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los números imaginarios - ¿cómo puedo entender a ellos, especialmente a medida que se producen en 'raíces' de polinomios?

En otra pregunta, acerca de las raíces de las ecuaciones de ser imaginaria, la aceptó responder dijo algo interesante sobre el "imaginario" (como una palabra técnica en matemáticas) no en el sentido de "no real". Entiendo que los números imaginarios son "manipulables y que sirve para hacer todo tipo de cosas". Y así, "existen" al menos, en el ámbito de las matemáticas.

Así que mi pregunta es esta. Yo estaba jugando en wxMaxima, y la resolución de polinomios, para conseguir sus raíces. En maxima, $\sqrt{-1}$ es representado como %i.
Nota del Editor: todos los "%i"s han sido reemplazados con $i$.

He aquí un ejemplo de un polinomio, decir $3x^6 + 4x^4$:

resolver($3x^6 + 4x^4$,$x$);

Maxima de los resultados: [$x=\displaystyle -\frac{2i}{\sqrt{3}}$,$x=\displaystyle \frac{2i}{\sqrt{3}}$,$x=0$]

Mi pregunta exacta:

  1. Es común tener el mismo imaginario resultado dos veces con sólo el signo diferente (ambas p y q son raíces imaginarias)? (Al principio pensé que se había informado a la misma raíz de dos veces que pasé por alto el signo negativo.)

  2. Uno puede trazar una raíz real y ver cómo se intercepta al eje x. ¿Cómo hace uno para "visualizar" o pensar de un imaginario de la raíz -- corresponde a un mínimo local que no se produce en el eje x?

  3. Qué usos hacen de raíces imaginarias de polinomios tienen en matemáticas?

19voto

Lorin Hochstein Puntos 11816

1: no Es sólo común, es siempre el caso: si usted tiene un polinomio con coeficientes reales, entonces las "raíces complejas" vienen en lo que se llama "conjugado pares: si $a+bi$ es una raíz, con $a,b$ números reales y $b\neq 0$, $a-bi$ es también una raíz.

La explicación tiene que ver con algo que se llama "complejo de conjugación". Complejo de conjugación es una operación con números complejos que envía el complejo de número de $a+bi$ a de los números complejos $a-bi$. Esto se representa con una línea sobre el número, que es, $\overline{z}$ denota el complejo conjugado de $z$: $$\overline{a+bi} = a-bi,\qquad a\text{ and }b\text{ real numbers.}$$ La conjugación de aspectos sumas y productos: $$\overline{z+w} = \overline{z}+\overline{w}\text{ and }\overline{z\times w}=\overline{z}\times\overline{w}\text{ for all complex numbers }z\text{ and }w.$$

También, un número $a+bi$ es real (es decir, ha $b=0$) si y sólo si $\overline{a+bi} = a+bi$.

Ahora supongamos que tenemos un polinomio con realcoeficientes, $$p(x) = \alpha_nx^n + \cdots + \alpha_1x + \alpha_0$$ y que no son números reales $a$ $b$ tal que $a+bi$ es una raíz del polinomio. A conectarlo, obtenemos $0$: $$p(a+bi) = \alpha_n(a+bi)^n + \cdots + \alpha_1(a+bi) + \alpha_0 = 0.$$ Tomando complejos conjugados en ambos lados, y la aplicación de las propiedades mencionadas anteriormente (complejo conjugado de la suma es la suma de los complejos conjugados; complejo conjugado del producto es el producto de la compleja conjugada; complejo conjugado de un número real como $\alpha_i$ es de por sí) tenemos: $$\begin{align*} 0 &= \overline{0}\\ &= \overline{\alpha_n(a+bi)^n + \cdots + \alpha_1(a+bi) + \alpha_0}\\ &= \overline{\alpha_n}\overline{(a+bi)}^n + \cdots + \overline{\alpha_1}\overline{(a+bi)} + \overline{\alpha_0}\\ &= \alpha_n(a-bi)^n + \cdots + \alpha_1(a-bi) + \alpha_0\\ &= p(a-bi). \end{align*}$$ Así que si $p(a+bi)=0$,$p(a-bi)=0$.

Raíces complejas no se corresponden en forma razonable a los "máximos y mínimos" de los polinomios. Corresponden a los mínimos cuadráticos factores. Es difícil de visualizar, a partir de una gráfica del polinomio en el eje real, donde (o incluso si) tiene raíces complejas.

El polinomio que intentó, $3x^6+4x^4$, puede ser escrito como $$3x^6 + 4x^4 = x^4(3x^2 + 4).$$ El producto es igual a $0$ si y sólo si uno de los factores es $0$, lo $x=0$ o $3x^2+4 = 0$; para el segundo, necesitaría $x^2 = -\frac{4}{3}$, lo cual es imposible con los números reales; es decir, $3x^2 + 4$ es un irreductible cuadrática, que es donde las raíces complejas (en este caso, puramente imaginaria) de donde provienen. Ya que quieres un (complejo) número cuyo cuadrado es $-\frac{4}{3}$, una posibilidad es tomar un real número cuyo cuadrado es $\frac{4}{3}$, es decir,$\frac{2}{\sqrt{3}}$, y luego se multiplica por un número complejo cuyo cuadrado es $-1$. Hay dos de esos números, $i$$-i$, de modo que las dos raíces complejas se $\frac{2}{\sqrt{3}}i$$\frac{2}{\sqrt{3}}(-i) = -\frac{2}{\sqrt{3}}i$.

Cada uno de los distintos irreductible cuadrática factor de darle un par de raíces complejas conjugadas.

