📘 CodingMarble Learn

Комплексные числа и квадратные уравнения

У некоторых уравнений, например x² + 1 = 0, нет действительного решения: квадрат любого действительного числа не бывает отрицательным. Поэтому мы вводим новое число i, для которого i² = −1. Комплексное число имеет вид z = a + ib: a — действительная часть, b — мнимая часть. Комплексные числа складывают, вычитают и умножают как обычные выражения, заменяя i² на −1. Чтобы разделить, умножают числитель и знаменатель на сопряжённое число. На плоскости Аргана число z = a + ib — это точка (a, b). Сопряжённое число a − ib — её зеркальное отражение относительно действительной оси, а модуль √(a² + b²) — расстояние до начала координат. У каждого квадратного уравнения ax² + bx + c = 0 с D = b² − 4ac < 0 есть два комплексных корня, и они сопряжены друг другу.

🎬 История по шагам

  1. Квадрат действительного числа не бывает отрицательным. Поэтому мы придумываем i, для которого i² = −1. В 3D стрелка 1 поворачивается на четверть оборота и становится i, ещё одна четверть оборота даёт −1.
  2. Комплексное число z = a + ib — это точка. Пройдите a шагов вправо по действительной оси и b шагов вверх по мнимой оси. Здесь z = 3 + 2i.
  3. Чтобы сложить числа, приставьте стрелки друг к другу «хвост к кончику». Действительные части складываются, мнимые тоже: (3 + 2i) + (1 + 3i) = 4 + 5i.
  4. Умножение на i поворачивает стрелку на 90°. Смотрите на степени: i, −1, −i, 1, а потом цикл повторяется каждые 4 шага.
  5. Сопряжённое число z̄ = a − ib — зеркальное отражение относительно действительной оси. Модуль |z| — длина стрелки: для 3 + 4i он равен 5.
  6. Свободная игра: задайте z₁ и z₂, затем сложите, вычтите, умножьте или разделите их. Или введите квадратное уравнение с D < 0 и посмотрите на два комплексных корня.

Совет: тяни 3D-сцену, чтобы повернуть её. Двумя пальцами можно приблизить.

🤔 Частые сомнения — разобраны

i — это просто выдуманный трюк без смысла?

Нет. i — это четверть оборота. В 3D при умножении 1 на i стрелка поворачивается на 90° и становится i, а ещё один поворот приводит к −1. Это и есть i² = −1.

Почему b называют мнимой частью, если это действительное число?

Само b действительное; оно просто показывает, на сколько подняться по мнимой оси. В 3D число z = 3 + 2i — это 3 шага вправо и 2 шага вверх.

Почему нельзя сказать, что одно комплексное число больше другого?

Точки плоскости не лежат на одной прямой, поэтому порядка «слева направо» нет. Можно сравнивать расстояния от O (модули) — их показывает кольцо на шаге 5.

Почему сложение комплексных чисел похоже на сложение векторов?

Потому что действительные части складываются вдоль одной оси, а мнимые — вдоль другой. В 3D красная стрелка сдвигается к кончику синей, а зелёная стрелка — это сумма.

Как быстро найти i в большой степени?

Четыре четверти оборота возвращают в начало, поэтому важен только остаток от деления на 4. Посмотрите, как стрелка делает полный круг на шаге 4.

Почему комплексные корни квадратного уравнения идут парами?

Знак ± в формуле даёт p + iq и p − iq — зеркальные отражения относительно действительной оси. В свободной игре решите x² + 2x + 5 = 0 и увидите, как две стрелки отражают друг друга.

Зачем нужны комплексные числа?

Возведите в квадрат любое действительное число: 3² = 9, (−3)² = 9, 0² = 0. Ответ никогда не отрицателен. Значит, у уравнения x² = −1, то есть x² + 1 = 0, нет действительного решения.

Математики решили это, добавив одно новое число. Его называют мнимой единицей и обозначают i, причём i² = −1. Значит, √(−1) = i, а √(−9) = √9 · i = 3i.

Комплексное число — это любое число z = a + ib, где a и b действительные. Число a называют действительной частью, Re(z), а b — мнимой частью, Im(z). Действительные числа — это комплексные числа с b = 0, так что ничего старого мы не теряем. Посмотрите шаг 1 в 3D: i — это четверть оборота числа 1.

Степени i

i¹ = i, i² = −1, i³ = i²·i = −i, i⁴ = (i²)² = 1. Дальше значения повторяются. Чтобы найти iⁿ, разделите n на 4 и используйте остаток: i⁴ᵏ = 1, i⁴ᵏ⁺¹ = i, i⁴ᵏ⁺² = −1, i⁴ᵏ⁺³ = −i. Пример: i¹⁰² → 102 = 4 × 25 + 2, поэтому i¹⁰² = −1.

Осторожно: равенство √a · √b = √(ab) верно, только если a и b не отрицательны одновременно. Например, √(−4)·√(−9) = 2i·3i = 6i² = −6, а не √36 = 6.

Действия с комплексными числами

Формулы вроде (z₁ + z₂)² = z₁² + 2z₁z₂ + z₂² работают и для комплексных чисел.

Сопряжённое число и модуль

Сопряжённое число для z = a + ib — это z̄ = a − ib (меняем знак мнимой части). Модуль — это |z| = √(a² + b²). Полезные факты: z · z̄ = |z|², |z₁z₂| = |z₁||z₂|, |z₁/z₂| = |z₁|/|z₂|, conj(z₁ + z₂) = z̄₁ + z̄₂, conj(z₁z₂) = z̄₁ z̄₂.

