KOMPLEKSE TALL KARL K. BRUSTAD

Like dokumenter
Løsningsforslag til prøveeksamen i MAT1110, våren 2012

FINNE n-te RØTTER AV KOMPLEKSE TALL

OM TAYLOR POLYNOMER. f x K f a x K a. f ' a = lim x/ a. f ' a z

8 + 2 n n 4. 3n 4 7 = 8 3.

Matematikk for IT. Oblig 7 løsningsforslag. 16. oktober

Uke 12 IN3030 v2019. Eric Jul PSE-gruppa Ifi, UiO

Kapittel 5 - Vektorer - Oppgaver

UNIVERSITETET I OSLO

Tid: 3 timer Hjelpemidler: Vanlige skrivesaker, passer, linjal med centimetermål og vinkelmåler er tillatt.

Forkunnskaper i matematikk for fysikkstudenter. Derivasjon.

Vi skal hovedsakelig ikke bestemme summen men om rekken konvergerer. det vil si om summen til rekken er et bestemt tall

Eksamen R2, Høsten 2010

Matematikk for IT. Løsningsforslag til prøve 2. Torsdag 24. oktober 2013

x n = 1 + x + x 2 + x 3 + x x n + = 1 1 x

Eksamen R2, Va ren 2013

MA1101 Grunnkurs Analyse I Høst 2017

Terminprøve R2 Høsten 2014

Løsningsforslag Eksamen MAT112 vår 2011

Bokmål OPPGAVE 1. a) Deriver funksjonene: b) Finn integralene ved regning: c) Løs likningen ved regning, og oppgi svaret som eksakte verdier: + =

Differensligninger Forelesningsnotat i Diskret matematikk Differensligninger

Terminprøve R2 Høsten 2014 Løsning

Obligatorisk oppgave nr. 3 i Diskret matematikk

Avsnitt 8.1 i læreboka Differensligninger

Kapittel 10 fra læreboka Grafer

Løsningsforslag R2 Eksamen Nebuchadnezzar Matematikk.net Øistein Søvik

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag Eksamen i: Diskret matematikk

Løsning R2-eksamen høsten 2016

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2014

EKSAMEN Løsningsforslag

Løsningsforslag til utvalgte oppgaver i kapittel 3

Utvidet løsningsforslag Eksamen i TMA4100 Matematikk 1, 16/

Oblig 2 - MAT1120. Fredrik Meyer 26. oktober 2009 = A = P1 1 A 1 P 1 A 1 A 2 = P 1. A k+1. A k P k

DEL 1. Uten hjelpemidler 500+ er x

Eksamen R2, Våren 2010

MA1102 Grunnkurs i Analyse II Vår 2017

AVDELING FOR INGENIØRUTDANNING EKSAMENSOPPGAVE

2. Bestem nullpunktene til g.

Forelesning Elkraftteknikk 1, Oppdatert Skrevet av Ole-Morten Midtgård. HØGSKOLEN I AGDER Fakultet for teknologi

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

Fagdag 2-3mx

EKSAMEN Løsningsforslag

Eksamen R2, Våren 2013

Repetisjon; 9.1, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, og Repetisjon; 9.1, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, og 9.10

Universitetet i Oslo Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Løsningsforslag. Oppgavesettet består av 9 oppgaver med i alt 21 deloppgaver. Ved sensur vil alle deloppgaver telle omtrent like mye.

Oppgavehefte om komplekse tall

DEL 1. Uten hjelpemidler. Oppgave 1 (5 poeng) Oppgave 2 (5 poeng) Oppgave 3 (4 poeng) x x. Deriver funksjonene. a) f( x) 2 sin 3x. Bestem integralene

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2019

Eksamen REA3024 Matematikk R2. Nynorsk/Bokmål

R2 eksamen høsten 2017

MOT310 Statistiske metoder 1, høsten 2011

Fasit til utvalgte oppgaver MAT1110, uka 18/5-21/5

LØSNINGSFORSLAG TILEKSAMEN I FAG TMA4240/TMA4245 STATISTIKK 10. august 2005

TMA4245 Statistikk Eksamen mai 2017

Formelsamling i matematikk og statistikk

FØLGER, REKKER OG GJENNOMSNITT

EKSAMEN løsningsforslag

Komplekse tall. Kapittel 2. Den imaginære enheten. Operasjoner på komplekse tall

Høgskolen i Telemark Avdeling for estetiske fag, folkekultur og lærerutdanning BOKMÅL 16. mai 2008

