7.2.2 复数的乘、除运算

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文字转写

例2 根据复数及其运算的几何意义,求复平面内的两点 Z1(x1,y1)Z_{1}(x_{1},y_{1})Z2(x2,y2)Z_{2}(x_{2},y_{2}) 之间的距离.

分析:由于复平面内的点 Z1(x1,y1)Z_{1}(x_{1},y_{1})Z2(x2,y2)Z_{2}(x_{2},y_{2}) 对应的复数分别为 z_{1} = x_{1}+$$y_{1}\mathrm{i}z2=x2+y2iz_{2} = x_{2} + y_{2}\mathrm{i} ,由复数减法的几何意义知,复数 z2z1z_{2} - z_{1} 对应的向量为 Z1Z2\overrightarrow{Z_1Z_2} ,从而点Z1Z_{1}Z2Z_{2} 之间的距离为 Z1Z2=z2z1|\overrightarrow{Z_1Z_2}| = |z_2 - z_1|

解:因为复平面内的点 Z1(x1,y1)Z_{1}(x_{1},y_{1})Z2(x2,y2)Z_{2}(x_{2},y_{2}) 对应的复数分别为 z_{1} = x_{1} + y_{1}\mathrm{i}$$z_{2} = x_{2} + y_{2}\mathrm{i} ,所以点 Z1Z_{1}Z2Z_{2} 之间的距离为

Z1Z2=Z1Z2=z2z1=(x2+y2i)(x1+y1i)=(x2x1)+(y2y1)i=(x2x1)2+(y2y1)2.\begin{array}{r l} \left| Z _ {1} Z _ {2} \right| = & \left| \overrightarrow {Z _ {1} Z _ {2}} \right| = \left| z _ {2} - z _ {1} \right| = \left| (x _ {2} + y _ {2} \mathrm{i}) - (x _ {1} + y _ {1} \mathrm{i}) \right| \\ = & \left| (x _ {2} - x _ {1}) + (y _ {2} - y _ {1}) \mathrm{i} \right| \\ = & \sqrt {(x _ {2} - x _ {1}) ^ {2} + (y _ {2} - y _ {1}) ^ {2}}. \end{array}

练习

  1. 计算: (1) (2+4i)+(34i)(2+4i)+(3-4i) ; (2) 5(3+2i)5-(3+2i) ; (3) (34i)+(2+i)(15i);(-3-4i)+(2+i)-(1-5i); (4) (2i)(2+3i)+4i.(2-i)-(2+3i)+4i.

  2. 如图,向量 OZ\overrightarrow{OZ} 对应的复数是z,分别作出下列运算的结果对应的向量: (1) z+1z+1 ; (2) z-i; (3) z+(2+i)z+(-2+i) .

  3. 证明复数的加法满足交换律、结合律.

  1. 求复平面内下列两个复数对应的两点之间的距离: (1) z1=2+i,z2=3i;z_{1}=2+i,\quad z_{2}=3-i; (2) z3=8+5i,z4=4+2i.z_{3}=8+5i,\quad z_{4}=4+2i.

(第2题)

7.2.2 复数的乘、除运算

我们规定,复数的乘法法则如下:

z1=a+bi,z2=c+di(a,b,c,dR)z_{1} = a + bi, z_{2} = c + di (a, b, c, d \in \mathbf{R}) 是任意两个复数,那么它们的积

(a+bi)(c+di)=ac+bci+adi+bdi2=(acbd)+(ad+bc)i.\begin{array}{r l} (a + b \mathrm{i}) (c + d \mathrm{i}) & = a c + b c \mathrm{i} + a d \mathrm{i} + b d \mathrm{i} ^ {2} \\ & = (a c - b d) + (a d + b c) \mathrm{i}. \end{array}

很明显,两个复数的积是一个确定的复数. 特别地,当 z1,z2z_{1}, z_{2} 都是实数时,把它们看作复数时的积就是这两个实数的积.