Два недействительных комплексных числа нельзя назвать «больше» или «меньше»: запись 2 + i > 1 + 3i не имеет смысла. Сравнивать можно только их модули.

Плоскость Аргана

Проведите две перпендикулярные оси. Горизонтальная — это действительная ось, вертикальная — мнимая ось. Число z = a + ib — это точка (a, b). Такую картинку называют плоскостью Аргана (или комплексной плоскостью).

Квадратные уравнения с комплексными корнями

Для ax² + bx + c = 0 (a, b, c действительные) корни равны x = (−b ± √D)/2a, где D = b² − 4ac.

Пример: x² + 2x + 5 = 0. D = 4 − 20 = −16, √D = 4i, x = (−2 ± 4i)/2 = −1 ± 2i. Проверьте в свободной игре.

На что обратить внимание на экзамене

В 11 классе (по программе CBSE) на алгебру приходится около 25 баллов. Из этой главы ждите: степени i (1 балл), запись частного в виде a + ib (2–3 балла), модуль, сопряжённое и обратное число (2 балла), решение квадратных уравнений с D < 0 (2–3 балла). Окончательный ответ всегда записывайте в виде a + ib.

Главные формулы и определения

Разобранные примеры

1. Найдите i⁵⁷ и i⁻³.

57 = 4 × 14 + 1, поэтому i⁵⁷ = i¹ = i. i⁻³ = 1/i³ = 1/(−i) = −1/i. Умножим числитель и знаменатель на i: −i/i² = −i/(−1) = i. Значит, i⁻³ = i.

2. Упростите (5 − 3i) + (−2 + 7i) и (5 − 3i) − (−2 + 7i).

Сумма: действительная часть 5 + (−2) = 3, мнимая −3 + 7 = 4, итого 3 + 4i. Разность: действительная часть 5 − (−2) = 7, мнимая −3 − 7 = −10, итого 7 − 10i.

3. Умножьте (2 + 3i)(4 − i).

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

4. Найдите модуль, сопряжённое и обратное число для z = 3 − 4i.

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

5. Запишите (1 + 2i)/(3 − i) в виде a + ib.

Умножим числитель и знаменатель на 3 + i. Знаменатель: 9 + 1 = 10. Числитель: (1 + 2i)(3 + i) = 3 + i + 6i + 2i² = 1 + 7i. Ответ: 1/10 + (7/10)i.

6. Решите 2x² − 2x + 1 = 0.

a = 2, b = −2, c = 1. D = 4 − 8 = −4 < 0, поэтому √D = 2i. x = (2 ± 2i)/4 = 1/2 ± (1/2)i. Корни 1/2 + i/2 и 1/2 − i/2 сопряжены.

7. Найдите действительные x и y, если (x + 2y) + i(2x − y) = 5 + 5i.

У равных комплексных чисел равны части: x + 2y = 5 и 2x − y = 5. Из второго y = 2x − 5. Тогда x + 4x − 10 = 5, значит x = 3 и y = 1.

8. Если (a + ib)/(c + id) = x + iy, докажите, что (a² + b²)/(c² + d²) = x² + y².

Возьмём модуль обеих частей: |a + ib|/|c + id| = |x + iy|. Значит, √(a² + b²)/√(c² + d²) = √(x² + y²). Возведя обе части в квадрат, получаем нужное равенство.

Частые ошибки

Тренировочный тест

1. i² равно:
2. Сопряжённое к числу −2 + 5i:
3. |6 − 8i| =
4. i¹⁰³ равно:
5. Корни уравнения x² + 9 = 0:

Практика: отвечай сам

Введи или выбери ответ и нажми «Проверить». Если застрял, возьми подсказку; полное решение появится после ответа.

Частые вопросы

Входит ли плоскость Аргана в программу CBSE 2026-27 для 11 класса?

Да. В главе указаны необходимость комплексных чисел, их алгебраические свойства и плоскость Аргана. Тригонометрической формы в нынешней программе нет, поэтому урок посвящён записи a + ib, модулю и сопряжённому числу.

Чему равна мнимая единица?

Мнимая единица (i) — это число, квадрат которого равен −1, то есть i = √(−1). Оно не является действительным, а его степени повторяются: i, −1, −i, 1.

Как разделить одно комплексное число на другое?

Умножьте числитель и знаменатель на число, сопряжённое знаменателю. Знаменатель станет действительным числом c² + d², а потом разделите ответ на части a + ib.

Где это изучают

ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªArithmetic and algebra
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªArithmetic and algebra
NetherlandsVWO 6 (eindexamenjaar)Complex numbers
RomaniaClasa a X-aSets of numbers
RomaniaClasa a X-aSets of numbers
Spain1º BachilleratoNumber Sense
Ukraine11 класAlgebra: complex numbers and polynomials (34 h)
CBSE (India)Class 11Algebra
England (GCSE, A level)Year 12B Complex numbers (part 1)
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 10Extending the number system
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Polynomial, rational and radical relationships
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Polynomial, rational and radical relationships
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Complex numbers
Japan高校2年Various expressions
Japan高校3年Curves and the complex plane
South Korea고등학교 1학년Equations and inequalities
FrancePremièreMathematics
FranceTerminaleComplex numbers
FranceTerminaleMathematics
Russia11 классNumbers and calculations
China高一Ch.7 Complex numbers

Сначала изучи

Дальше изучай

Похожие уроки

Все уроки: Maths