7.1 复数的概念

人教 A 版 · 本节 2 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解考过 17 题 ↓

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本节的知识树

2 概念 · 1 公式 · 2 定理 · 最深 4 层。根是引本节作教材出处的实体,长链由 `prereqs` 构建期派生——源里只有最小一步。

考过本节的真题

共 17 道

讲解

本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。

本节在课本上是两页(第 75、76 页),承担的是第 7 章「复数」的开头:数为什么要再扩充一次、新数 i\mathrm{i} 是什么、扩充出来的数系由哪些数组成、复数怎么分类。运算不是本节的事(那是 7.2 的内容),本节只把复数是什么、长什么样、怎么分类钉牢。

这一节没有课本习题,所以本页面上没有习题详解那一块。

一、起点:一个在实数系里解不了的方程

实系数一元二次方程判别式 Δ=b2−4ac<0\Delta = b^2 - 4ac < 0 时,求根公式里要出现 Δ\sqrt{\Delta}——也就是要开一个负实数的平方。而负实数在实数系里不能开平方,这正是「求判别式小于 0 的方程的根」这件事卡住的地方。

「负实数能不能开平方」可以归结为一个方程。课本说的是:

方程 x2+a=0x^2 + a = 0(a>0a > 0)有没有解,归结为方程 x2+1=0x^2 + 1 = 0 有没有解。

它留了一个「想一想,这是为什么」。答案是配系数:x2+a=0x^2 + a = 0 两边除以 aa,得到 (xa)2+1=0\left(\frac{x}{\sqrt{a}}\right)^2 + 1 = 0——未知数换了个刻度而已,解的结构一模一样。所以只要 x2+1=0x^2 + 1 = 0 有解,所有 x2+a=0x^2 + a = 0(a>0a > 0)都有解;反过来取 a=1a = 1 就是这个方程本身。于是问题缩成一个:让 x2+1=0x^2 + 1 = 0 有解。

二、历次数系扩充的剧本

x2+1=0x^2 + 1 = 0 在实数集里无解。这不是头一次遇到「有方程解不了」——历史上每次遇到,数学的处理方式都是把数系扩大:

数系扩充在旧数系里解不了的方程新数系里的解
自然数 → 整数x+1=0x + 1 = 0x=−1x = -1
整数 → 有理数2x=12x = 1x=12x = \frac{1}{2}
有理数 → 实数x2−2=0x^2 - 2 = 0(正方形的对角线要度量)x=±2x = \pm\sqrt{2}
实数 → 复数x2+1=0x^2 + 1 = 0x=±ix = \pm\mathrm{i}

注意每次扩充都带着两条规矩(课本在「探究」里明说的):

  1. 新数系里旧运算照旧——实数里规定的加法、乘法,和有理数里规定的协调一致;
  2. 运算律不破坏——加法和乘法满足交换律、结合律,乘法对加法满足分配律。

这两条是「新数真的包含旧数、旧运算真的还是旧运算」的保证,也是下一节「新数系由哪些数组成」的推理依据。

三、引入 i\mathrm{i}:让 x2+1=0x^2 + 1 = 0 有解

设想引入一个新数 i\mathrm{i},使它成为方程 x2+1=0x^2 + 1 = 0 的解,即使得

i2=−1.\mathrm{i}^2 = -1.

i2=−1\mathrm{i}^2 = -1 是规定不是结论——它正是这条扩充线的出发点。i\mathrm{i} 是欧拉最早引入的,取自 imaginary(想象的)一词的词头,它叫虚数单位。

有了 i\mathrm{i},立刻有三件免费的事:

  • x=ix = \mathrm{i} 是解,x=−ix = -\mathrm{i} 也是解((−i)2=i2=−1(-\mathrm{i})^2 = \mathrm{i}^2 = -1)。方程 x2+1=0x^2 + 1 = 0 在扩充后的数系里有两个根,和 x2−2=0x^2 - 2 = 0 的两个根 ±2\pm\sqrt{2} 一样成对出现。
  • i\mathrm{i} 不可能是实数:实数的平方非负,而 i2=−1<0\mathrm{i}^2 = -1 < 0。这条是整个复数的地基,后面「复数相等」和「分类」的合理性都立在它上面。
  • 「任意负实数开平方」也顺带解决了:x2=−ax^2 = -a(a>0a > 0)的解是 x=±a ix = \pm\sqrt{a}\,\mathrm{i},因为 (a i)2=ai2=−a(\sqrt{a}\,\mathrm{i})^2 = a\mathrm{i}^2 = -a。这正是第一节归结的那个问题的答案。

四、新数系长什么样:a+bia + b\mathrm{i}

课本「思考」里的问题是:把 i\mathrm{i} 添进实数集、保持那两条规矩,新数系由哪些数组成?

