Komplexná analýza
Peter Šepitka
podzim 2014
Obsah
1 Komplexné čísla
Komplexné čísla
Obsah
1 Komplexné čísla
Komplexné čísla
Obor komplexných čísiel
Pod pojmom komplexné číslo a rozumieme usporiadanú dvojicu (α, β) ∈ R2
.
Prvá zložka α tejto dvojice sa nazýva reálna časť komplexného čísla a, druhá
zložka β sa nazýva imaginárna časť komplexného čísla a, označujeme α = Re a
a β = Im a. Definujeme sčítanie a násobenie komplexných čísiel
(α, β) + (γ, δ) := (α + γ, β + δ),
(α, β) · (γ, δ) := (αγ − βδ, αδ + βγ).
Sčítanie i násobenie komplexných čísiel sú asociatívne a komutatívne binárne
operácie a pre každú trojicu a, b, c komplexných čísiel platí distributívny zákon
a · (b + c) = a · b + a · c.
Pre úplnosť definujeme násobenie komplexného čísla reálnym číslom
r(α, β) := (rα, rβ), r ∈ R.
Nula – (0, 0) – neutrálny prvok vzhľadom na sčítanie, t.j.,
(α, β) + (0, 0) = (0, 0) + (α, β) = (α, β).
Jednotka – (1, 0) – neutrálny prvok vzhľadom na násobenie, t.j.,
(α, β) · (1, 0) = (1, 0) · (α, β) = (α, β).
Komplexné čísla
Opačné číslo ku komplexnému číslu a = (α, β)
−a := (−α, −β)
Komplexné číslo −a je jediné riešenie rovnice
a + z = (0, 0).
Inverzné číslo k nenulovému komplexnému číslu a = (α, β)
a−1
:=
α
α2 + β2
,
−β
α2 + β2
.
Komplexné číslo a−1
je jediné riešenie rovnice
a · z = (1, 0).
Odčítanie komplexných čísiel a, b definujeme a − b := a + (−b).
Delenie komplexných čísiel a, b, b = (0, 0), definujeme a/b := a · b−1
.
Množina všetkých komplexných čísiel sa označuje C. Algebraická štruktúra
(C, +, ·) je teleso, ktoré sa nedá usporiadať (na rozdiel od (R, +, ·)).
Komplexné čísla
Algebraický tvar komplexného čísla
Podmnožina komplexných čísiel
R := {a ∈ C, a = (α, 0), α ∈ R}
je podtelesom telesa C izomorfným s telesom R všetkých reálnych čísiel. Preto
je možné množiny R a R, ako algebraické štruktúry, stotožniť. To znamená, že
v množine C budeme klásť α = (α, 0) pre každé α ∈ R. Potom 0 = (0, 0) a
1 = (1, 0). Ďalej, komplexné číslo (0, 1) sa označuje symbolom i, t.j., i = (0, 1),
a nazýva sa imaginárna jednotka. Platí i2
= (−1, 0) = −1. Tieto označenia
potom umožňujú vyjadriť komplexné číslo a = (α, β) v tzv. algebraickom tvare
a = (α, β) = (α, 0) + (0, β) = α(1, 0) + β(0, 1) = α + iβ. (1)
Komplexné číslo a = α + iβ s β = 0 (teda s Im a = 0) sa označuje ako reálne
(komplexné) číslo, kým komplexné číslo a = α + iβ s β = 0 (teda s Im a = 0)
sa nazýva imaginárne (komplexné) číslo. Imaginárne číslo s nulovou reálnou
časťou sa nazýva rýdzo imaginárne (komplexné) číslo. Komplexne združené
číslo ¯a k číslu a = α + iβ ∈ C je definované ako ¯a = α − iβ.
Komplexné čísla
Absolútna hodnota (veľkosť) |a| komplexného čísla a = α + iβ sa definuje
|a| := α2 + β2. (2)
Reálne číslo |a| vyjadruje geometrickú vzdialenosť bodu [α, β] od bodu [0, 0] v
reálnej rovine. Všeobecne, pre a, b ∈ C reálne číslo |a − b| vyjadruje vzájomnú
vzdialenosť bodov [Re a, Im a] a [Re b, Im b] v reálnej rovine.
Poznámka 1 (Základné vlastnosti)
Nech a, a1, a2 ∈ C. Potom platí:
¯¯a = a, a1 ± a2 = ¯a1 ± ¯a2, a1a2 = ¯a1¯a2, a1/a2 = ¯a1/¯a2, ak a2 = 0.
a¯a = |a|2
, |a1a2| = |a1||a2|, |a1/a2| = |a1|/|a2|, ak a2 = 0.
trojuholníkové nerovnosti ||a1| − |a2|| ≤ |a1 + a2| ≤ |a1| + |a2|.
|Re a| ≤ |a|, |Im a| ≤ |a|.
