Unidad imaginaria

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En matemáticas la unidad imaginaria (a veces representado por la letra griega iota ) le permite ampliar el campo de los números reales al campo de los números complejos . La unidad imaginaria se caracteriza por ser un número cuyo cuadrado es igual a .

En ingeniería eléctrica , la unidad imaginaria siempre está representada por la letra , desde la carta ya se utiliza para indicar la intensidad actual .

La necesidad de ampliar el campo de los números reales. surge del hecho de que no es posible en este campo calcular la raíz cuadrada de un número negativo y, de manera más general, que no todas las ecuaciones polinómicas tienen una solución . En particular la ecuación no tiene soluciones reales. Pero, si nos fijamos en números complejos, entonces esa ecuación, y de hecho todas las ecuaciones polinomiales , Dónde está es un polinomio con coeficientes reales o complejos, tienen al menos una solución: este hecho se llama teorema fundamental del álgebra , y formalmente dice que es el cierre algebraico de .

Definición

Por definición, la unidad imaginaria es una solución de la ecuación

El anillo (que es un campo ya que el polinomio es irreductible en ) Y resultan ser isomorfos como espacios vectoriales en a través del isomorfismo que envía en . En este sentido, la unidad imaginaria no es otra cosa que la imagen de de acuerdo a y tu tienes

Las operaciones con números reales se pueden extender a números complejos considerando como una cantidad desconocida al manipular expresiones, y luego usar la definición para reemplazar con .

Y

La ecuacion tiene, en efecto, dos soluciones distintas que son opuestas. Más precisamente, una vez que se ha establecido una solución de la ecuación, entonces también es una solución. Dado que la ecuación en sí es la única definición de , parece que esta definición es ambigua (más precisamente, no está bien definida ). Pero no hay ambigüedad una vez que elige una solución y la arregla, indicándola con .

Esta consideración es sutil. Una explicación más precisa es afirmar que aunque el campo complejo definido como es única excepción de isomorfismos , que no es única excepción de un único isomorfismo. De hecho, hay exactamente dos automorfismos de , la identidad y el automorfismo que envía en . Tenga en cuenta que estos no son solo los únicos automorfismos en el campo , pero son los únicos automorfismos en el campo que fijan cualquier número real. Ver las entradas conjugar complejo y grupo de Galois .

Surge un problema similar si los números complejos se interpretan como matrices reales , porque las dos matrices siguientes

son soluciones de la ecuación . En este caso, la ambigüedad se debe a la elección realizada con respecto a la "dirección positiva" en la que se atraviesa la circunferencia de la unidad . Una explicación más precisa es la siguiente: el grupo de automorfismos del grupo ortogonal especial tiene exactamente dos elementos: identidad y automorfismo que intercambia rotaciones en sentido horario en rotaciones en sentido antihorario.

Advertencia

A veces, la unidad imaginaria se escribe como , pero hay que tener mucho cuidado al manipular fórmulas que contienen radicales. Esta notación está reservada para la función raíz cuadrada principal, que se define solo para números reales , oa la parte principal de la función de raíz cuadrada compleja. Aplicar las propiedades de las raíces cuadradas principales (reales) a la rama principal de raíces cuadradas complejas produce resultados incorrectos:

De hecho la regla

es válido solo para valores de Y real y no negativo.

Para evitar cometer errores al manipular números complejos, la mejor estrategia es nunca usar un número negativo debajo de un signo de raíz cuadrada que no esté precedido por , para dar a entender que se consideran ambas raíces.

Poderes de

Los poderes de se repiten periódicamente (son cíclicos con punto ):

Esta propiedad se puede expresar en una forma más compacta como esta, donde es cualquier número entero:

Raíces de la unidad imaginaria

Las dos raíces cuadradas de (es decir, las dos soluciones de la ecuación ) son complejos, derivados de la expresión: . Esto se puede verificar de la siguiente manera:

Para la raíz cuadrada será la de multiplicado por la propia unidad imaginaria. Por lo tanto:

Al igual que con cualquier otro número complejo, las raíces Las -ésimas de la unidad imaginaria se calculan fácilmente a través de su descripción en coordenadas polares. En efecto:

Al imponer que un número complejo genérico ser root -ésimo de debes tener:

a partir del cual:

La disposición de las raíces en el plano complejo es la de los polígonos regulares inscritos en el círculo complejo de radio. : teniendo en cuenta la no unicidad de la representación polar de números complejos, para la raíz cuadrada tendremos dos raíces distintas (configuración por ejemplo ), para la raíz cúbica tendremos tres ( ) etcétera. Volviendo a la representación en el plano complejo mediante la fórmula de Euler obtenemos:

y la fórmula de Euler

Tomando la fórmula de Euler y sustituyendo en lugar de , usted obtiene

Si ambos lados de la igualdad se elevan al poder , recordando eso , se obtiene la identidad

De hecho, es fácil encontrar que tiene un número infinito de soluciones en forma de

Dónde está es un todo. Desde el punto de vista de la teoría de números, es un número irracional cuadrático, como , y aplicando el teorema de Gelfond-Schneider se puede concluir que todos los valores obtenidos anteriormente, y en particular , son trascendentes .

De nuevo a partir de la fórmula de Euler, o cuadrando ambos lados de la identidad anterior , llegamos elegantemente a la identidad de Euler :

que relaciona cinco de las entidades matemáticas más significativas, junto con el principio de igualdad y las operaciones de suma, multiplicación y potencia, en una simple expresión.

Notación alternativa

En ingeniería eléctrica y campos relacionados, la unidad imaginaria a menudo se denomina para evitar confusiones con el símbolo de corriente eléctrica variable, tradicionalmente indicado con . El lenguaje de programación Python también usa por la unidad imaginaria.

Es necesario prestar más atención a algunos libros de texto que definen , particularmente en temas relacionados con la propagación de ondas (por ejemplo, una onda plana que viaja hacia la derecha en la dirección de se indica con ).

Algunos textos usan la letra griega iota para la unidad imaginaria para evitar confusiones.

Bibliografía

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