推一下:实数与 i\mathrm{i} 相乘,结果记作 bib\mathrm{i};实数 aa 与 bib\mathrm{i} 相加,结果记作 a+bia + b\mathrm{i}。每个实数 aa 自己可以写成 a+0ia + 0\mathrm{i},i\mathrm{i} 自己可以写成 0+1i0 + 1\mathrm{i}——全都在这个形状里。而因为运算律保持,i\mathrm{i} 与实数的任何加减乘组合都能化简成 a+bia + b\mathrm{i} 的形状,不会冒出这个形状之外的新数。所以新数系就是:

形如 a+bia + b\mathrm{i}(a,b∈Ra, b \in \mathbf{R})的数叫做复数;全体复数构成的集合 C={a+bi∣a,b∈R}\mathbf{C} = \{a + b\mathrm{i} \mid a, b \in \mathbf{R}\} 叫做复数集。

复数通常用 zz 表示:z=a+biz = a + b\mathrm{i},其中 aa 叫做 zz 的实部,bb 叫做 zz 的虚部。

这里要立刻钉下第一条规矩:

虚部是 bb(一个实数),不是 bib\mathrm{i}。 3+2i3 + 2\mathrm{i} 的虚部是 22,不是 2i2\mathrm{i}。

几个例子过一遍:3+2i3 + 2\mathrm{i} 的实部是 33、虚部是 22;12−3 i\frac{1}{2} - \sqrt{3}\,\mathrm{i} 的实部是 12\frac{1}{2}、虚部是 −3-\sqrt{3};−0.2i-0.2\mathrm{i} 的实部是 00、虚部是 −0.2-0.2——最后一个没有实部内容,它有一种专门的名字(见第六节)。

五、复数相等:一个等式拆成两个实数等式

任取两个复数 a+bia + b\mathrm{i}、c+dic + d\mathrm{i}(a,b,c,d∈Ra, b, c, d \in \mathbf{R}),规定:

a+bi=c+di  ⟺  a=c 且 b=d.a + b\mathrm{i} = c + d\mathrm{i} \iff a = c \ \text{且} \ b = d.

也就是:两个复数相等,当且仅当实部与实部相等、虚部与虚部相等。课本直接规定,它的合理性来自第三节那条地基:i\mathrm{i} 不是实数,实部与虚部「掺不到一起」。把等式挪一挪得 (a−c)+(b−d)i=0(a - c) + (b - d)\mathrm{i} = 0;若 b≠db \neq d,则 i=c−ab−d\mathrm{i} = \frac{c - a}{b - d}——左边不是实数,右边是两个实数的商(还是实数),矛盾。所以必须 b=db = d,进而 a=ca = c。

复数相等是本节最值钱的工具:它把一个复数等式拆成两个实数等式,把「复数的条件」翻译成「实数(参数的)方程」。2021、2022 两年的真题各有一道正是用它。

但拆出来的是一个方程组,而方程组的解未必只有一组。 这是这条工具最容易用漏的地方: 拆完之后剩下的是纯粹的实数问题,它有几组解就是几组解,不会因为原来那个等式只写了一行而变少。 浙江 2014 年第 2 题里 (a+bi)2=2i(a + b\mathrm{i})^2 = 2\mathrm{i} 拆成 a2−b2=0a^2 - b^2 = 0 与 2ab=22ab = 2, 解出来是 (1,1)(1, 1) 与 (−1,−1)(-1, -1) 两组;只写出第一组就收手,那道题的答案会从「充分不必要」变成「充要」。

