Loading [MathJax]/jax/output/CommonHTML/jax.js

Peruslaskutoimitukset

Määritelmä 8.2.1

Kompleksiluvut, C, koostuvat luvuista z=a+bi, missä a ja b ovat reaalilukuja, sekä i on imaginaariyksikkö. Kompleksilukujen summa määritellään kaavalla

(a+bi)+(c+di)=(a+c)+(b+d)i

ja tulo kaavalla

(a+bi)(c+di)=(acbd)+(ad+bc)i.

Havaitaan, että kompleksilukujen summa ja tulo ovat myös kompleksilukuja, sillä edellisessä määritelmässä luvut a+c, b+d, acbd ja ad+bc ovat reaalilukuja. Kompleksiluvusta käytetään myös merkintöjä

a+bi=a+ib=a+bj=a+jb.

Kompleksilukuja voidaan havainnollistaa esittämällä ne pisteinä tai vektoreina kompleksitasossa (complex plane), kuten alla olevassa kuvassa.

../_images/kompleksitaso1.svg

Kompleksiluku a+0i samastetaan reaaliluvun a kanssa ja merkitään a+0i=a. Niinpä voidaan sanoa, että jokainen reaaliluku on myös kompleksiluku. Samoin voidaan merkitä 0+bi=bi. Erityisesti

1+0i=1ja0+1i=1i=i.

Imaginaariyksikkö i on siis myös kompleksiluku. Otetaan käyttöön seuraava kompleksilukua z=a+bi koskeva terminologia.

  • a=Rez on luvun z reaaliosa ja b=Imz on luvun z imaginaariosa.
  • Jos b=0, luku z on reaalinen.
  • Jos b0, luku z on imaginaarinen.
  • Jos a=0 ja b0, luku z on puhtaasti imaginaarinen.

Kompleksiluvut z ja w ovat samoja, jos niiden reaali- ja imaginaariosat ovat samoja. Toisin sanoen z=w jos ja vain jos Rez=Rew ja Imz=Imw.

Määritelmä 8.2.2

Kompleksiluvun z=a+bi vastaluku (negative) on

z=abi

(jolloin z+(z)=0). Kompleksilukujen z=a+bi ja w=c+di erotus (difference) zw määritellään asettamalla

zw=z+(w)=(ac)+(bd)i.

Lasketaan reaaliluvun t=t+0i ja kompleksiluvun a+bi tulo määritelmän mukaan.

t(a+bi)=(t+0i)(a+bi)=(ta0b)+(tb+0a)i=ta+tbi,

eli samaan tulokseen päästään vain kertomalla sekä reaali- että imaginaariosa luvulla t. Tiivistetysti voidaan todeta, että kompleksilukujen summa, vastaluku, erotus ja reaaliluvulla kertominen toimivat täsmälleen samoin kuin tasovektorien vastaavat operaatiot. Näiden geometriset tulkinnat voidaan siis esittää kuten alla.

../_images/kompleksivektorit1.svg

Esimerkki 8.2.3

  1. Re(23i)=2 ja Im(23i)=3
  2. (32i)(5+3i)=85i

Kompleksilukujen kertolaskun määritelmästä seuraa mielenkiintoinen ja hyödyllinen luvun i ominaisuus.

Lause 8.2.4

i2=ii=1.

Piilota/näytä todistus

Kirjoitetaan i=0+1i ja lasketaan tulo määritelmän mukaan. Nyt a=c=0 ja b=d=1, joten

i2=ii=(0+1i)(0+1i)=(0011)+(01+10)i=1+0i=1.

Käsitellään seuraavaksi kompleksilukuja a+bi ja c+di kuten reaalisia binomeja ja lasketaan niiden tulo käyttämällä tulosta i2=1.

(a+bi)(c+di)=ac+adi+bci+bdi2=ac+adi+bcibd=(acbd)+(ad+bc)i

Tulos on sama kuin kertolaskun määritelmässä, joten kompleksilukujen tulo voidaan laskea kuten binomien tulo osittelulakia käyttäen. Tulon geometriseen tulkintaan palataan myöhemmin.

Esimerkki 8.2.5

(32i)(5+i)=153i10i2i2=1313i.

Oheiseen kuvaan on piirretty muutamien kompleksilukujen vektoriesitykset. Kahden apuviivan väli on 1. Vastaa kysymyksiin.

../_images/KMT-vko3-kompleksi-kuvat-11.svg
Mitä on a+d?
Mitä on b2c?
Onko fb reaalinen?
Onko e+d imaginaarinen?
Mitä on ad?
Mitä on 2ei? Huomaa, että tässä e ei ole Neperin luku.

Reaaliluvuille a=a+0i ja b=b+0i kompleksilukujen laskutoimitukset antavat samat tulokset kuin vastaavat reaaliset laskutoimitukset. Lisäksi seuraavan lauseen mukaan kaikkia tuttuja laskusääntöjä saa soveltaa myös kompleksilukuja käsiteltäessä

Lause 8.2.6

Jokaisella kompleksiluvulla z0 on olemassa yksikäsitteinen käänteisluku (reciprocal) z1, joka toteuttaa ehdon zz1=1.