Re a =
a + ¯a
2
, Im a =
a − ¯a
2i
.
Re (a1 ± a2) = Re a1 ± Re a2, Im (a1 ± a2) = Im a1 ± Im a2.
Komplexné čísla
Komplexná (Gaussova) rovina
Prirodzeným modelom množiny C komplexných čísiel je (euklidovská) rovina –
komplexná (Gaussova) rovina. Každému komplexnému číslu z = x + iy je
priradený bod v rovine so súradnicami [x, y]. Naopak, každému bodu [x, y]
roviny odpovedá práve jedno komplexné číslo z = x + iy. Ďalej budeme preto
pre jednoduchosť stotožnovať body roviny s komplexnými číslami. Vzdialenosť
(metrika) sa v množine C definuje pomocou absolútnej hodnoty komplexného
čísla zavedenej v (2), t.j., vzdialenosť dvoch komplexných čísiel z1 a z2 je
definovaná d(z1, z2) := |z1 − z2|.
Ako je to s pojmom “komplexné” nekonečno? Pre množinu C komplexných
čísiel sa definuje iba jedno “nekonečno”. Konkrétne, k množine C sa formálne
pridá jeden prvok, ktorý sa označuje symbolom ∞, spĺňajúci vlastnosti
∞ = −∞ = |∞|, ∞ · ∞ = ∞,
z + ∞ = ∞, z/∞ = 0, ∞/z = ∞ pre z ∈ C,
z · ∞ = ∞, z/0 = ∞, pre z ∈ C \ {0}.
Nedefinujú sa výrazy ∞ + ∞, ∞ − ∞, 0 · ∞, 0/0, ∞/∞. Množina C ∪ {∞}
sa spolu s danými algebraickými operáciami označuje ˜C a nazýva sa rozšírená
(uzavretá) komplexná rovina alebo tiež rozšírená (uzavretá) Gaussova rovina.
Komplexné čísla
Goniometrický (polárny) tvar komplexného čísla
S modelom komplexnej roviny úzko súvisí tzv. goniometrický (polárny) tvar
komplexných čísiel. Každé nenulové komplexné číslo z je možné vyjadriť v tvare
z = |z| (cos ϕ + i sin ϕ), (3)
kde ϕ je argument komplexného čísla z definovaný rovnicami
cos ϕ =
Re z
|z|
, sin ϕ =
Im z
|z|
. (4)
Argument ϕ nie je určený jednoznačne (ak ϕ je argument z, potom i ϕ + 2kπ,
k ∈ Z, je argument z). Množina všetkých argumentov daného komplexného
čísla sa označuje Arg z (je to tzv. mnohoznačná funkcia premennej z). Symbol
arg z bude označovať základný (hlavný) argument komplexného čísla z, t.j.,
argument spĺňajúci −π ≤ arg z < π. Základný argument arg z je pre dané z
určený jednoznačne. Platí
Arg z = {arg z + 2kπ, k ∈ Z}. (5)
Posledná rovnosť sa často zapisuje i v tvare Arg z ≡ arg z (mod 2π).
Komplexné čísla
Zavedenie goniometrického tvaru v (3) umožňuje efektívne násobiť a deliť
komplexné čísla. Konkrétne, ak
z1 = |z1| (cos ϕ1 + i sin ϕ1), z2 = |z2| (cos ϕ2 + i sin ϕ2)
sú dve komplexné čísla a ϕ1 a ϕ2 sú ich ľubovoľné argumenty, potom platí
z1z2 = |z1||z2| (cos ϕ1 + i sin ϕ1) (cos ϕ2 + i sin ϕ2)
= |z1||z2| [(cos ϕ1 cos ϕ2 − sin ϕ1 sin ϕ2)
+ i(sin ϕ1 cos ϕ2 + cos ϕ1 sin ϕ2)]
= |z1||z2| [cos(ϕ1 + ϕ2) + i sin(ϕ1 + ϕ2)]. (6)
Z rovnosti (6) potom vyplýva
Arg (z1z2) = Arg z1 +Arg z2 a arg(z1z2) ≡ arg z1 +arg z2 (mod 2π), (7)
ako aj tzv. Moivreov vzorec na výpočet n-tej mocniny komplexného čísla z
zn
= |z|n
[cos (n arg z) + i sin (n arg z)], n ∈ N. (8)
Okrem toho z relácií (7) vyplýva
Arg (zn
) = n Arg z a arg(zn
) ≡ n arg z (mod 2π). (9)
Komplexné čísla
Podobne, pre podiel z1/z2, z2 = 0, platí
z1
z2
=
|z1|
|z2|
cos ϕ1 + i sin ϕ1
cos ϕ2 + i sin ϕ2
=
|z1|
|z2|
cos ϕ1 + i sin ϕ1
cos ϕ2 + i sin ϕ2
cos ϕ2 − i sin ϕ2
cos ϕ2 − i sin ϕ2
=
|z1|
|z2|
cos(ϕ1 − ϕ2) + i sin(ϕ1 − ϕ2)
cos2 ϕ2 + sin2
ϕ2
=
|z1|
|z2|
[cos(ϕ1 − ϕ2) + i sin(ϕ1 − ϕ2)]. (10)
Potom máme
Arg
z1
z2
= Arg z1 − Arg z2, arg
z1
z2
≡ arg z1 − arg z2 (mod 2π). (11)
Pre každé z ∈ C a n ∈ N je n-tá odmocnina zo z definovaná ako
n
√
z = n
|z| cos
arg z + 2kπ
n
+ i sin
arg z + 2kπ
n
, (12)
kde k = 0, . . . , n − 1. Pre pevné n sa teda jedná o mnohoznačnú funkciu
(premennej z), pričom pre každé z ∈ C existuje práve n jeho n-tých odmocnín.
