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Komplexe Zahlen und quadratische Gleichungen

Manche Gleichungen wie x² + 1 = 0 haben keine reelle Lösung, weil keine reelle Zahl ein negatives Quadrat hat. Darum führen wir eine neue Zahl i mit i² = −1 ein. Eine komplexe Zahl ist z = a + ib: a ist der Realteil und b der Imaginärteil. Wir addieren, subtrahieren und multiplizieren komplexe Zahlen wie in der Algebra und ersetzen dabei i² durch −1. Beim Dividieren erweitern wir den Bruch mit der konjugierten Zahl des Nenners. In der Gaußschen Ebene ist z = a + ib der Punkt (a, b). Die konjugierte Zahl a − ib ist sein Spiegelbild an der reellen Achse, und der Betrag √(a² + b²) ist sein Abstand vom Ursprung. Jede quadratische Gleichung ax² + bx + c = 0 mit D = b² − 4ac < 0 hat zwei komplexe Lösungen, die zueinander konjugiert sind.

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Keine reelle Zahl ergibt im Quadrat eine negative Zahl. Also erfinden wir i mit i² = −1. Im 3D-Bild dreht sich der Pfeil 1 um eine Vierteldrehung zu i, und noch eine Vierteldrehung ergibt −1.
  2. Eine komplexe Zahl z = a + ib ist ein Punkt. Geh a Schritte nach rechts auf der reellen Achse und b Schritte nach oben auf der imaginären Achse. Hier ist z = 3 + 2i.
  3. Zum Addieren legst du die Pfeile Spitze an Anfang. Realteile addieren sich, Imaginärteile addieren sich: (3 + 2i) + (1 + 3i) = 4 + 5i.
  4. Die Multiplikation mit i dreht einen Pfeil um 90°. Schau dir die Potenzen an: i, −1, −i, 1, und dann wiederholt sich alles nach 4 Schritten.
  5. Die konjugierte Zahl z̄ = a − ib ist das Spiegelbild an der reellen Achse. Der Betrag |z| ist die Länge des Pfeils: Für 3 + 4i ist er 5.
  6. Freies Spiel: Wähle z₁ und z₂ und addiere, subtrahiere, multipliziere oder dividiere sie. Oder gib eine quadratische Gleichung mit D < 0 ein und sieh dir ihre zwei komplexen Lösungen an.

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Ist i nur ein ausgedachter Trick ohne Bedeutung?

Nein. i ist eine Vierteldrehung. Im 3D-Bild dreht die Multiplikation von 1 mit i den Pfeil um 90° zu i, und eine weitere Drehung landet bei −1. Genau das ist i² = −1.

Warum heißt b Imaginärteil, wenn es eine reelle Zahl ist?

b selbst ist reell; es sagt nur, wie weit du auf der imaginären Achse nach oben gehst. Im 3D-Bild sind z = 3 + 2i drei Schritte nach rechts und zwei Schritte nach oben.

Warum darf ich nicht sagen, dass eine komplexe Zahl größer als eine andere ist?

Punkte in einer Ebene liegen nicht auf einer Linie, also gibt es keine Ordnung von links nach rechts. Du kannst ihre Abstände von O (die Beträge) vergleichen, gezeigt durch den Ring in Schritt 5.

Warum sieht das Addieren komplexer Zahlen aus wie das Addieren von Vektoren?

Weil sich die Realteile entlang der einen Achse und die Imaginärteile entlang der anderen addieren. Im 3D-Bild rutscht der rote Pfeil an die Spitze des blauen, und der grüne Pfeil ist die Summe.

Wie finde ich i hoch eine große Zahl schnell?

Vier Vierteldrehungen bringen dich zum Start zurück, also zählt nur der Rest nach dem Teilen durch 4. Sieh in Schritt 4, wie der Pfeil einen ganzen Kreis durchläuft.

Warum kommen komplexe Lösungen einer quadratischen Gleichung paarweise vor?

