyfry oraz co najmniej jeden znak specjalny.

Przypominanie hasła

Wprowadź swój adres e-mail, abyśmy mogli przesłać Ci informację o nowym haśle.
Dziękujemy za rejestrację!
Na wskazany w rejestracji adres został wysłany e-mail z linkiem aktywacyjnym.
Wprowadzone hasło/login są błędne.