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Ukeoppgaver, uke 42, i Matematikk 10, Bestemt integrasjon. 1

Kommentarer til oppgaver;

f '( x) 28x 6x 2 ( 2) x x 4(3t 2 s) 6s 2x 6(3t 2 s) 2t ln x 2ln y med bibetingelsen 2x y m. Her er m 0

Løsning eksamen R2 våren 2010

EKSAMEN I FAG FASTE STOFFERS FYSIKK 2 Fakultet for fysikk, informatikk og matematikk Fredag 16. januar 1998 Tid:

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FAG TMA4240 STATISTIKK 5.august 2004

Eksamen REA3028 S2, Våren 2011

Øvinger uke 46 løsninger

TMA4100 Høst Løsningsforslag Øving 2. Norges teknisknaturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag

KLMED8004 Medisinsk statistikk. Del I, høst Estimering. Tidligere sett på. Eksempel hypertensjon

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Faglærer går normalt én runde gjennom lokalet. Ha evt. spørsmål klare!

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN, MAT 1001, HØSTEN (x + 1) 2 dx = u 2 du = u 1 = (x + 1) 1 = 1 x + 1. ln x

AVDELING FOR INGENIØRUTDANNING EKSAMENSOPPGAVE

2T kapittel 3 Modellering og bevis Utvalgte løsninger oppgavesamlingen

Polynominterpolasjon

Løsningsforslag øving 7

"Kapittel 5 i et nøtteskall"

AVDELING FOR INGENIØRUTDANNING EKSAMENSOPPGAVE

Mer om utvalgsundersøkelser

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Der oppgaveteksten ikke sier noe annet, kan du fritt velge framgangsmåte.

Følger og rekker. Kapittel Følger

Avdeling for estetiske fag, folkekultur og lærerutdanning BOKMÅL 22. mai EKSAMEN I MATEMATIKK 2 Modul 1 15 studiepoeng, fjernundervisning

MA 1410: Analyse Uke 48, aasvaldl/ma1410 H01. Høgskolen i Agder Avdeling for realfag Institutt for matematiske fag

Løsning eksamen R1 våren 2010

UNIVERSITETET I OSLO

Forelesning 4 og 5 Transformasjon, Weibull-, lognormal, beta-, kji-kvadrat -, t-, F- fordeling

R2 eksamen våren 2018

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET, INSTITUTT FOR FYSIKK. Utarbeidet av: Jon Andreas Støvneng

H 1 : µ 1 µ 2 > 0. t = ( x 1 x 2 ) (µ 1 µ 2 ) s p. s 2 p = s2 1 (n 1 1) + s 2 2 (n 2 1) n 1 + n 2 2

Kapittel 9: Mer kombinatorikk

Løsningsforslag for eksamen i Matematikk 3 - TMA4115

I forelesningen så vi litt på hvordan vi tegner grafer manuelt. Enkel bruk av GeoGebra er vist gjennom noen korte videoer i bolk 5c.

Estimering 1 -Punktestimering

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

Oppgaver fra boka: X 2 X n 1

Transkript:

KOMPLEKSE TALL KARL K BRUSTAD 1 Defiisjoer og otasjo Defiisjo 1 Et kompleks tall er et objekt på forme x + i der x og er reelle tall og kalles heholdsvis realdele og imagiærdele til det komplekse tallet Smbolet i kalles de imagiære ehet To komplekse tall, x+i og u+iv er like hvis og bare hvis de har samme realdel og imagiærdel Altså x + i u + iv x u og v Defiisjo Algebra med komplekse tall La a + ib og c + id være to komplekse tall Summe av de to komplekse tallee er et kompleks tall gitt ved a + ib + c + id a + c + ib + d Produktet av de to komplekse tallee er et kompleks tall gitt ved a + ibc + id ac bd + iad + bc Vi ka la é bokstav represetere et kompleks tall, som feks z x + i Teorem 1 La z x + i og w u + iv være to komplekse tall Da er 1 z + w w + z zw wz 3 0 + i0 + z z 4 1 + i0z z Bevis 1 z + w x + i + u + iv x + u + i + v u + x + iv + u + iv + x + i w + z zw x + iu + iv xu v + ixv + u ux v + iu + vx u + ivx + i wz Date: 6 april 014 1