可以看出,两个复数相乘,类似于两个多项式相乘,只要在所得的结果中把 i2i^2 换成-1,并且把实部与虚部分别合并即可.

思考

复数的乘法是否满足交换律、结合律?乘法对加法满足分配律吗?

容易得到,对于任意 z1z_{1}z2z_{2}z3Cz_{3}\in \mathbf{C} ,有

z1z2=z2z1,(z1z2)z3=z1(z2z3),z1(z2+z3)=z1z2+z1z3.\begin{array}{c} z _ {1} z _ {2} = z _ {2} z _ {1}, \\ (z _ {1} z _ {2}) z _ {3} = z _ {1} (z _ {2} z _ {3}), \\ z _ {1} (z _ {2} + z _ {3}) = z _ {1} z _ {2} + z _ {1} z _ {3}. \end{array}

例 3 计算 (12i)(3+4i)(2+i)(1-2i)(3+4i)(-2+i) .

解: (1-2\mathrm{i})(3+4\mathrm{i})(-2+\mathrm{i})$$=(11-2\mathrm{i})(-2+\mathrm{i})$$=-20+15\mathrm{i}.

例 4 计算:

(1) (2+3i)(23i)(2 + 3\mathrm{i})(2 - 3\mathrm{i}) (2) (1+i)2(1 + \mathrm{i})^2

分析:本例可以用复数的乘法法则计算,也可以用乘法公式 ^{①} 计算.

解:(1) (2+3i)(2-3i)$$=2^{2}-(3i)^{2}$$=4-(-9)

=13;

(2) (1 + \mathrm{i})^2 = 1 + 2\mathrm{i} + \mathrm{i}^2$$= 1 + 2\mathrm{i} - 1$$= 2\mathrm{i}

• •

①指的是与实数系中的乘法公式相对应的公式.

?

z1,z2z_{1}, z_{2} 是共轭复数,则 z1z2z_{1}z_{2} 是一个怎样的数?

探究

类比实数的除法是乘法的逆运算,我们规定复数的除法是乘法的逆运算. 请探求复数除法的法则.

复数除法的法则是:

(a+bi)÷(c+di)=ac+bdc2+d2+bcadc2+d2i(a,b,c,dR,c+di0).(a + b \mathrm{i}) \div (c + d \mathrm{i}) = \frac {a c + b d}{c ^ {2} + d ^ {2}} + \frac {b c - a d}{c ^ {2} + d ^ {2}} \mathrm{i} (a, b, c, d \in \mathbf {R}, \text {且} c + d \mathrm{i} \neq 0).

由此可见,两个复数相除(除数不为0),所得的商是一个确定的复数.

在进行复数除法运算时,通常先把 (a+bi)÷(c+di)(a + bi) \div (c + di) 写成 a+bic+di\frac{a + bi}{c + di} 的形式,再把分子与分母都乘分母的共轭复数 cdic - di,化简后就可得到上面的结果。这里分子分母都乘分母的“实数化因式”(共轭复数),从而使分母“实数化”。

例 5 计算 (1+2i)÷(34i)(1+2i)\div(3-4i) .

(1+2i)÷(34i)=1+2i34i=(1+2i)(3+4i)(34i)(3+4i)=38+6i+4i32+42=5+10i25=15+25i.\begin{array}{r l} (1 + 2 \mathrm{i}) \div (3 - 4 \mathrm{i}) & = \frac {1 + 2 \mathrm{i}}{3 - 4 \mathrm{i}} \\ & = \frac {(1 + 2 \mathrm{i}) (3 + 4 \mathrm{i})}{(3 - 4 \mathrm{i}) (3 + 4 \mathrm{i})} = \frac {3 - 8 + 6 \mathrm{i} + 4 \mathrm{i}}{3 ^ {2} + 4 ^ {2}} \\ & = \frac {- 5 + 1 0 \mathrm{i}}{2 5} = - \frac {1}{5} + \frac {2}{5} \mathrm{i}. \end{array}

例 6 在复数范围内解下列方程:

(1) x2+2=0;x^{2}+2=0;

(2) ax2+bx+c=0ax^{2}+bx+c=0 ,其中a,b, cRc\in R ,且 a0a\neq0Δ=b24ac<0\Delta=b^{2}-4ac<0 .

