Forma goniometryczna liczby zespolonej

Kapitoly: Liczby zespolone, Graficzna reprezentacja liczb zespolonych, Postać goniometryczna liczby zespolonej

Nie zawsze warto mieć liczbę zesp oloną w postaci algebraicznej, dlatego nadal wprowadza się postać goniometryczną liczby zespolonej.

Jak można wyrazić punkt na płaszczyźnie?

Wiemy, że w kategoriach geometrycznych liczba zespolona z = x + yi reprezentuje punkt na płaszczyźnie Gaussa. Punkt ten ma współrzędne [x, y]. W jaki inny sposób możemy zdefiniować punkt z poza podaniem współrzędnych [x, y]?

Możemy obliczyć kąt, jaki linia punktu z i początku tworzy z osią x (lub jej dodatnią półosią). To pozwoli nam dowiedzieć się, w którym kierunku punkt z leży od początku. Aby dowiedzieć się, gdzie dokładnie leży, musimy jeszcze znać odległość od początku. Dzięki tym dwóm informacjom jesteśmy teraz w stanie precyzyjnie zdefiniować punkt z na płaszczyźnie Gaussa.

Kształt goniometryczny

Poniższy rysunek podsumowuje to, co musimy wiedzieć, aby wyrazić liczbę zespoloną w postaci goniometrycznej:

Co musimy wiedzieć, aby określić kształt goniometryczny liczby

Jak widać, musimy znać długość prostej od punktu z do początku, która jest równa wartości bezwzględnej liczby z - możemy to już obliczyć. Musimy również znać kąt $\varphi$. Postać goniometryczna liczby zespolonej wygląda następująco:

$$z=|z|(\cos\varphi+i\sin\varphi)$$

Jak znaleźć kąt $\varphi$? Używamy do tego funkcji goniometrycznej. Mamy tutaj trójkąt prostokątny i znamy długość przeciwprostokątnej, czyli wartość bezwzględną liczby z. W postaci goniometrycznej mamy zarówno sinus, jak i cosinus, więc musimy wyrazić kąt $\varphi$ za pomocą obu funkcji. Z właściwości funkcji goniometrycznych wynika jednak, że:

$$\begin{eqnarray} \sin\varphi&=&\frac{y}{|z|}\\ \cos\varphi&=&\frac{x}{|z|} \end{eqnarray}$$

Z tych wzorów możemy wyprowadzić sam kąt $\varphi$. Wyprowadzenie kąta jest konieczne, ponieważ zapisujemy postać goniometryczną z uwzględnieniem sinusa i cosinusa.

Przykład

Przekształcenie liczby zespolonej w postaci algebraicznej do postaci goniometrycznej: $z=\sqrt{3}+i$ Pierwszą rzeczą, jaką robimy, jest obliczenie wartości bezwzględnej liczby z, która jest równa :

$$|z|=\sqrt{3+1}=2$$

Teraz:

$$\begin{eqnarray} \sin\varphi&=&\frac{1}{2}\\ \cos\varphi&=&\frac{\sqrt{3}}{2} \end{eqnarray}$$

W tym momencie możemy albo użyć kalkulatora do obliczenia arcus sinus i arcus cosinus, albo skorzystać z tabeli podstawowych wzorów goniometrycznych. Obie uzyskane przez nas wartości są tabelaryczne, więc w tym przypadku nie będziemy używać kalkulatora.

Jeśli $\sin\varphi=\frac12$, to kąt $\varphi$ jest równy albo π/6 albo 5π/6. Jeśli $\cos\varphi=\frac{\sqrt{3}}{2}$, to kąt $\varphi$ jest równy albo π/6 albo 11π/6. Przecięcie tych możliwości to kąt π/6, używając tego kąta otrzymujemy wartości, które zapisaliśmy w poprzednim równaniu.

Mnożenie i dzielenie

Liczby zespolone możemy oczywiście mnożyć i dzielić w postaci goniometrycznej. Korzystając ze wzorów na sumę goniometryczną, możemy wyprowadzić wzory na iloczyn i iloraz dwóch liczb zespolonych. Rozważmy dwie liczby zespolone z1 i z2:

$$\begin{eqnarray} z_1&=&|z_1|(\cos\varphi_1+i\sin\varphi_1)\\ z_2&=&|z_2|(\cos\varphi_2+i\sin\varphi_2) \end{eqnarray}$$

Same wzory wyglądają następująco:

$$\begin{eqnarray} z_1\cdot z_2&=&|z_1|\cdot|z_2|\left[\cos(\varphi_1+\varphi_2)+i\sin(\varphi_1+\varphi_2)\right]\\ \frac{z_1}{z_2}&=&\frac{|z_1|}{|z_2|}\left[\cos(\varphi_1-\varphi_2)+i\sin(\varphi_1-\varphi_2)\right] \end{eqnarray}$$

Dodatkowe zasoby