Если логарифмы сыграли важную роль в открытиях Гаусса, то мнимые числа были необходимы для результатов, позже полученных Риманом, поэтому небольшое путешествие в «мнимую» страну поможет нам лучше понять развитие теории простых чисел.
Готфрид Лейбниц однажды сказал: «Дух божий нашел тончайшую отдушину в этом чуде анализа, уроде из мира идей, двойственной сущности, находящейся между бытием и небытием, которую мы называем мнимым корнем из отрицательной единицы». Рассмотрим теперь, что подразумевается под «мнимым корнем из отрицательной единицы».
Мнимые числа имеют практическое применение в электронике. Действительные числа используются для измерения сопротивления — свойства объекта препятствовать прохождению через него электрического тока. А мнимые числа используются для измерения индуктивности (отношения магнитного потока к силе тока в катушке) и емкости (отношения величины электрического заряда к разности потенциалов между пластинами конденсатора).
Квадратный корень из числа а, записываемый как √а, — это такое число, квадрат которого (результат умножения на себя) равен а. Другими словами, √а = b означает, что b2 = а. Например,
√4 = 2, потому что 22 = 4;
√9 = 3, потому что З2 = 9.
С другой стороны, существует «правило знаков» при умножении и делении: плюс на плюс дает плюс, плюс на минус дает минус, и минус на минус дает плюс.
При записи в символах это выглядит так:
+ x + = +
+ х — = — х + = -
— x — = +
Возьмем в качестве примеров некоторые числа:
5 х 2 = 10;
— 5 x 2 = -10;
— 5 x -5 = 25.
Таким образом, квадрат числа, результат умножения на себя, никогда не может дать отрицательное число. Если исходное число положительное, то «плюс на плюс» даст положительный результат, а если исходное число отрицательное, то «минус на минус» также даст положительный результат. Именно поэтому в принципе невозможно извлечь квадратный корень из отрицательного числа. Например, √-4 не может равняться 2, так как 2 х 2 = 4, и не может равняться —2, так как -2 x -2 = 4.
Таким образом, мы можем утверждать, что √1 = 1, но √—1 не существует. Этот корень не существует как действительное число, но ничто не мешает нам определить его как «мнимое» число, которое мы будем обозначать буквой i:
√-1 = i
Давайте посмотрим, что происходит с числом i при возведении его в различные степени:
√-1 = i
i2 = (√-1)2 = -1
i3 = i2 х i = -1 х i = — i;
i4 = i3 x i = —i x i = i2 = — (-1) = 1.
Продолжая таким образом, получим:
i5 = i;
i6 = -1;
i7 = — i;
i8 = 1
…
Необходимость найти значение квадратного корня из отрицательного числа возникает тогда, когда мы решаем определенные квадратные уравнения. Известно, что уравнения вида ах2 + Ьх + с = 0 имеют два решения, выражаемые формулой:
Но эта формула не работает, когда число под корнем отрицательное.
В трактате Джироламо Кардано Ars magna («Великое искусство»), опубликованном в 1545 г., была сформулирована следующая задача: «Разделить 10 на две части, произведение которых равно 40». Если мы обозначим эти две части буквами х и у, мы можем записать:
х + у = 10;
x · у = 40.
Выражая у = 10 — х и подставляя во второе уравнение, получаем: х(10 — х) = 10x — х2 = 40. Перенося все в правую часть, мы получим квадратное уравнение х2 — 10x + 40 = 0, решения которого находятся по формуле:
Кардано рассмотрел два числа, являющиеся решениями уравнения:
5 + √-15 и 5 — √-15.
Сознавая, что они являются сложными (комплексными) числами, он проверил, что их сумма равна 10, а их произведение равно 40, и, таким образом, несмотря на «сопротивление ума», они являются решениями данной задачи.
Эти «сложные» корни уравнений часто появлялись при решении многих задач. (Корнями уравнения называются его возможные решения.) Они существовали и смущали математиков, которые не могли принять их в качестве чисел. Декарт сказал о них: «Как истинные, так и ложные корни не всегда бывают действительными, оказываясь иногда лишь мнимыми», тем самым определив один из терминов, который используется до сих пор для обозначения таких корней: «мнимые».
