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Números complejos




Enviado por leonardo



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    v que esta cantidad “se portará bien”, ya
    podemos realizar cálculos como v v v Números
    complejos 1. Introducción Podemos pensar en las
    progresivas ampliaciones de los conjuntos numéricos como
    el método necesario para resolver ecuaciones algebraicas
    progresivamente complicadas. Así, el paso de N a Z se
    justi?caría por la necesidad de dar solución a una
    ecuación como x + 5 = 0, y el paso de Z a Q por la
    necesidad de dar solución a ecuaciones de la forma 5x = 1.
    El paso de Q a R es más complicado de explicar en este
    momento, puesto que es más topológico que
    algebraico, pero permite además dar solución a
    ecuaciones como x2 – 2 = 0. El paso de R a C viene motivado
    históricamente por la necesidad de trabajar con las
    soluciones de ecuaciones como x2 + 1 = 0, es decir, con
    raíces cuadradas de números negativos.
    Inicialmente, se trabajaba con dichas raíces, llamadas
    números imaginarios por Descartes, como paso intermedio
    hasta llegar a un número real (típicamente elevando
    el número imaginario al cuadrado en algún momento
    de los razonamientos). Posteriormente, en los siglos XVIII y XIX,
    se formaliza la noción de número complejo, lo que
    convierte a estas entidades algebraicas en “miembros de
    pleno derecho” de las familias numéricas. 2.
    De?nición La manera más sencilla de trabajar con
    los números complejos es dar un nombre abreviado a -1. A
    esta cantidad la llamaremos i. Hecho eso, y suponiendo
    inicialmente -25 = (-1)(25) = -1 25 = 5i. Necesitaríamos
    poder sumar y multiplicar estos nuevos números.
    Está claro que si b, c ? R, se debiera tener bi + ci = (b
    + c)i. Por otro lado, para a, b ? R no podremos simpli?car la
    expresión a + bi. Veamos el producto. En primer lugar
    está claro que si hemos de?nido i como entonces v -1, i2 =
    -1. Por otro lado, si vamos a tener un producto asociativo,
    conmutativo y distributivo respecto de la suma, se deberá
    tener (a + bi)(c + di) = ac + bdi2 + adi + bci = ac – bd + (ad +
    bc)i. Con esto ya sabríamos sumar y multiplicar complejos.
    1

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    4. Puesto que podemos ver un número complejo como un par
    (a, b) ? R × R, es natural 2 3. Formalización Como
    siempre en matemáticas, estas ideas intuitivas se pueden
    (y se deben) formalizar. Una de las formalizaciones más
    habituales es pensar en los complejos como pares (a, b) ? R
    × R con una suma y un producto de?nidos por (a, b) + (c, d)
    = (a + c, b + d) (a, b)(c, d) = (ac – bd, ad + bc). Es un
    ejercicio sencillo comprobar que la suma es conmutativa,
    asociativa, que existe un elemento neutro (el (0, 0)) y que todo
    elemento tiene simétrico. Igualmente fácil es
    comprobar que el producto es conmutativo, asociativo, que existe
    un elemento neutro (el (1, 0)) y que todo elemento distinto de
    (0, 0) tiene inverso. También es fácil comprobar
    que el producto es distributivo respecto de la suma. Decimos
    entonces que los números complejos tienen estructura de
    cuerpo conmutativo, noción que ya conoceréis
    más adelante. Es obvio que esta formalización (cuya
    notación apenas utilizaremos) coincide con la
    noción intuitiva descrita en la sección anterior,
    sin más que identi?car (a, b) = a + bi. A cualquiera de
    estas dos notaciones se las conoce como forma binómica del
    número complejo. Llamaremos C al conjunto de los
    números complejos con la suma y producto de?nidos. Es muy
    fácil darse cuenta de que podemos identi?car de manera
    natural un elemento a de R con el complejo a + 0i = (a, 0). De
    esta forma podemos considerar R como un subconjunto de C.
    Análogamente, tendríamos un conjunto destacado de
    números complejos formado por aquellos de la forma bi = 0
    + bi = (0, b). A estos números se les denomina a menudo
    imaginarios puros. Dado un complejo z = a + bi nos referiremos a
    a como su parte real y a b como su parte imaginaria a = Rz, b =
    Iz. Interpretación geométrica interpretarlo como un
    punto del plano. Llamaremos plano complejo al plano R×R
    cuando pensamos en él como formado por números
    complejos. Es claro que en el plano podemos identi?car el eje de
    abscisas con la recta de los números reales, y el eje de
    ordenadas con la recta formada por los números imaginarios
    puros.