KARL K BRUSTAD 3 0 + i0 + z 0 + i0 + x + i 0 + x + i0 + x + i z 4 1 + i0z 1 + i0x + i 1x 0 + i1 + 0x x + i z Notasjo 1 Hvis imagiærdele til et kompleks tall er 0, skriver vi a istedet for a + i0 Spesielt skriver vi 0 istedet for 0 + i0 Hvis realdele til et kompleks tall er 0, skriver vi ib istedet for 0 + ib Spesielt skriver vi i istedet for 0 + i1 Teorem 1, del 3 og 4 sier altså at 0 + z z og at 1z z For et kompleks tall z, meer vi med z det komplekse tallet 1z og med w z meer vi det komplekse tallet w + z Teorem For alle komplekse tall z, w og v, er 1 z + w + v z + w + v zwv zwv 3 zw + v zw + zv 4 0z 0 Bevis Merk at i ii 0 + i10 + i1 0 0 1 1 + i0 1 + 1 0 1 og det er ikke ødvedig å huske defiisjoe av produktet av to komplekse tall fordi pga teorem 1 og er a + ibc + id a + ibc + a + ibid ac + ibc + iad + i bd ac bd + iad + bc Hvis vi lar C betege megde av alle komplekse tall, ka megde av alle reelle tall, R, ses på som e delmegde av C Nemlig de delmegde av de komplekse tallee med imagiærdel lik ull Av dee gru ka adjektivee kompleks og reell ofte sløfes og vi kaller et elemet z C rett og slett for et tall Det er altså ikke ødvedig å bruke pareteser rudt realdele for å skille mellom addisjo av reelle og komplekse tall ettersom alle algebraiske operasjoer ka sees på som operasjoer på komplekse tall

KOMPLEKSE TALL 3 Det komplekse pla Hvert kompleks tall z x + i ka åpebart tilordes øaktig ett pukt x, i plaet R ettersom to pukter i plaet er like hvis og bare hvis begge koordiatee er like Feks vil tallet 1 1 + 0i tilsvare puktet 1, 0 T og tallet i 0 + 1i vil tilsvare puktet 0, 1 T og hvis z x + i og w u + iv så vil tallet z + w x + u + i + v tilsvare puktet x + u x u + + v v og vi ser at addisjo av komplekse tall tilsvarer vektoraddisjo i plaet Vi skal å se at produktet av to tall ka tilordes et pukt i plaet som også har e ekel geometrisk beskrivelse La x, T R være et pukt i plaet Da er x r cos θ r si θ der r x + er avstade fra origo til x, T ev legde av vektore, og der θ er vikele mellom de positive x-akse og lije fra origo til x, T Vi sier at r, θ er polarkoordiater til puktet x, T La u, v T R også være et pukt i plaet og ata at dette puktet har polarkoordiater s, ϕ De to puktee tilsvarer to komplekse tall og Nå er z x + i r cos θ + ir si θ rcos θ + i si θ w u + iv scos ϕ + i si ϕ zw rcos θ + i si θscos ϕ + i si ϕ rs cos θ cos ϕ si θ si ϕ + isi θ cos ϕ + cos θ si ϕ rs cosθ + ϕ + i siθ + ϕ der vi i de tredje likhete har brukt e velkjet trigoometrisk idetitet Altså tilsvarer tallet zw, vektore i plaet med polarkoordiater rs, θ + ϕ Dvs de vektore i plaet som har e legde lik produktet av legdee til x, T og u, v T og vikel lik summe av viklee til x, T og u, v T Pga dette e-til-e-forholdet mellom C og R, er det ikke alltid ødvedig å presisere om vi sakker om et kompleks tall eller et pukt i plaet 3 Komplekse fuksjoer Med e kompleks fuksjo f : D C, der D C, meer vi e regel f som tilorder for hvert tall z D et uikt tall fz C Feks vil fuksjoe f gitt ved fz z dobble legde til z, me bevare retige, mes fuksjoe g gitt ved gz iz vil bevare legde, me rotere z 90 mot klokke 31 Noe viktige fuksjoer De kojugerte, z, av et tall z x + i C er speilige av z om x-akse Dvs z x i Moduluse eller orme, z, til et tall z x + i C er legde av de tilsvaree vektore Dvs z x + Merk at z z z reg ut! og det ka også vises at zw z w

