Комплексные числа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

уравнение двойной число умножение

В настоящее время различные виды комплексных чисел изучаются довольно интенсивно. С учением о комплексных числах связаны важные, не решённые до сегодняшнего дня задачи, над которыми работают учёные во многих странах.

Все системы самых общих комплексных чисел фактически сводятся к следующим трём различным системам: обыкновенные комплексные числа, дуальные числа, двойные числа.

Обыкновенные комплексные числа тесно связаны с вопросом о решении уравнений второй и высших степеней, они играют основную роль в алгебре и во многих разделах математического анализа. Дуальные же и двойные числа не имеют никакого отношения к теории квадратных уравнений с вещественными коэффициентами и вообще сравнительно мало связаны с алгеброй. Основные применения эти числа находят в геометрии (некоторые применения эти системы комплексных чисел находят также в теории чисел).

Основные применения двойных чисел относятся к неевклидовой геометрии Лобачевского и к некоторым другим геометриям, отличным от привычной геометрии Евклида (например, к так называемой псевдоевклидовой геометрии, играющей фундаментальную роль в физической теории относительности).

В нашей работе исследуются дуальные и двойные числа, а также применение этих чисел в геометрии Евклида и в геометрии Лобачевского.

1. Определение двойных чисел

Назовём двойные числа и сопряжёнными, если они имеют вид

и .

Сумма и произведение сопряжённых двойных чисел вещественны; корень квадратный из числа , знак которого совпадает со знаком большего по абсолютной величине из вещественных чисел a и b, называется модулем числа и обозначается через . Легко проверить, что для двойных чисел остаются в силе все формулы (3); кроме того, ясно, что равенство характеризует вещественные числа , а равенство - чисто мнимые числа .

Сложение, вычитание, умножение и деление двойных чисел определяются формулами

(12)

Отсюда следует, что и здесь деление на возможно лишь в тех случаях, когда . Двойные числа , модуль которых равен нулю, называются делителями нуля (заметим, что ). В некоторых случаях оказывается удобным считать частные , и числами новой природы; при этом оказывается необходимым ещё расширить понятие двойного числа, введя дополнительно произведения и новых чисел и на всевозможные вещественные числа c и частные и . Правила действия над символами , , , и определяются формулами (5) и рядом соотношений, родственных (6), например:

(13)

и т. д. Естественно также положить

, , , , (13а)

что обеспечит выполнение для расширенного указанным образом множества двойных чисел равенства и всех соотношений (3).

Двойные числа ненулевого модуля можно также записать в форме, аналогичной форме (8) записи дуальных чисел. Пусть - модуль двойного числа; далее

.

Из определения модуля следует, что и что большая (по абсолютной величине) из дробей и положительна. Отсюда вытекает, что

, или , , (14)

где есть некоторое число (определённое формулами (14)), а и - гиперболический косинус и гиперболический синус аргумента .

Таким образом, имеем

или . (15)

величина называется аргументом двойного числа z и обозначается через Arg z.

Форма (15) записи двойных чисел очень удобна в тех случаях, когда приходится перемножать два или несколько двойных чисел. Действительно, из формул сложения гиперболических функций следует, что

(16)

Таким образом, модуль произведения двух двойных чисел равен произведению модулей сомножителей, а аргумент произведения - сумме аргументов; при этом произведение имеет первую или вторую из форм (15) в зависимости от того, имеют ли сомножители одну и ту же или разные формы. Из формул (16) сразу вытекают правила деления двойных чисел:

;

. (17)

з формул (16) получаются также правила, позволяющие возводить двойное число в любую целую положительную степень n и извлекать из него корень степени n:

,

при n нечётном,

при n чётном;

(18)

2. Двойные числа как ориентированные прямые плоскости Лобачевского

Ориентированным прямым плоскости Лобачевского можно сопоставить двойные числа. А именно, введём полярную систему координат для прямых и отнесём каждой пересекающей полярную ось o ориентированной прямой l, имеющей полярные координаты , s, двойное число

, (37)

а расходящейся с o прямой m, направленной в ту же сторону, что и o от их общего перпендикуляра PQ, - число

, (37а)

де d={m,o}={P,Q} - кратчайшее ориентированное расстояние между прямыми m и o, т.е. ориентированное расстояние от o проекции P на прямую m общего перпендикуляра прямых m и o, s'={O,Q} - ориентированное расстояние от полюса O системы координат до проекции Q общего перпендикуляра на o (рис. 1).