背后是一条值得单独记住的事实:在复数范围内,任何非零复数都恰好有两个平方根,且互为相反数。 一半的理由是 (−z)2=z2(-z)^2 = z^2,所以有一个根就有第二个;另一半是若 z12=z22z_1^2 = z_2^2, 则 (z1−z2)(z1+z2)=0(z_1 - z_2)(z_1 + z_2) = 0,而复数乘法没有零因子,故 z2=±z1z_2 = \pm z_1——不会有第三个。 于是「z2z^2 等于某个数」这样的条件,钉住的从来不是一个复数,而是一对。

六、分类:实数、虚数、纯虚数

复数 z=a+biz = a + b\mathrm{i} 按虚部 bb 分类:

类别条件例子
实数b=0b = 033、−2-2、00
虚数b≠0b \neq 03+2i3 + 2\mathrm{i}、12−3 i\frac{1}{2} - \sqrt{3}\,\mathrm{i}、−0.2i-0.2\mathrm{i}
纯虚数a=0a = 0 且 b≠0b \neq 0(虚数里的一支)−0.2i-0.2\mathrm{i}

三件事立刻记住:

  • 实数集是复数集的真子集:R⊊C\mathbf{R} \subsetneq \mathbf{C},每个实数 aa 都是复数 a+0ia + 0\mathrm{i}。
  • 实数与虚数不重叠:b=0b = 0 与 b≠0b \neq 0 互斥;00 是实数,不是虚数。
  • 纯虚数是虚数的子类:先满足 b≠0b \neq 0,再要求 a=0a = 0。「纯虚数」不是「虚数」的反面,而是虚数里实部为零的那一支。课本图 7.1-1(上方扫描图里)画的就是这层包含关系:复数集 ⊃ 实数集 ∪ 虚数集,虚数集 ⊃ 纯虚数集。

七、例 1(课本例 1):mm 取什么值时 z=m+1+(m−1)iz = m + 1 + (m - 1)\mathrm{i} 是实数、虚数、纯虚数

先认人:z=(m+1)+(m−1)iz = (m + 1) + (m - 1)\mathrm{i},实部是 m+1m + 1,虚部是 m−1m - 1。因为 m∈Rm \in \mathbf{R},实部、虚部都是实数——分类条件正是对着实数说的,这条前提成立,下面的翻译才合法。

  1. 实数:虚部为 00,即 m−1=0m - 1 = 0,得 m=1m = 1。
  2. 虚数:虚部不为 00,即 m−1≠0m - 1 \neq 0,得 m≠1m \neq 1。
  3. 纯虚数:实部为 00 且虚部不为 00。由 m+1=0m + 1 = 0 得候选 m=−1m = -1;再验虚部:m−1=−2≠0m - 1 = -2 \neq 0,成立。所以 m=−1m = -1,此时 z=−2iz = -2\mathrm{i},确实是纯虚数。

这道题的动作:先把实部、虚部当普通的代数式求出来,再把「实数 / 虚数 / 纯虚数」翻译成「虚部为零 / 虚部非零 / 实部为零且虚部非零」的方程或不等式。 第 (3) 问是陷阱所在——两个条件缺一不可,先解实部方程拿到候选,再回头验虚部,一步都不能省。

八、易错清单

按失分频率排:

  1. 虚部写成带 i\mathrm{i} 的。 3+2i3 + 2\mathrm{i} 的虚部是 22 不是 2i2\mathrm{i}。相等、分类全对着系数说话,带不带 i\mathrm{i} 是两回事。
  2. 纯虚数只验实部为零,漏验虚部非零。 例 1 第 (3) 问就是罚这个的:两个条件都写出来才算数。
  3. 复数相等只对上一半。 实部、虚部两条都要相等;只对一边就下结论,选择题的干扰项就是这么设计的。
  4. 「虚数」与「纯虚数」混为一谈。 虚数是 b≠0b \neq 0 的整一类,纯虚数是其中 a=0a = 0 的子类;00 是实数不是虚数。
  5. 展开时漏掉 i2=−1\mathrm{i}^2 = -1 的负号。 (1+ai)i=i+ai2=−a+i(1 + a\mathrm{i})\mathrm{i} = \mathrm{i} + a\mathrm{i}^2 = -a + \mathrm{i}——i2\mathrm{i}^2 换 −1-1 那一步最常出错(2021 年真题的干扰项就是为此设计的)。

九、这一节考过的真题(怎么用它们)