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    3 6. de z a la longitud del segmento que une 0 con z, y lo
    denotaremos como |z| (una cantidad v v b 6. FORMA
    MÓDULO-ARGUMENTAL -2 + 3i 3i 2i i 3 + 2i -3 -2 -1 -i 0 1 2
    3 -3 – 2i 5. -2i -3i Conjugación 2 – 3i Una noción
    muy importante al usar números complejos y que es propia
    de éstos es la noción de conjugación.
    Definición 5.1. Dado un complejo z = a + bi de?nimos su
    conjugado z como z = a – bi. Observamos que si z = a + 0i es
    real, z = z. Para todo z ? C z = z y zz = a2 + b2 . Forma
    módulo-argumental Si pensamos en un complejo z = a + bi
    como un punto del plano, podemos referirnos a él de varias
    formas. La primera, con la propia notación binomial. Otra
    forma de describir ese punto del plano sería decir a
    qué distancia está el punto del origen y qué
    ángulo forma el segmento que une 0 con z con la parte
    positiva del eje de abscisas. Llamaremos módulo
    estrictamente positiva, salvo en el caso de z = 0, que es nula).
    Utilizando el Teorema de Pitágoras se tiene 0 |z| = a2 +
    b2 = zz. z = a + bi |z| Arg(z) a

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    v p 3 4p 3 ? = Arg(z), se puede ver que 4 El argumento de un
    número complejo z distinto de 0, denotado Arg(z), es el
    ángulo que forma el segmento que une 0 con z con la parte
    positiva del eje de abscisas, siendo el sentido positivo para la
    medida de dicho ángulo, como es habitual, el contrario al
    de las agujas del reloj. Se puede ver que Arg(z) = arc tg b a ,
    teniendo en cuenta que podemos tener que sumar o restar p al
    ángulo así obtenido, en función de los
    signos de a y b. z2 = -4 + 3i ?2 ?1 z1 = 2 + 2v3i ?3 0 ?4 z3 = -2
    – 2 3i ?1 = arc tg(v3) = ; ?3 = p + ?1 = z4 = 4 – 3i ?4 = arc
    tg(-0.75) = -0.6435; ?2 = p + ?4 = 2.4981. Por supuesto, debiera
    ser posible (y de hecho lo es) recuperar la forma binómica
    del complejo a partir de su módulo y su argumento. Sea z =
    a + bi. Llamando ? = |z| y a = ? cos ?, b = ? sen ?, de manera
    que tenemos z = ?(cos ? + i sen ?). Notad que esta
    presentación del complejo es formalmente binomial, pero a
    la vez deja a la vista quiénes son el módulo y el
    argumento de ?. ? sen ? 0 ? z = ?(cos ? + i sen ?) ? ? cos
    ?