Рис. 1

Далее, так как из формулы (37) вытекает, что двум пересекающим o прямым l и l, отличающимся только направлением, соответствуют двойные числа

и

,

то прямой m, отличающейся только направлением от отвечающей числу (37а) расходящейся с o прямой m, сопоставим число

. (37б)

Прямые, параллельные оси o, можно рассматривать как предельный случай пересекающих прямых, отвечающий равенству нулю угла , или как предельный случай расходящихся с o прямых, отвечающий равенству нулю расстояний d. Так как из формул (37) и (37а) следует, что , соответственно , то естественно отнести параллельным o прямым, направленным в ту же сторону, что и o, делители нуля, т.е. числа вида . При этом прямым, параллельным o в положительном или отрицательном направлении, отвечают числа , для которых или , т.к. из (37) и (37а) вытекает, что соотношение равносильно равенству или , а соотношение - равенству или . Из формул неевклидовой тригонометрии следует, что ориентированное расстояние p={O,l} от полюса O до пересекающей o прямой l (рис. 6), отвечающей двойному числу , находится из соотношения

. (38)

Поэтому двум параллельным o прямым n и n', удалённым от O на расстояние {O, n}={O, n'}=p, надо отнести числа (где ), для которых , т.е. числа

и .

Наконец, исходя из соотношения , связывающего двойные числа z и z, отвечающие пересекающим ось o или расходящимся с o прямым, отличающимся одна от другой лишь направлением, сопоставим противопараллельным o прямым n и n (т.е. прямым, параллельным o и противоположно направленным), удалённым от O на расстояние {O, n}={O, n}=p, числа

и ,

где и - числа, обратные делителям нуля: , (если n и n - две прямые, отличающиеся только направлением, то p={O, n}=-{O, n}=-p). Полярной оси o и противооси o (т.е. прямой, отличающейся от o только направлением) сопоставим числа 0 и ?.

Пока у нас не отвечают никаким прямым такие двойные числа z, что (т.к. и ни при каком d).

Чтобы распространить соответствие между прямыми плоскости Лобачевского и двойными числами на все числа, введём в рассмотрение бесконечно удалённые прямые плоскости Лобачевского, которые можно представить, как касательные к абсолюту модели Клейна (рис. 7). Эти прямые не имеют ориентации.

Рис. 2

Рис. 3

Такая прямая k, не параллельная o (т.е. отличная от касательных к в точках пересечения с o), характеризуется тем, что d={k,o}=; при этом следует считать, что d=, если отвечающая k бесконечно удалённая точка S плоскости Лобачевского расположена справа от o, и d=- в противном случае. Общим перпендикуляром k и o естественно считать прямую SQ, перпендикулярную o; при этом величина s'={O,Q} может принимать любое значение и соответственно этому каждому двойному числу , такому, что , можно сопоставить определённую бесконечно удалённую прямую k. Бесконечно удалённым прямым i и i, параллельным o (рис. 7), сопоставим числа и .

Таким образом, установлено взаимно однозначное соответствие между множеством ориентированных и бесконечно удалённых прямых плоскости Лобачевского и множеством двойных чисел (дополненным числами , , , и ). При этом прямые l, пересекающие полярную ось o, отвечают двойным числам , для которых , т.е. числам, изображаемым на (u,v)_плоскости точками области, помеченной на рис. 8 цифрой I. Прямые m, расходящиеся с o и направленные в ту же сторону, что и o, от общего перпендикуляра o и m, отвечают числам z, для которых , т.е. числам, изображаемым на рис. 8 точками области II. Расходящиеся с o прямые m, направленные в противоположную по сравнению с o сторону от общего перпендикуляра m и o, отвечают числам z, для которых , т.е. числам, изображаемым точками области III. Наконец, параллельные o прямые n отвечают числам нулевого модуля, изображаемым двумя прямыми , а противопараллельные o прямые n отвечают числам , (эти числа не имеют изображений на (u,v)_плоскости); бесконечно удалённые прямые k отвечают таким числам z, что , т.е. числам, изображаемым точками гиперболы , и ещё двум числам , .