4 KARL K BRUSTAD Argumetet, Arg z, til et tall z x + i C er de uike vikele θ π, π] slik at x r cos θ r si θ der r z Altså er z, Arg z polarkoordiater til z Med arg z argumetet med lite a meer vi megde av alle vikler θ slik at z rcos θ + i si θ Dvs arg z {Arg z + kπ k Z} Merk at det ikke alltid er sat at Argzw Arg z + Arg w Feks er Derimot, har vi alltid at 0 Arg 1 Arg 1 1 Arg 1 + Arg 1 π argzw arg z + arg w : {Arg z + Arg w + kπ k Z} Likhetee over er likheter mellom megder der de adre likhete defierer hva som mees med summe av de to megdee arg z og arg w Selv om arg z er e megde, er det ofte valig å missbruke otasjoe e take og rege med arg z som om det var et tall Dette er mulig fordi alle operasjoer mellom tall har si aturlige tilhørede defiisjo av operasjoer mellom megder, akurat som summe av arg z og arg w er defiert over Kvadratrote, z til et tall z x + i C er det uike tallet w slik at w z og Arg w π/, π/] Gitt et kompleks tall z med polarkoordiater r, θ, θ π, π], fies det lik som i det reelle tilfellet to tall w og w slik at w z w, me bare et av dem vil ha et argumet i itervallet π/, π/] For hvis w z, vil w vil ha polarkoordiater r, θ/, mes w vil ha polarkoordiater r, θ/ ± π Merk at med dee defiisjoe av kvadratrot, er 1 i fordi Arg i π/ π/, π/], mes Arg i π/ 3 De komplekse ekspoesialfuksjoe Det er ikke åpebart hvorda ma ka defiere et utrkk som a z der a er et reelt tall, mes z er kompleks Hva vil det si å opphøe oe i et kompleks tall? For å besvare dette spørsmålet forsøker vi å defiere de komplekse ekspoesialfuksjoe e z Bare koklusjoe, og ikke utledige, av det følgede er pesum: For et reellt tall x, er lim 1 + x e x og vi bruker dee idetitete som grulag for å defiere e z : La z x + i C og for alle 1,, 3,, la c 1 + z Merk at for alle er c et veldefiert kompleks tall Vi defierer å e z c i betdige e z rcos θ + i si θ der r c og θ lim arg c

KOMPLEKSE TALL 5 Vi fier r: c 1 + x + i + x + i + x + 1 + x + x + / Det følger da at l r l lim c l c l 1 l + x + x + 1 + x + x + / x x + 3 1 + x + x + x + x + 1 + x + x + x, l Hôp 1 / Dvs r e x For et kompleks tall z x + i der x r cos θ 0 og r si θ, er ta θ x Så hvis θ π/, π/, dvs x > 0, så er Arg z θ arcta x Nå er c +x + i, og for store ok, er +x > 0 og + x Arg + i / arcta arcta + x/ + x

6 KARL K BRUSTAD Dermed er Altså har vi følgede defiisjo: [ + x lim arg c arg + x arg arcta lim 1 + 1 + +x +1 +1 ] + i + i, l Hôp 1/ 1 1/ +1 +1 Defiisjo 3 For alle komplekse tall z x + i er de komplekse ekspoesialfuksjoe e z defiert som Vi skal fie løsigee til sstemet e z e x+i e x cos + i si 4 Komplekse egeverdier dx 41 dt Ax år egeverdiee til x-matrise A har komplekse egeverdier Egeverdiee til A er løsigee til ligige 0 deta λi λ tr Aλ + det A og vi atar å at : tr A 4 det A < 0, slik at λ 1 tr A + tr A + i λ tr A i Vi ser at λ λ 1, så vi lar λ : α + iω der α tr A og ω Egevektore tilhørede λ er e løsig w 0 av ligige 0 A λiw Dee egevektore er kompleks og ka skrives på forme u1 + iv w 1 u + iv u + iv der u, v R Egevektore tilhørede egeverdie λ er w fordi A har reelle elemeter, så Aw Aw λw λw