分析:利用复数的乘法容易得到(1)中方程的根. 对于(2),当 Δ=b24ac<0\Delta = b^{2} - 4ac < 0 时,一元二次方程 ax2+bx+c=0ax^{2} + bx + c = 0 无实数根. 利用求解一元二次方程的“根本大法”——配方法,类似于(1),就能在复数范围内求得(2)中方程的根.

解:(1)因为 (2i)2=(2i)2=2(\sqrt{2}\mathrm{i})^2 = (-\sqrt{2}\mathrm{i})^2 = -2 ,所以方程 x2+2=0x^{2} + 2 = 0 的根为 x=±2ix = \pm \sqrt{2}\mathrm{i}

(2) 将方程 ax2+bx+c=0ax^{2} + bx + c = 0 的二次项系数化为 1,得

x2+bax+ca=0.x ^ {2} + \frac {b}{a} x + \frac {c}{a} = 0.

配方,得

(x+b2a)2=b24ac4a2,\left(x + \frac {b}{2 a}\right) ^ {2} = \frac {b ^ {2} - 4 a c}{4 a ^ {2}},

(x+b2a)2=(b24ac)(2a)2.\left(x + \frac {b}{2 a}\right) ^ {2} = - \frac {- (b ^ {2} - 4 a c)}{(2 a) ^ {2}}.

Δ<0\Delta < 0 ,知 (b24ac)(2a)2=Δ(2a)2>0.\frac{-(b^2 - 4ac)}{(2a)^2} = \frac{-\Delta}{(2a)^2} > 0. 类似(1),可得

x+b2a=±(b24ac)2ai.x + \frac {b}{2 a} = \pm \frac {\sqrt {- (b ^ {2} - 4 a c)}}{2 a} \mathrm{i}.

所以原方程的根为 x=b2a±(b24ac)2ax=-\frac{b}{2a}\pm\frac{\sqrt{-(b^{2}-4ac)}}{2a} i.

在复数范围内,实系数一元二次方程 ax2+bx+c=0(a0)ax^{2}+bx+c=0\quad(a\neq0) 的求根公式为:

(1) 当 Δ0\Delta \geqslant 0 时, x=b±b24ac2ax = \frac{-b \pm \sqrt{b^{2} - 4ac}}{2a} ;

(2) 当 Δ<0\Delta < 0 时, x=b±(b24ac)i2ax = \frac{-b \pm \sqrt{-(b^{2} - 4ac)}i}{2a} .

思考

根据复数的加法法则、乘法法则,你能说明实数系经过扩充后得到的新数集就是复数集C吗?

练习

  1. 计算:

(1) (76i)(3i)(7-6\mathrm{i})(-3\mathrm{i}) ;

(2) (3+4i)(23i)(3 + 4\mathrm{i})(-2 - 3\mathrm{i});

(3) (1+2i)(34i)(2i)(1 + 2\mathrm{i})(3 - 4\mathrm{i})(-2 - \mathrm{i}).

  1. 计算:

(1) (3+2i)(3+2i)(\sqrt{3} + \sqrt{2}\mathrm{i})(-\sqrt{3} + \sqrt{2}\mathrm{i});

(2) (1i)2(1-i)^{2} ;

(3) i(2-i)(1-2i).