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    5 7. números complejos z y w, para z = a + bi
    tendríamos la siguiente a?rmación/de?nición:
    8. 8. TRIGONOMETRíA APLICADA: PRODUCTO DE COMPLEJOS Por
    otro lado, si z puede escribirse de la forma z = ?(cos ? + i sen
    ?) y z = r(cos a + i sen a), para ciertos ? y r positivos y ?, a
    reales, puesto que cos2 t + sen2 t = 1 para cualquier t real, se
    tendrá que ? = r. Las propiedades de las funciones
    trigonométricas garantizan que existirá
    también un entero k tal que ? = a + 2kp. Forma exponencial
    A continuación se presenta la notación exponencial
    (probablemente la más usada). Merece la pena tener
    presente este modo de referirse a los números complejos
    distintos de 0. Un tratamiento riguroso exige algunos
    conocimientos extra, por lo que no de?niremos la función
    exponencial compleja con el detalle que merece. Apuntamos que
    comparte propiedades clave con la función exponencial real
    (su derivada coincide con ella misma, lleva sumas en
    productos…) y coincide con la exponencial real cuando z = a +
    0i es un número real. Si hubiéramos de?nido ez de
    manera que ez+w = ez · ew para todo par de ez = ea+bi = ea
    eib . Puesto que a ? R, ea es su valor habitual. Falta dar
    sentido a eib . Admitid como válida Definición 7.1.
    Para todo número real a de?nimos eia como eia = cos a + i
    sen a. Inicialmente resulta chocante la existencia de una
    relación tan estrecha entre la función exponencial
    y las funciones trigonométricas (en el curso de Variable
    Compleja se desvelará esta conexión). Admitida la
    de?nición precedente, queda claro que si z es un complejo
    de módulo ? y argumento ? podemos escribir z = ?ei? .
    Comprobaremos lo útil que resulta la notación
    exponencial a la hora de multiplicar y dividir complejos.
    Trigonometría Aplicada: producto de complejos Recordemos
    las siguientes igualdades trigonométricas: cos(a +
    ß) = cos a cos ß – sen a sen ß sen(a + ß)
    = sen a cos ß + cos a sen ß cos(a – ß) = cos a
    cos ß + sen a sen ß sen(a – ß) = sen a cos
    ß – cos a sen ß Notad que las dos segundas (a
    través de las que daremos una expresión del
    cociente de números complejos) se siguen inmediatamente de
    las dos primeras (que nos sirven para expresar el producto de dos
    números complejos). Escribamos z1 = r1 (cos ?1 + i sen ?1
    ) y z2 = r2 (cos ?2 + i sen ?2 ). Entonces z1 z2 = r1 (cos ?1 + i
    sen ?1 )r2 (cos ?2 + i sen ?2 ) = r1 r2 cos ?1 cos ?2 – sen ?1
    sen ?2 + i(sen ?1 cos ?2 + cos ?1 sen ?2 ) = r1 r2 cos(?1 + ?2 )
    + i(sen ?1 + ?2 ) , de donde se sigue que para multiplicar
    números complejos en forma módulo argumental, se
    multiplican los módulos y se suman los argumentos.

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    a + bi c + di , r1 (cos ?1 + i sen ?1 ) r2 (cos ?2 + i sen ?2 )
    i?2 r1 6 Veamos lo mismo con notación exponencial. En ese
    caso escribimos zi = ri ei?i y por tanto z1 z2 = r1 ei?1 r2 ei?2
    = r1 r2 ei(?1 +?2 ) . 9. División Podemos dividir
    complejos en forma binomial multiplicando y dividiendo por el
    con- jugado del divisor: = (a + bi)(c – di) (c + di)(c – di)
    pero, como veis, resulta algo farragoso. = (a + bi)(c – di) c2 +
    d2 Si escribimos los complejos como z1 = r1 (cos ?1 + i sen ?1 )
    y z2 = r2 (cos ?2 + i sen ?2 ) entonces tenemos z1 z2 = = = = r1
    (cos ?1 + i sen ?1 )(cos ?2 – i sen ?2 ) r2 (cos ?2 + i sen ?2
    )(cos ?2 – i sen ?2 ) r1 cos ?1 cos ?2 + sen ?1 sen ?2 + i(sen ?1
    cos ?2 – cos ?1 sen ?2 ) r2 cos2 ?2 + sen2 ?2 r1 r2 cos(?1 – ?2 )
    + i sen(?1 – ?2 ) , y deducimos que para dividir números
    complejos en forma módulo argumental, se dividen los
    módulos y se restan los argumentos. De nuevo podemos
    advertir que la notación exponencial nos permite ahorrar
    cálculos. Si escribimos z1 = r1 ei?1 y z2 = r2 ei?2 ,
    tenemos z1 z2 = r1 ei?1 r2 e = ei(?1 -?2 ) . r2 10. Potencias
    Veamos cómo calcular las sucesivas potencias de un
    número complejo. Es fácil darse cuenta de que
    calcular potencias en forma binomial no es especialmente
    e?ciente. Notemos en cambio la siguiente Proposición 10.1
    (Fórmula de Moivre). Para todo n ? N, para todo ? ? R,
    (cos ? + i sen ?)n = cos n? + i sen n?. Demostración. Se
    prueba muy fácilmente usando las fórmulas
    trigonométricas antes mencionadas e inducción en n.
    Con la fórmula de Moivre a nuestra disposición,
    tenemos que si z = r(cos ? + i sen ?) entonces zn = rn(cos n? + i
    sen n?). Por supuesto podíamos haber deducido esto
    directamente de la fórmula para el pro- ducto de
    complejos. De nuevo la notación exponencial es la
    más sencilla. Si escribimos z = rei? tenemos zn = (rei? )n
    = rn (ei? )n = rn ein? .