Очевидно, что как и в случае евклидовой плоскости, соотношения

(а), (б), (в) (21)

выражают симметрию относительно точки O, симметрию относительно прямой o и переориентацию (изменение направлений всех прямых на обратное). Произвольные движения, как можно показать, выражаются здесь теми же формулами, что и в евклидовом случае:

, или , или , или ;

только в качестве переменных z', z и коэффициентов P, Q здесь фигурируют не дуальные, а двойные числа, в связи с чем следует дополнительно потребовать, чтобы выражение было положительно (если P и Q - дуальные числа, то последнее условие выполняется автоматически, т.к. произведения и не могут быть отрицательны). Также и ориентированный угол {z, z} между прямыми z и z и ориентированное расстояние d={[ z z],[ z z]} между точками пересечения прямых z и z с прямой z определяются формулами (27) и (28):

, (27)

. (28)

Из (28) следует, что условием того, что три прямые z, z и z пересекаются в одной точке, является вещественность отношения . Отсюда вытекает, что уравнение точки неевклидовой геометрии Лобачевского имеет вид

, A - чисто мнимое. (30)

Циклом множества ориентированных и бесконечно удалённых прямых плоскости Лобачевского следует называть:

а)-в) совокупность прямых, касающихся ориентированного цикла, т.е. окружности, предельной линии или эквидистанты;

г) пучок равного наклона, т.е. пучок всех ориентированных прямых, образующих постоянный ориентированный угол с фиксированной осью пучка;

д) параллельный пучок, т.е. пучок всех прямых, параллельных в обоих направлениях фиксированной оси пучка;

е) неориентированную бесконечно удалённую окружность .

При таком понимании термина цикл мы получаем, что необходимым и достаточным условием того, что четыре ориентированные прямые z, z, z и z плоскости Лобачевского принадлежат одному циклу, является вещественность двойного отношения этих четырёх прямых. Отсюда снова вытекает, что уравнение каждого цикла можно записать в форме:

, A и C - чисто мнимые. (35)

Чтобы решить, является ли цикл (35) окружностью, предельной линией, эквидистантой, параллельным пучком или пучком постоянного наклона, надо выяснить, сколько общих прямых имеет этот цикл с бесконечно удалённой окружностью (абсолютом) (т.е. сколько решений имеет система , ) и будет ли вещественным или мнимым угол (27) между двумя соседними прямыми цикла. Воспользовавшись этим, получаем:

цикл (35) является окружностью, если

, (39а)

цикл (35) является предельной линией, если

, , (39б)

является эквидистантой, если

, (39в)

параллельным пучком, если

(39г)

пучком равного наклона, если

(39д)

цикл (35) представляет собой абсолют , если

, (39е)

Точку (обыкновенную, бесконечно удалённую или идеальную) уравнение (35) выражает в том случае, если имеет место соотношение:

. (36)

Заключение

В нашей работе мы определили операции сложения, вычитания и умножения для дуальных чисел, дали определение модуля и сопряжённого числа, вывели правило деления на дуальное число, расширив множество дуальных чисел, ввели определение делителя нуля, представили запись дуального числа в форме, близкой к тригонометрической форме комплексного числа, и вывели законы, позволяющие возводить дуальное число в любую целую положительную степень n и извлекать из него корень степени n. Аналогичным образом определили двойные числа и действия над ними. Введя на плоскости полярную систему координат, установили полное соответствие между ориентированными прямыми плоскости и дуальными числами, с помощью дуальных чисел записали все виды движений, нашли условие того, что четыре ориентированные точки принадлежат одной ориентированной окружности, и, пользуясь этим условием, вывели уравнение ориентированной окружности. В полной аналогии с изложенным выше установили взаимно однозначное соответствие между множеством ориентированных и бесконечно удалённых прямых плоскости Лобачевского и множеством двойных чисел и вывели формулы для записи движений. Также мы дали определение цикла множества ориентированных и бесконечно удалённых прямых плоскости Лобачевского и получили необходимое и достаточное условие принадлежности одному циклу четырёх прямых плоскости Лобачевского.

Эти результаты могут быть приложены к доказательству многих теорем евклидовой геометрии и неевклидовой геометрии Лобачевского. При этом использование дуальных и двойных чисел во многом упрощает доказательство различных теорем.

Литература

1. Яглом И.М. Комплексные числа и их применение в геометрии. - М.: Физматгиз, 1963.

2. Маркушевич А.И. Комплексные числа и конформные отображения. - М.: Наука, 1979.

Размещено на Allbest.ru