1.9
لا يمكن لنظام الأعداد الحقيقية تمثيل الجذر التربيعي لعدد سالب، مما يقيد حلول بعض المعادلات، مثل المعادلات التربيعية ذات المميز السالب. ولحل هذه المشكل…
بعض المعادلات ليس لها حل حقيقي لأنها تتضمن الجذور التربيعية للأرقام السالبة.
لمعالجة هذا ، يتم تقديم الأعداد المركبة ، وتحديد الجذر التربيعي ل −1 على أنه الوحدة التخيلية i.
يمكن تصور ذلك على المستوى المعقد ، حيث تشكل الأجزاء الحقيقية والخيالية محاور عمودية ، وتضع كل رقم مركب كنقطة.
تتضمن إضافة الأعداد المركبة إضافة أجزائها الحقيقية والخيالية بشكل منفصل.
يتبع ضرب الأعداد المركبة خاصية التوزيع. نظرا لأن i2 = −1 ، يتم استبدال أي حدوث ل i2 ب −1 أثناء التبسيط.
يتضمن قسمة الأعداد المركبة ضرب كل من البسط والمقام في مرافق المقام - الذي له نفس الجزء الحقيقي والجزء التخيلي المعاكس - لحذف الجزء التخيلي.
مثلما يحتوي كل عدد حقيقي موجب على جذرين تربيعيين، فإن كل عدد حقيقي سالب له أيضا جذران تربيعيان مركبان، وهما مرفقان معقدان.
تستخدم الأرقام المركبة في التصوير بالرنين المغناطيسي ، حيث يجمع الماسح الضوئي بيانات إشارة معقدة تسمى k-space. يتم تحويل هذه البيانات إلى صور مكانية باستخدام تحويلات فورييه العكسية.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why are complex numbers necessary in mathematics?
Complex numbers extend the real number system to solve equations that have no real solutions, particularly those involving square roots of negative numbers. The imaginary unit i is defined as the square root of −1, allowing equations like x² + 1 = 0 to have solutions within the complex number system. This expansion ensures all polynomial equations can be solved.
Q2: How do you add and subtract complex numbers?
Complex numbers are added and subtracted by combining their real and imaginary parts separately. For example, to add (x + yi) and (u + vi), add the real parts (x + u) and the imaginary parts (y + v) to get (x + u) + (y + v)i. Subtraction follows the same process, subtracting corresponding parts independently.
Q3: What happens when you multiply complex numbers?
Multiplying complex numbers uses the distributive property, treating i as a variable. The key simplification rule is i² = −1, which replaces any occurrence of i² with −1 during simplification. For example, (2 + 3i)(1 + i) = 2 + 2i + 3i + 3i² = 2 + 5i − 3 = −1 + 5i.
Q4: How do you divide complex numbers?
To divide complex numbers, multiply both the numerator and denominator by the conjugate of the denominator. The conjugate of (u + vi) is (u − vi). This eliminates the imaginary part from the denominator, leaving a real number that allows simplification of the entire fraction.
Q5: What is a complex conjugate and why is it useful?
The complex conjugate of (x + yi) is (x − yi), with the same real part and opposite imaginary part. When a complex number is multiplied by its conjugate, the result is always a real number. This property is essential for division and simplification, as it converts complex denominators into real numbers.
Q6: How are complex numbers visualized?
Complex numbers are visualized on the complex plane, where the real part is plotted on the horizontal axis and the imaginary part on the vertical axis. Each complex number corresponds to a unique point on this plane, with perpendicular axes representing the real and imaginary dimensions.
Q7: What are real-world applications of complex numbers?
Complex numbers are used in electrical engineering to express impedance in alternating current circuits, where the imaginary part represents reactance. In signal processing and control systems, they model oscillations, phase shifts, and frequency responses. Medical imaging, such as Magnetic Resonance Imaging, uses complex signal data called k-space, converted into spatial images using inverse Fourier transforms.