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    7 (1) n . . 11. CÁLCULO DE RAíCES 11.
    Cálculo de raíces En esta sección se muestra
    que todas las ecuaciónes del tipo wn = a + bi tienen solu-
    ciones complejas. Es una manifestación muy concreta de una
    de las diferencias principales entre los complejos y los reales:
    la completitud algebraica de C. Es claro que para cualquier n
    natural, la ecuación wn = 0 posee una única
    solución, w = 0. Sea z = r(cos ? + i sen ?) = rei? un
    número complejo no nulo. Nos planteamos el problema de
    calcular las raíces n-simas de z, siendo n un
    número natural. Supongamos que w = ?(cos a + i sen a) =
    ?eia es una de estas raíces: es decir wn = z. Se tiene que
    n ?(cos a + i sen a) = r(cos ? + i sen ?) y por tanto, ?n (cos na
    + i sen na) = r(cos ? + i sen ?). De aquí se sigue en
    primer lugar que ?n = r y por tanto, ? = vr. (La raíz que
    aparece en la última expresión es la raíz
    n-sima positiva de un número real, ya conocida). Por otro
    lado, de (1) no se sigue, como podría parecer a primera
    vista, que na = ?, sino, como apuntamos anteriormente, que existe
    k ? Z tal que na = ? + 2kp. Por tanto, tenemos que a = ? 2kp + n
    n Eso nos daría en principio in?nitas soluciones ak para
    a, una para cada valor de k. Notemos, sin embargo, que si k' = k
    + n, entonces ak' – ak = ? 2k' p + n n – ? 2kp + n n = 2p y por
    tanto, considerados como ángulos, y como argumentos de un
    complejo, son in- distinguibles. En realidad, no tenemos in?nitas
    sino exactamente n soluciones para a, correspondientes a n
    elecciones consecutivas de números enteros, que den lugar
    a raíces n-simas distintas de z. Es decir, tenemos a0 = ?
    n ? 2p a1 = + n n ? 4p a2 = + n n . . an-1 = ? + 2(n – 1)p n
    n

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    v n n 2p 3 0 8 y observamos que an = ? 2np + n n = a0 + 2p y por
    tanto, como argumento de un complejo, da lugar a la misma
    solución que a0 . En consecuencia, existen n raíces
    distintas wj (0 = j = n – 1) dadas por wj = n r(cos aj + i sen aj
    ). Notad que el razonamiento es totalmente general, de manera que
    llegamos a que cualquier complejo (distinto del 0) tiene
    exactamente n raíces n-simas, todas ellas con el mismo
    módulo, y argumentos que di?eren entre sí por 2p .
    Geométricamente, esto se traduce en que las raíces
    n-simas de un complejo z de módulo r están situadas
    sobre los vértices de un n-ágono regular inscrito
    en la circunferencia de radio vr con centro en el origen. w2 = ei
    w3 = -1 = epi 2p w4 = e-i 3 w6 = 1 p w1 = ei 3 w0 = 1 = e2pi p w5
    = e-i 3

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