Komplexné čísla
Výraz cos ϕ + i sin ϕ, ϕ ∈ R, sa obvykle označuje symbolom eiϕ
, t.j.,
eiϕ
:= cos ϕ + i sin ϕ. (13)
Pre každé z ∈ C potom platí
z = |z| eiϕ
, ϕ ∈ Arg z. (14)
Zápis (14) sa nazýva exponenciálny tvar komplexného čísla z. Pre každé ϕ, ϕ1,
ϕ2 ∈ R platí
|eiϕ
| = 1, arg eiϕ
≡ ϕ (mod 2π), eiϕ = e−iϕ
= 1/eiϕ
, (15)
cos ϕ =
eiϕ
+ e−iϕ
2
, sin ϕ =
eiϕ
− e−iϕ
2i
, (16)
ei(ϕ1+ϕ2)
= eiϕ1
eiϕ2
, ei(ϕ1−ϕ2)
= eiϕ1
/eiϕ2
, (17)
eiϕ
m
= eimϕ
, m ∈ Z. (18)
Neskôr ukážeme, že výraz eiϕ
zavedený v (13) je rozšírením exponenciálnej
funkcie ex
do oboru komplexných čísiel.
Komplexné čísla
Príklad 1
Dané komplexné číslo napíšte v goniometrickom tvare
1 + i.
Pre komplexné číslo z = 1 + i platí
Re z = 1, Im z = 1, |z| = 12 + 12 =
√
2.
Ľubovoľný argument ϕ čísla z potom spĺňa rovnosti
cos ϕ = Re z/|z| = 1/
√
2, sin ϕ = Im z/|z| = 1/
√
2.
Riešenie tejto sústavy je napr. ϕ = 9π/4. Potom platí
z =
√
2 [cos (9π/4) + i sin (9π/4)].
Základný argument čísla z je arg z = π/4 a podobne platí
z =
√
2 [cos (π/4) + i sin (π/4)].
Komplexné čísla
Príklad 2
Dané komplexné číslo napíšte v goniometrickom tvare
−2
√
3 − 2i.
Pre komplexné číslo z = −2
√
3 − 2i platí
Re z = −2
√
3, Im z = −2, |z| = (−2
√
3)2 + (−2)2 = 4.
Ľubovoľný argument ϕ čísla z spĺňa rovnosti
cos ϕ = Re z/|z| = −
√
3/2, sin ϕ = Im z/|z| = −1/2.
Základný argument čísla z je arg z = −5π/6 a platí
z = 4 [cos (−5π/6) + i sin (−5π/6)].
Komplexné čísla
Príklad 3
Vypočítajte
(1 + i
√
3)15
.
Použijeme Moivreov vzorec (8). Komplexné číslo z = 1 + i
√
3 prepíšeme do
goniometrického tvaru. Platí |z| = 2, arg z = π/3, a teda
z = 2 [cos (π/3) + i sin (π/3)].
Potom podľa (8) máme
z15
= 215
[cos (15π/3) + i sin (15π/3)] = 215
[cos (5π) + i sin (5π)] = −215
.
Poznamenajme, že rovnaký výsledok by sme získali klasickým roznásobením
podľa binomickej vety.
Komplexné čísla
Príklad 4
Vypočítajme v C
3
√
−8.
Podľa (12) existujú práve 3 komplexné tretie odmocniny z čísla z = −8.
Goniometrický tvar čísla z je
z = 8 [cos (−π) + i sin (−π)].
Podľa (12) platí
3
√
−8 =
3
√
8 cos
−π + 2kπ
3
+ i sin
−π + 2kπ
3
,
pričom k = 0, 1, 2. Postupne dostáveme
k = 0 −→
3
√
8 cos
−π
3
+ i sin
−π
3
= 1 − i
√
3,
k = 1 −→
3
√
8 cos
π
3
+ i sin
π
3
= 1 + i
√
3,
k = 2 −→
3
√
8 (cos π + i sin π) = −2.