页面下方「考过本节的真题」是构建期派生的完整清单。语料里 2020—2025 连续六年的复数小题都出现在第 1 题或第 2 题——位置永远靠前、分值不高,是开卷后第一道该稳稳拿下的题。给一个读的顺序:

  • 先做 2020 年第 2 题(a−1+(a−2)ia - 1 + (a - 2)\mathrm{i} 是实数,求 aa):它就是本节例 1 的第 (1) 问换了个字母——认出虚部是 a−2a - 2,令它为零。本节读完立刻能做,做完就知道第六节那张分类表到底怎么用。
  • 再做 2022 年第 2 题(a+3i=(b+i)ia + 3\mathrm{i} = (b + \mathrm{i})\mathrm{i},求 a,ba, b):本节「复数相等」的直球考查——右边展开成 a+bia + b\mathrm{i},实部对实部、虚部对虚部。做完它,本节就闭环了。
  • 接着做 2021 年第 2 题((1+ai)i=3+i(1 + a\mathrm{i})\mathrm{i} = 3 + \mathrm{i},求 aa):同一个动作加一个弯——展开时把 i2\mathrm{i}^2 换成 −1-1,漏掉负号恰好落到错误选项上。
  • 接着看 2025 年第 1 题((1+5i)i(1 + 5\mathrm{i})\mathrm{i} 的虚部):只问虚部,考的就是第四节那句「虚部是系数,不是带 i\mathrm{i} 的项」。
  • 然后做 2024 年第 2 题(zz−1=1+i\frac{z}{z - 1} = 1 + \mathrm{i},求 zz):它主要靠 7.2 的乘除运算,但「代回选项验算」的每一步都是本节规定的复数相等——学到 7.2 再回头做,正好检验本节吃透没有。
  • 另外看一眼 2014 年第 2 题(判断「a=b=1a = b = 1」是「(a+bi)2=2i(a + b\mathrm{i})^2 = 2\mathrm{i}」的什么条件):它披着必修第一册逻辑题的皮,内核却全是本节的第五节——把复数等式拆成 a2−b2=0a^2 - b^2 = 0 与 2ab=22ab = 2,再老老实实把两组解都写出来。这道题专门罚「只写一组解」的人:漏掉 (−1,−1)(-1, -1),答案就错。
  • 最后是 2023 年第 2 题(z−zˉz - \bar{z},z=1−i2+2iz = \frac{1 - \mathrm{i}}{2 + 2\mathrm{i}}):需要「共轭复数」这个新概念,那是 7.2 的内容,可以当作本节的上限——概念节学的每一条都会在后面的运算里兑现。

原书转写(OCR,供核对)

共 2 页· 默认折起

机器转写,如有出入以上方扫描图为准。它是原文可搜索、可复制公式、读屏器读得出的形态, 也是教材原文引文的逐字比对靶。

7.1 复数的概念

在解决求判别式小于 0 的实系数一元二次方程根的问题时,一个自然的想法是,能否像引进无理数而把有理数集扩充到实数集那样,通过引进新的数而使实数集得到扩充,从而使方程变得可解呢?复数概念的引入与这种想法直接相关.

7.1.1 数系的扩充和复数的概念

从方程的角度看,负实数能不能开平方,就是方程 x2+a=0x^{2} + a = 0 ( a>0a > 0 )有没有解,进而可以归结为方程 x2+1=0x^{2} + 1 = 0 有没有解.

想一想,这是为什么?

探究

我们知道,方程 x2+1=0x^{2} + 1 = 0 在实数集中无解.联系从自然数集到实数集的扩充过程,你能给出一种方法,适当扩充实数集,使这个方程有解吗?

回顾已有的数集扩充过程,可以看到,每一次扩充都与实际需求密切相关。例如,为了解决正方形对角线的度量,以及 x2−2=0x^{2} - 2 = 0 这样的方程在有理数集中无解的问题,人们把有理数集扩充到了实数集。数集扩充后,在实数集中规定的加法运算、乘法运算,与原来在有理数集中规定的加法运算、乘法运算协调一致,并且加法和乘法都满足交换律和结合律,乘法对加法满足分配律。

依照这种思想,为了解决 x2+1=0x^{2} + 1 = 0 这样的方程在实数系中无解的问题,我们设想引入一个新数i,使得 x=ix = \mathrm{i} 是方程 x2+1=0x^{2} + 1 = 0 的解,即使得 i2=−1\mathrm{i}^2 = -1

• •

i 是数学家欧拉(Leonhard Euler,1707—1783)最早引入的,它取自 imaginary(想象的,假想的)一词的词头。 i2=i⋅ii^{2}=i\cdot i

思考

把新引进的数 i 添加到实数集中,我们希望数 i 和实数之间仍然能像实数那样进行加法和乘法运算,并希望加法和乘法都满足交换律、结合律,以及乘法对加法满足分配律。那么,实数系经过扩充后,得到的新数系由哪些数组成呢?