Das ± in der Formel ergibt p + iq und p − iq, Spiegelbilder an der reellen Achse. Löse im freien Spiel x² + 2x + 5 = 0 und sieh, wie sich die zwei Pfeile spiegeln.

Warum brauchen wir komplexe Zahlen?

Quadriere eine beliebige reelle Zahl: 3² = 9, (−3)² = 9, 0² = 0. Das Ergebnis ist nie negativ. Deshalb hat x² = −1, also x² + 1 = 0, keine reelle Lösung.

Mathematiker lösten das, indem sie eine neue Zahl hinzufügten, die imaginäre Einheit i mit i² = −1. Also ist √(−1) = i und √(−9) = √9 · i = 3i.

Eine komplexe Zahl ist jede Zahl z = a + ib mit reellen a und b. Wir nennen a den Realteil, Re(z), und b den Imaginärteil, Im(z). Reelle Zahlen sind komplexe Zahlen mit b = 0, es geht also nichts Altes verloren. Sieh dir Schritt 1 im 3D-Bild an: i ist eine Vierteldrehung von 1.

Potenzen von i

i¹ = i, i² = −1, i³ = i²·i = −i, i⁴ = (i²)² = 1. Danach wiederholt sich das Muster. Um iⁿ zu finden, teile n durch 4 und nimm den Rest: i⁴ᵏ = 1, i⁴ᵏ⁺¹ = i, i⁴ᵏ⁺² = −1, i⁴ᵏ⁺³ = −i. Beispiel: i¹⁰² → 102 = 4 × 25 + 2, also i¹⁰² = −1.

Vorsicht: √a · √b = √(ab) gilt nur, wenn a und b nicht beide negativ sind. Zum Beispiel √(−4)·√(−9) = 2i·3i = 6i² = −6 und nicht √36 = 6.

Rechnen mit komplexen Zahlen

Identitäten wie (z₁ + z₂)² = z₁² + 2z₁z₂ + z₂² gelten auch für komplexe Zahlen.

Konjugierte und Betrag

Die konjugierte Zahl von z = a + ib ist z̄ = a − ib (das Vorzeichen des Imaginärteils wechselt). Der Betrag ist |z| = √(a² + b²). Nützliche Fakten: z · z̄ = |z|², |z₁z₂| = |z₁||z₂|, |z₁/z₂| = |z₁|/|z₂|, conj(z₁ + z₂) = z̄₁ + z̄₂, conj(z₁z₂) = z̄₁ z̄₂.

Zwischen zwei nicht reellen komplexen Zahlen gibt es kein „größer“ oder „kleiner“: 2 + i > 1 + 3i ist sinnlos. Nur ihre Beträge lassen sich vergleichen.

Die Gaußsche Ebene

Zeichne zwei senkrechte Achsen. Die waagrechte ist die reelle Achse, die senkrechte die imaginäre Achse. Die Zahl z = a + ib ist der Punkt (a, b). Dieses Bild heißt Gaußsche Zahlenebene (oder komplexe Ebene, auf Englisch Argand plane).

Quadratische Gleichungen mit komplexen Lösungen

Für ax² + bx + c = 0 (a, b, c reell) sind die Lösungen x = (−b ± √D)/2a mit D = b² − 4ac.

Beispiel: x² + 2x + 5 = 0. D = 4 − 20 = −16, √D = 4i, x = (−2 ± 4i)/2 = −1 ± 2i. Probier es im freien Spiel aus.

Worauf es in der Prüfung ankommt

Die Algebra bringt in der Klasse 11 etwa 25 Punkte. Aus diesem Kapitel kommen typischerweise: Potenzen von i (1 Punkt), einen Quotienten in die Form a + ib bringen (2–3 Punkte), Betrag, Konjugierte und Inverses (2 Punkte) und quadratische Gleichungen mit D < 0 lösen (2–3 Punkte). Gib das Endergebnis immer in der Form a + ib an.