  1. 计算:

(1) 1+i1i;\frac{1+i}{1-i};

(2) 1i\frac{1}{\mathrm{i}};

(3) 7+i3+4i\frac{7 + \mathrm{i}}{3 + 4\mathrm{i}};

(4) (1+i)(2+i)i\frac{(-1 + \mathrm{i})(2 + \mathrm{i})}{-\mathrm{i}}.

  1. 在复数范围内解下列方程:

(1) 9x2+16=0;9x^{2}+16=0;

(2) x2+x+1=0.x^{2}+x+1=0.

习题7.2

复习巩固

  1. 计算:

(1) (65i)+(3+2i)(6 - 5\mathrm{i}) + (3 + 2\mathrm{i}) (2) 5i(2+2i)5\mathrm{i} - (2 + 2\mathrm{i})

(3) (23+i)+(123i)(12+34i)\left(\frac{2}{3} + \mathrm{i}\right) + \left(1 - \frac{2}{3} \mathrm{i}\right) - \left(\frac{1}{2} + \frac{3}{4} \mathrm{i}\right);

(4) (0.5+1.3i)(1.2+0.7i)+(10.4i)(0.5 + 1.3\mathrm{i}) - (1.2 + 0.7\mathrm{i}) + (1 - 0.4\mathrm{i}).

  1. 在复平面内,复数 6+5i6 + 5\mathrm{i}3+4i-3 + 4\mathrm{i} 对应的向量分别是 OA\overrightarrow{OA}OB\overrightarrow{OB},其中 OO 是原点,求向量 AB\overrightarrow{AB}BA\overrightarrow{BA} 对应的复数.

  2. 计算:

(1) (87i)(3i)(-8-7i)(-3i) ;

(2) (43i)(54i)(4-3i)(-5-4i) ;

(3) (12+32i)(1+i)\left(-\frac{1}{2}+\frac{\sqrt{3}}{2}i\right)(1+i) ;

(4) (32i12)(12+32i);\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\mathrm{i} - \frac{1}{2}\right)\left(-\frac{1}{2} +\frac{\sqrt{3}}{2}\mathrm{i}\right);

(5) (1+i)(1i)+(1+i)(1 + \mathrm{i})(1 - \mathrm{i}) + (-1 + \mathrm{i}).

  1. 计算: (1) 2i2i\frac{2i}{2-i} ; (2) 2+i7+4i\frac{2+i}{7+4i} ; (3) 1(2i)2\frac{1}{(2-i)^{2}} ; (4) 5(4+i)2i(2+i)\frac{5(4+i)^{2}}{i(2+i)} .

综合运用

  1. 四边形 ABCDABCD 是复平面内的平行四边形,A,B,CA, B, C 三点对应的复数分别是 1+3i,i,2+i1 + 3\mathrm{i}, -\mathrm{i}, 2 + \mathrm{i},求点 DD 对应的复数.

  2. 在复数范围内解下列方程: (1) x2+4x+5=0;x^{2}+4x+5=0; (2) 2x23x+4=0.2x^{2}-3x+4=0.

  3. 已知 2i32\mathrm{i} - 3 是关于 xx 的方程 2x2+px+q=02x^{2} + px + q = 0 的一个根,求实数 p,qp, q 的值.

拓广探索

  1. 利用公式 a2+b2=(a+bi)(abi)a^2 + b^2 = (a + bi)(a - bi),把下列各式分解成一次因式的积:(1) x2+4x^2 + 4;(2) a4b4a^4 - b^4

  2. z=x+yiz = x + yi (x,yRx, y \in \mathbf{R}), 则复平面内满足 z(2+i)=3|z - (2 + i)| = 3 的点 ZZ 的集合是什么图形?

  3. 使用信息技术手段进行试验:尝试在复数集中对实系数多项式进行因式分解,观察并记录所发现的规律.