依照以上设想,把实数 bb 与i相乘,结果记作bi;把实数 aa 与bi相加,结果记作 a+a + bi. 注意到所有实数以及i都可以写成 a+bi(a,b∈R)a + \mathrm{bi}(a, b \in \mathbf{R}) 的形式,从而这些数都在扩充后的新数集中.

我们把形如 a+bi(a,b∈R)a + bi(a, b \in \mathbf{R}) 的数叫做复数(complex number),其中 i\mathrm{i} 叫做虚数单位(imaginary unit)。全体复数构成的集合 C={a+bi∣a,b∈R}\mathbf{C} = \{a + bi \mid a, b \in \mathbf{R}\} 叫做复数集(set of complex numbers)。这样,方程 x2+1=0x^2 + 1 = 0 在复数集 C\mathbf{C} 中就有解 x=ix = \mathrm{i} 了。

复数通常用字母 zz 表示,即 z=a+bi(a,b∈R)z = a + \mathrm{bi}(a, b \in \mathbf{R}). 以后不作特殊说明时,复数 z=a+biz = a + \mathrm{bi} 都有 a,b∈Ra, b \in \mathbf{R},其中的 aa 与 bb 分别叫做复数 zz 的实部(real part)与虚部(imaginary part).

在复数集 C={a+bi∣a,b∈R}\mathbf{C} = \{a + bi \mid a, b \in \mathbf{R}\} 中任取两个数 a+bi,c+di(a,b,c,d∈R)a + bi, c + di(a, b, c, d \in \mathbf{R}),我们规定:

a+bia+bi 与 c+dic+di 相等当且仅当 a=c 且 b=d.

对于复数 a+bia + b\mathrm{i} (aa,b∈Rb \in \mathbf{R}),当且仅当 b=0b = 0 时,它是实数;当且仅当 a=b=0a = b = 0 时,它是实数0;当 b≠0b \neq 0 时,它叫做虚数(imaginary number);当 a=0a = 0 且 b≠0b \neq 0 时,它叫做纯虚数.

例如, 3+2i3 + 2\mathrm{i} , 12−3i\frac{1}{2} -\sqrt{3}\mathrm{i} , −3−12i-\sqrt{3} -\frac{1}{2}\mathrm{i} ,-0.2i都是虚数,它们的实部分别是3, 12\frac{1}{2} −3-\sqrt{3} ,0,虚部分别是2, −3-\sqrt{3} , −12-\frac{1}{2} ,-0.2,并且其中只有-0.2i是纯虚数.

思考

复数集 C 与实数集 R 之间有什么关系?

显然,实数集 R 是复数集 C 的真子集,即 R⊊CR \subsetneq C .

这样,复数 z=a+bi(a,b∈R)z=a+bi\quad(a, b\in\mathbf{R}) 可以分类如下:

复数 {实数(b=0),虚数(b≠0)(当a=0时为纯虚数).\left\{\begin{aligned}\text{实数}(b=0),\\ \text{虚数}(b\neq0)(\text{当}a=0\text{时为纯虚数}).\end{aligned}\right.

复数集、实数集、虚数集、纯虚数集之间的关系,可用图 7.1-1 表示.

图 7.1-1

例 1 当实数 m 取什么值时,复数 z=m+1+(m−1)iz=m+1+(m-1)i 是下列数?

(1) 实数;(2) 虚数;(3) 纯虚数.

分析:因为 m∈Rm \in \mathbf{R},所以 m+1,m−1m + 1, m - 1 都是实数。由复数 z=a+biz = a + bi(a,b∈Ra, b \in \mathbf{R})是实数、虚数和纯虚数的条件可以确定 mm 的取值。

解:(1)当 m-1=0,即 m=1 时,复数 z 是实数.