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Bestimme i⁵⁷ und i⁻³.

57 = 4 × 14 + 1, also i⁵⁷ = i¹ = i. i⁻³ = 1/i³ = 1/(−i) = −1/i. Erweitere mit i: −i/i² = −i/(−1) = i. Also i⁻³ = i.

2. Vereinfache (5 − 3i) + (−2 + 7i) und (5 − 3i) − (−2 + 7i).

Summe: Realteil 5 + (−2) = 3, Imaginärteil −3 + 7 = 4, also 3 + 4i. Differenz: Realteil 5 − (−2) = 7, Imaginärteil −3 − 7 = −10, also 7 − 10i.

3. Multipliziere (2 + 3i)(4 − i).

2·4 + 2·(−i) + 3i·4 + 3i·(−i) = 8 − 2i + 12i − 3i². Setze i² = −1: 8 + 3 + 10i = 11 + 10i.

4. Bestimme Betrag, Konjugierte und multiplikatives Inverses von z = 3 − 4i.

|z| = √(9 + 16) = 5. z̄ = 3 + 4i. z⁻¹ = z̄/|z|² = (3 + 4i)/25 = 3/25 + (4/25)i. Probe: (3 − 4i)(3 + 4i)/25 = 25/25 = 1.

5. Schreibe (1 + 2i)/(3 − i) in der Form a + ib.

Erweitere Zähler und Nenner mit 3 + i. Nenner: 9 + 1 = 10. Zähler: (1 + 2i)(3 + i) = 3 + i + 6i + 2i² = 1 + 7i. Ergebnis: 1/10 + (7/10)i.

6. Löse 2x² − 2x + 1 = 0.

a = 2, b = −2, c = 1. D = 4 − 8 = −4 < 0, also √D = 2i. x = (2 ± 2i)/4 = 1/2 ± (1/2)i. Die Lösungen 1/2 + i/2 und 1/2 − i/2 sind konjugiert zueinander.

7. Bestimme die reellen Zahlen x und y, wenn (x + 2y) + i(2x − y) = 5 + 5i.

Gleiche komplexe Zahlen haben gleiche Teile: x + 2y = 5 und 2x − y = 5. Aus der zweiten Gleichung folgt y = 2x − 5. Dann x + 4x − 10 = 5, also x = 3 und y = 1.

8. Wenn (a + ib)/(c + id) = x + iy, zeige, dass (a² + b²)/(c² + d²) = x² + y².

Bilde den Betrag auf beiden Seiten: |a + ib|/|c + id| = |x + iy|. Also √(a² + b²)/√(c² + d²) = √(x² + y²). Quadrieren beider Seiten ergibt die Behauptung.

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. i² ist gleich:
2. Die konjugierte Zahl von −2 + 5i ist:
3. |6 − 8i| =
4. i¹⁰³ ist gleich:
5. Die Lösungen von x² + 9 = 0 sind:

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Gehört die Gaußsche Ebene zum indischen CBSE-Lehrplan 2026-27 der Klasse 11?

Ja. Das Kapitel nennt die Notwendigkeit komplexer Zahlen, ihre algebraischen Eigenschaften und die Gaußsche Ebene. Die Polarform steht im aktuellen Lehrplan nicht, deshalb konzentriert sich diese Lektion auf die Form a + ib, den Betrag und die Konjugierte.

Was ist der Wert der imaginären Einheit i?

Die imaginäre Einheit i ist die Zahl, deren Quadrat −1 ist, also i = √(−1). Sie ist keine reelle Zahl, und ihre Potenzen wiederholen sich: i, −1, −i, 1.

Wie dividiere ich zwei komplexe Zahlen?

Erweitere Zähler und Nenner mit der konjugierten Zahl des Nenners. Der Nenner wird die reelle Zahl c² + d², und danach teilst du das Ergebnis in die Form a + ib auf.

Wo das unterrichtet wird

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