? 阅读与思考

代数基本定理

在代数发展史上的很长一段时期内,解一元多项式方程一直是人们研究的一个中心问题。早在古巴比伦时期,人们就会解一元二次方程。16世纪上半叶,数学家们得到了一元三次方程、一元四次方程的解法(包括求根公式)。此后,数学家们转向求解一元五次及五次以上的方程。他们想弄清楚以下问题:一般的一元多项式方程有没有根?如果有根,根的个数是多少?是否存在求根公式?

我们可以发现这样一个现象:随机生成的一元多项式,在复数集中最终都可以分解成一次因式的乘积,且一次因式的个数(包括重复因式)就是被分解的多项式的次数。事实上,数学中有如下定理:

代数基本定理(fundamental theorem of algebra) 任何一元 nnnNn \in \mathbf{N}^*)次复系数多项式方程 f(x)=0f(x) = 0 至少有一个复数根.

代数基本定理是数学中最重要的定理之一,它在代数学中起着基础作用。代数基本定理的证明方法有很多种,但每种证法都涉及高等数学知识,此处不作介绍。有兴趣的同学可以查阅相关资料。

由代数基本定理可以得到:任何一元 nnnNn \in \mathbf{N}^*)次复系数多项式 f(x)f(x) 在复数集中可以分解为 nn 个一次因式的乘积。进而,一元 nn 次多项式方程有 nn 个复数根(重根按重数计)。你能给出证明吗?

尽管一元 nn 次多项式方程有 nn 个复数根(重根按重数计),但是一元五次及五次以上的方程不存在一般的求根公式.

设实系数一元二次方程

a2x2+a1x+a0=0(a20)a _ {2} x ^ {2} + a _ {1} x + a _ {0} = 0 (a _ {2} \neq 0)

在复数集 C 内的根为 x1x_{1}x2x_{2} ,容易得到

{x1+x2=a1a2,x1x2=a0a2.\left\{ \begin{array}{l} x _ {1} + x _ {2} = - \frac {a _ {1}}{a _ {2}}, \\ x _ {1} x _ {2} = \frac {a _ {0}}{a _ {2}}. \end{array} \right.

设实系数一元三次方程

a _ {3} x ^ {3} + a _ {2} x ^ {2} + a _ {1} x + a _ {0} = 0 (a _ {3} \neq 0)\tag{①}

在复数集 C 内的根为 x1x_{1}x2x_{2}x3x_{3} ,可以得到,方程①可变形为

a3(xx1)(xx2)(xx3)=0,a _ {3} (x - x _ {1}) (x - x _ {2}) (x - x _ {3}) = 0,

展开得

a _ {3} x ^ {3} - a _ {3} (x _ {1} + x _ {2} + x _ {3}) x ^ {2} + a _ {3} (x _ {1} x _ {2} + x _ {1} x _ {3} + x _ {2} x _ {3}) x - a _ {3} x _ {1} x _ {2} x _ {3} = 0.\tag{②}

比较①②可以得到

{x1+x2+x3=a2a3,x1x2+x1x3+x2x3=a1a3,x1x2x3=a0a3.\left\{ \begin{array}{l} x _ {1} + x _ {2} + x _ {3} = - \frac {a _ {2}}{a _ {3}}, \\ x _ {1} x _ {2} + x _ {1} x _ {3} + x _ {2} x _ {3} = \frac {a _ {1}}{a _ {3}}, \\ x _ {1} x _ {2} x _ {3} = - \frac {a _ {0}}{a _ {3}}. \end{array} \right.

如果实系数一元四次方程

a4x4+a3x3+a2x2+a1x+a0=0(a40)a _ {4} x ^ {4} + a _ {3} x ^ {3} + a _ {2} x ^ {2} + a _ {1} x + a _ {0} = 0 (a _ {4} \neq 0)

在复数集 C\mathbf{C} 内的根为 x1,x2,x3,x4x_{1}, x_{2}, x_{3}, x_{4},那么它们与方程的系数之间有什么关系呢?

对于上述方程,如果系数是复数,那么根与系数的这些关系仍然成立吗?