KOMPLEKSE TALL 7 Derivasjo av komplekse fuksjoer er ikke pesum, me det viser seg at de komplekse vektorfuksjoe x : R C gitt ved 4 xt c 1 e λt w + c e λt w er e løsig av 41 for alle komplekse kostater c 1 og c Fuksjoe 4 er de geerelle komplekse løsige av 41 Vi skal å vise at hvis det er gitt e reell iitsialbetigelse til sstemet 41, så er c 1 og c komplekskojugerte av hveradre Dvs hvis x0 x 0 R, så er c c 1 : La W være de komplekse x-matrise med egevektoree som koloer Dvs Da er W w, w x 0 x0 c 1 e λ0 w + c e λ0 w c 1 w + c w W Me ettersom x 0 R, er x 0 x 0, så vi har også at Dermed er x 0 x 0 c 1 w + c w c w + c 1 w W W c1 c W c c 1 c c 1 c1 c og på samme måte som i det reelle tilfellet, er W iverterbar fordi egevektoree er forskjellige, så ved å multiplisere likhete over med W 1 fra vestre får vi at c 1, c T c, c 1 T, altså c c 1 Skriv c : c 1 a + ib, a, b R For reelle iitsialverdier er altså løsige reell fordi xt ce λt w + ce λt w e αt ce iωt w + ce iωt w e αt ce iωt w + ce iωt w e αt Rce iωt w R, t R Vi har brukt at e iωt e iωt og idetitete z + z Rz For å fie løsige uttrkt ved si og cos bereger vi at ce iωt w e iωt a + ibu + iv cos ωt + i si ωtau bv + iav + bu cos ωtau bv si ωtav + bu + i og de geerelle reelle løsige av 41 er da 43 xt e αt[ cos ωtau bv si ωtav + bu ] der α tr A 4 det A tr A ω u + iv w, er e egevektor til λ α + iω

8 KARL K BRUSTAD og der a og b tilfredsstiller c a + ib a x 0 W u + iv, u iv u, v c a ib b Vi øsker å løse iitsialverdiproblemet 5 Eksempel dx x, dt x0 1 d x 3, dt 0 1 Dette ka skrives på matriseform dx 1 51 dt Ax, x0 1 der A 1 1 3 Nå er tr A 4 og det A 5, så α og ω 1 4 det A tr A 1 0 16 1 Dermed ka vi umiddelbart si at likevektspuktet 0, 0 T er e stabil spiral Det gjestår å fie egevektore til λ α + iω og kostatee a og b 0 A λiw 1 λ 1 w1 3 λ w 1 + i 1 w1 3 + i w 1 i 1 w1 1 i Vi vet at matrise er sigulær, så likhete over holder hvis og bare hvis w 0 1 iw 1 w Så hvis w 1 t, må w 1 it og for alle t er ligige Altså er w w1 w 1 1 0 + i : u + iv 1 i 1 1 e egevektor til A med tilhørede egeverdi λ Fra 43 ser vi at x0 au bv, så 1 1 0 x0 au bv a b 1 1 1 1 t e løsig av 1 i

KOMPLEKSE TALL 9 hvilket gir a 1/ og b 0 Isatt i 43 blir dette xt e αt[ cos ωtau bv si ωtav + bu ] e t[ cos tu/ si tv/ ] e cos t 1 0 t si t 1 1 e t cos t cos t + si t Vi sjekker at dee fuksjoe virkelig er e løsig av sstemet 51: For det første oppfller fuksjoe iitsialbetigelse fordi x0 1, 1 T og ved produktregele er dx dt e t cos t cos t + si t e t cos t si t cos t 3 si t + e t, si t si t + cos t som er det samme som 1 1 Ax e t cos t 3 cos t + si t e t cos t si t cos t 3 si t