Мнимое число, например √-4, также может быть записано в виде √4∙√-1 = 2∙√-1, так как мы обозначили буквой i квадратный корень из —1, мы можем это записать как √-4 = 2i.
Таким образом, любое комплексное число можно записать в виде а + bi называемом алгебраической формой комплексного числа, в которой число а называется действительной частью, а число bi — мнимой. Например, число 2 + √—9 может быть записано как 2 + 3i, где 2 — действительная часть, a 3i — мнимая. Если комплексное число не имеет вещественной части, например, 2i, то оно называется чисто мнимым числом.
Складывать и вычитать комплексные числа очень просто. Суммой двух комплексных чисел называется другое комплексное число, действительная часть которого равна сумме действительных частей слагаемых, а мнимая часть — сумме мнимых частей. Например:
(3 + 2i) + (8 — 3i) = (3 + 8) + (2–3)i = 11 — i.
Вычитание выполняется аналогично. При умножении одно число помещается под другим, и выполняется умножение, как будто части комплексных чисел являются цифрами обычных двузначных чисел.
В смысле алгебраических операций комплексными числами можно манипулировать свободно, но как их представить наглядно? Например, действительные числа можно расположить на прямой линии, с точкой ноль посередине, и тогда положительные числа будут соответствовать точкам справа, а отрицательные — точкам слева. Но комплексные числа содержат две части, что так или иначе подразумевает дополнительное измерение в геометрическом пространстве.
Визуальное изображение комплексных чисел имеет давнюю историю. Некоторые математики, в частности Эйлер, Абрахам Муавр и Александр Теофил Вандермонд, уже думали о возможности представления комплексного числа х + ух как точки на плоскости с координатами (х, у). Однако именно Жан Робер Арган (1768–1822), бухгалтер и математик-любитель, опубликовал небольшое исследование о том, как можно изобразить комплексные числа геометрически. Дальнейшие работы Гаусса, который определил геометрический характер комплексных чисел, и придали им ту окончательную форму, которую мы используем сегодня. На самом деле Гаусс не только ввел символ х для √-1, но и считал, что 1,-1, √-1 следует рассматривать не только как положительное, отрицательное и мнимое числа, а как различные формы числа 1: вперед, назад и вбок. Действительно, мнимые числа были бы приняты скорее, если бы удалось развеять атмосферу таинственности вокруг них. По той же причине Гаусс использовал термин «комплексное число» вместо «мнимое число».
Изобразить комплексное число на плоскости очень просто. Проведем две перпендикулярные оси координат. Назовем горизонтальную ось ОХ действительной осью, на ней мы будем отмечать действительные части комплексных чисел (положительные — справа от начала координат, отрицательные — слева). Назовем вертикальную ось OY мнимой осью, на которой будем отмечать мнимые части комплексных чисел (положительные — сверху от начала координат, отрицательные — снизу). Таким образом, чтобы изобразить комплексное число 2 + i, мы поступим следующим образом:
* * *
ФУНКЦИИ КОМПЛЕКСНОГО ПЕРЕМЕННОГО
Даже после того как Кардано в начале XVIII в. сделал первые расчеты с использованием мнимых чисел, математики старались избегать их, поскольку в их существовании они всерьез сомневались. Математики такого масштаба, как Эйлер, Валлис и Д'Аламбер, использовали их с разной степенью успеха. Комплексные числа начали применяться при определенных условиях, например, на промежуточных стадиях некоторых доказательств. Гаусс был одним из первых, кто свободно обращался с ними и даже нашел способ их изображения, но лишь в XIX в. они окончательно утвердились в математике, когда Риман ввел сложные функции f(x), в которых переменная х представляла собой комплексное число.
* * *
Отложим два единичных отрезка вправо по оси ОХ и один — вверх по оси OY.
Мы можем посчитать расстояние ОА по теореме Пифагора, (ОА)2 = 12 + 22 = 1 + 4 = 5, следовательно, ОА = √5. Это число называется модулем комплексного числа.