Piilota/näytä todistus

Käänteisluvun olemassaolo ja yksikäsitteisyys on todistettava erikseen. Olkoon z=a+bi0 ja merkitään

w=1a2+b2(abi).

Suoralla laskulla nähdään, että

zw=1a2+b2(a+bi)(abi)=1a2+b2(a2abi+abib2i2)=a2+b2a2+b2=1,

eli luku w toteuttaa käänteisluvun ehdon. Täten z1=w on olemassa.

Yksikäsitteisyyden osoittamiseksi väitetään, että u ja v ovat luvun z0 käänteislukuja, eli esimerkiksi uz=1 ja zv=1. Tällöin kuitenkin välttämättä

u=u1=u(zv)=(uz)v=1v=v,

eli luvut u ja v ovat samat. Täten käänteisluku on yksikäsitteinen.

Koska jokaiselle nollasta poikkeavalle kompleksiluvulle löytyy käänteisluku, niille on mahdollista määritellä jakolasku vastaavasti kuin reaaliluvuille.

Määritelmä 8.2.7

Kompleksilukujen z ja w osamäärä (quotient) zw, missä w0, määritellään asettamalla

zw=zw1.

Erityisesti 1w=1w1=w1.

Reaaliluvuille a=a+0i ja b=b+0i kompleksiset laskutoimitukset antavat samat tulokset kuin vastaavat reaalilukujen laskutoimitukset. Lisäksi seuraavan luvun mukaan kompleksiset laskutoimitukset toteuttavat samat peruslait kuin reaalilukujen laskutoimitukset. Siis kompleksilukujen laskutoimitukset laajentavat reaalilukujen laskutoimitukset R2:een.

Lause 8.2.8

Kun x, y ja z ovat kompleksilukuja, niin

  1. x+y=y+x ja xy=yx (vaihdantalait),
  2. x+(y+z)=(x+y)+z ja x(yz)=(xy)z (liitäntälait),
  3. x(y+z)=xy+xz (osittelulaki).
Piilota/näytä todistus

Nämä voidaan todistaa suorilla laskuilla, kun sopivissa välivaiheissa sovelletaan reaalilukujen laskusääntöjä. Todistetaan esimerkkinä tulon vaihdantalaki. Merkitään x=x1+x2i ja y=y1+y2i. Tällöin

xy=(x1+x2i)(y1+y2i)=x1y1+x1y2i+x2y1i+x2y2i2=y1x1+y1x2i+y2x1i+y2x2i2=(y1+y2i)(x1+x2i)=yx.

Muut kohdat vastaavasti.

Lemma 8.2.9

Jos z0 ja w0 ovat kompleksilukuja, niin (zw)1=z1w1, eli

1z1w=1zw.
Piilota/näytä todistus

Määritelmän nojalla zz1=1 ja ww1=1, joten tulon liitännäisyyden ja vaihdannaisuuden nojalla

(zw)(z1w1)=z(wz1)w1=(zz1)(ww1)=11=1.

Niinpä z1w1 on luvun zw käänteisluku.

Tästä tuloksesta seuraa, että tavanomainen laventaminen ja supistaminen on luvallista myös kompleksiluvuilla. Jos z0, niin zz1=1 ja siten

vw=(vw1)(zz1)=(vz)(w1z1)=(vz)(wz)1=vzwz.

Laventaminen tarjoaa yksinkertaisimman tavan etsiä kompleksiluvun käänteisluku. Suoralla laskulla voidaan tarkistaa, että (a+bi)(abi)=a2+b2, missä a ja b ovat reaalisia. Tällöin myös luku a2+b2 on reaalinen, eli

1a+bi=abi(a+bi)(abi)=abia2+b2=1a2+b2(abi),

joka on sama luku kuin aiemmassa lauseen 8.2.6 todistuksessa.

Esimerkki 8.2.10

  1. Etsi luvun 2+3i käänteisluku muodossa a+bi.
  2. Ilmoita luku 34i2+i muodossa a+bi.
  3. Ratkaise z muodossa a+bi yhtälöstä (2i)z=1+i.
Piilota/näytä ratkaisu

Hyödynnetään sopivalla luvulla laventamista.

  1. Lavennetaan luvulla 23i.

    (2+3i)1=12+3i=23i(2+3i)(23i)=23i49i2=23i13=213313i
  2. Lavennetaan luvulla 2i.

    34i2+i=(34i)(2i)(2+i)(2i)=10+5i5=2+i
  3. Ratkaisu on olemassa, sillä luvulla 2i on käänteisluku. Jaetaan yhtälö puolittain sillä ja lavennetaan luvulla 2+i.

    z=1+i2i=(1+i)(2+i)(2i)(2+i)=1+3i5=15+35i
Mikä on luvun i neliö?
Mikä on luvun 1 neliöjuuri?
Mikä seuraavista laskulaeista ei ole voimassa kaikille kompleksiluvuille x, y ja z?
Jaetaan mikä tahansa kompleksiluku luvulla i. Tulokseksi tulee sama luku, kuin jos