Como consecuencia del Teorema Fundamental del Álgebra, cada polinomio con coeficientes reales se puede escribir como un producto de polinomios que son de grado $1$, o irreductible cuadráticas.

Así se podría mencionar una aplicación aquí: una razón la gente se interesaba saber que el Teorema Fundamental del Álgebra era cierto (que cada polinomio real podría ser escrito como un producto de lineales y polinomios cuadráticos irreducibles) fue para asegurarse de que el método de fracciones parciales siempre estaría disponible para resolver una integral de una función racional (una función dada como el cociente de un polinomio por otro polinomio).

Otros usos son demasiado numerosos para mencionarlos, pero como Yuval menciona, esta pregunta y sus respuestas pueden ayudarle a empezar.

5voto

Nathan Long Puntos 6704

Es posible que desee echar un vistazo a esto: Hacer números complejos realmente existe?.

Además, usted puede sentirse orgulloso de sí mismo por preguntar lo largo de las mismas líneas (con la ayuda de un ordenador) que Cardano y otros matemáticos hicieron hace 500 años, lo que llevó a la aceptación y elaboración de %i. Su observación acerca de las $\pm i$ es perspicaz e importante en la teoría de ecuaciones diferenciales (sistemas dinámicos), así como de otros lugares. complex plane from mathworld

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Pensamos en $\sqrt{-1}$ como parte de una entidad más grande llamado el plano complejo (google es tu amigo). $\sqrt{-1}$ es de 90 grados en todo el plano complejo, mientras que el $-1$ es de 180 grados en todo el plano complejo -- se gira completamente alrededor de $+1$. El giro de 180 grados es el número de la línea que has aprendido en la escuela; sólo 90 grados entra en el plano complejo.

La unificación idea es que un par de los imaginarios y "real" de los números de $x + i \cdot y$ es equivalente a un radio y un ángulo. Bastante Simple si usted está familiarizado con coordenadas rectangulares y polares. Pero la clave de la observación por de Moivre, que abrió un profundo y misterioso mundo es que todo esto se puede hacer con la base natural $e$.

  • $\exp (i \cdot x) = \cos x + i \sin x$.

Por lo tanto,$x+\sqrt{-1} \cdot y = \sqrt{x^2 + y^2} \cdot \exp (\sqrt{-1} \cdot \arctan {y \over x})$, lo que pensamos de como

  • $\mathrm{radius} \cdot e^{i \cdot \mathrm{angle}}$.

Aquí están algunos ejemplos concretos de la escritura %i números en polar ($\exp$) formulario:

  • $3 + 4i = 5 \cdot e^{\pi \over 4}$
  • $-1 = e^{ \sqrt{-1} \cdot \pi }$
  • $\sqrt{-1} = e^{\sqrt{-1} \cdot {\pi \over 2}}$
  • $\sqrt{-25} = 5 \cdot e^{\sqrt{-1} \cdot {\pi \over 2}}$

Tan lejos como se utiliza dentro de las matemáticas, %i:

  • hace que cualquier ecuación polinómica soluble
  • matrices con %i modelo de determinados grupos (google hermitian de la matriz)
  • complejo de autovalores informarle sobre el tipo de solución a un (sistema de) la ecuación diferencial(s)
  • ayuda a que el modelo de flujo de fluidos
  • %i revela más acerca de la derivada (google amplitwist o de Cauchy-Riemann ecuaciones)
  • %i revela fundamental a la unidad a las transformaciones de Moebius (mira esto)
  • usted necesita %i para la descomposición de Fourier
  • el "ángulo" nos permite modelar la fase de una señal o de un estado cuántico así como su magnitud
  • algunos ya no integrable funciones integrables al hacer uso del plano complejo (google Laurent serie o cálculo de residuos)
  • twistors y spinors en la física matemática uso %i
  • puedes factor de cualquier polinomio todo el camino hacia abajo, utilizando %i
  • la función característica de una distribución de probabilidad se utiliza %i

Si tienes tiempo, mira Tristán Needham del Visual Análisis Complejo o Roger Penrose es El Camino a la Realidad. Dos de los mejores libros de matemáticas que se han escrito, y punto. Y ambos enseñan cosas muy interesantes que puedes hacer con %i.

Le estamos pidiendo a todas las preguntas correctas para comenzar un maravilloso viaje de descubrimiento.

2voto

Oli Puntos 89

Voy a responder a la primera pregunta, y tal vez los demás si nadie más lo hace. No es una doble raíz, hay un signo menos delante de una de las respuestas. El hecho de que los exponentes son todos, incluso aquí las fuerzas de raíz a ser acompañado por su negativa.

La raíz de $x=0$ es un cuádruple raíz, pero Maxima parece mencionar sólo una vez.

1voto

John Fouhy Puntos 759

Ver esta pregunta para las partes 2 y 3.

Como para la parte 1, si tienes un polinomio con coeficientes reales, a continuación, para cada uno de los complejos de raíz de $x + iy$, su conjugado $x - iy$ es también una raíz.

La razón es que la conjugación de "viajes" con toda la operación aritmética, es decir, $$ \overline{z+w} = \overline{z} + \overline{w}, \quad \overline{zw} = \overline{z} \overline{w}. $$ Aquí la línea se refiere a la conjugación. Ya que todos los coeficientes son reales, si se conecta en su raíz y el conjugado de la expresión completa, usted termina con $\overline{0} = 0$ nuevo, con el mismo polinomio, pero con el conjugado de la raíz. Así que estas raíces vienen en pares.

1voto

Ben Puntos 129

Para la Q2, Se puede imaginar el valor absoluto de un polinomio en una variable compleja, para un punto dado,$z=x+iy$, ya que la altura de una superficie.

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