横画面推奨!
モバイル機器の場合、数式が見切れる場合があります。

2022年7月12日

なぜ複素数は|a+bi|^2=(a+bi)^2とすることができないのか?

 実数a,ba,bについて
|a+b|2=(a+b)2|a+b|2=(a+b)2
という式が成り立ちます。しかし、複素数a+bia+biの場合だと
|a+bi|2=(a+bi)(abi)|a+bi|2=(a+bi)(abi)
となります。

なぜ、複素数の場合
|a+bi|2=(a+bi)2|a+bi|2=(a+bi)2
ではないのでしょうか?

 |a+b|2=(a+b)2|a+b|2=(a+b)2が成立するのは、
a+b<0|a+b|=(a+b)a+b0|a+b|=a+ba+b<0|a+b|=(a+b)a+b0|a+b|=a+b
より
a+b<0|a+b|2={(a+b)}2=(a+b)2a+b0|a+b|2=(a+b)2a+b<0|a+b|2={(a+b)}2=(a+b)2a+b0|a+b|2=(a+b)2
となり、実数a+ba+bの正負で場合分けしても同じ結果を得るためです。

|a+bi||a+bi|を実数と同様に場合分けしようとした場合、b=0b=0のときa+bia+biは実数なので場合分けができて結果成り立つことがわかります。しかしb0b0のときa+bia+biは虚数となり、虚数には大きさがない、すなわち虚数を00未満か00以上かで場合分けすることができないので、実数と同じ方法はとれなくなります。

 では複素数の絶対値|a+bi||a+bi|はどうやって求めるのかというと、これは複素数平面で定義されています。
複素平面、複素数の絶対値
平面上に互いに垂直な数直線、実軸ReReと虚軸ImImをおきます。この平面を複素数平面といいます。
実部aaと虚部bbは実軸、虚軸それぞれにおける座標となるので、座標平面でいうところの(a,b)(a,b)の点が複素数a+bia+biの複素数平面における位置となります。
そして原点からa+bia+biまでの距離が複素数の絶対値|a+bi|となります。実数の絶対値は実数直線における0点からの距離なので、これを拡張したものです。
したがって、三平方の定理を利用して
|a+bi|2=a2+b2
で求めることができます。
ここで、
(a+bi)2=a2+2abi+b2i2=a2b2+2abi
より|a+bi|2=(a+bi)2が成り立たないことがわかります。
 複素数平面を利用して複素数の絶対値を求める方法はわかりましたが、なぜ
|a+bi|2=(a+bi)(abi)
となるのかはまだわかりません。そこでa2+b2(a+bi)2を比較して導いてみます。
(a+bi)2=a2b2+2abiより、これをa2+b2にするには2abiを引いて2b2を加える必要があります。
a2+b2=(a+bi)22abi+2b2=(a+bi)22b(aib)=(a+bi)22b(ai+bi2)=(a+bi)22bi(a+bi)=(a+bi)(a+bi)2bi=(a+bi)(abi)
このことから|a+bi|2=(a+bi)(abi)を導くことができました。
共役複素数
このとき複素数a+biに対するabi、すなわち虚部の符号が反転している複素数のことを共役複素数と呼びます。
共役複素数abiは複素数平面においてa+biをx軸に関して対称な位置にあります。
Share:
share
◎Amazonのアソシエイトとして、当サイト「数学について考えてみる」は適格販売により収入を得ています。
Powered by Blogger.

Blog Archive

PR

blogmura_pvcount
ブログランキング・にほんブログ村へ