De wortel uit min ´ e´ en Jaap Top IWI-RuG & DIAMANT
[email protected]
20 maart 2007 1
Marten Toonder, verhaal ‘de minionen’ (1980)
2
3
4
5
Twee manieren om complexe getallen te beschrijven: √ ele a, b algebra¨ısch, als uitdrukkingen a + b −1 met re¨ meetkundig, als punten met co¨ ordinaten (a, b) in het xy-vlak We gaan op beide in, en volgen daarbij de tekst uit het collegedictaat Differentiaal- en integraalrekening, te vinden op http://www.math.rug.nl/~top/diffint.pdf
6
Alternatief, uitstekende inleiding: http://nl.wikipedia.org/wiki/Complex_getal
7
Een complex getal is een uitdrukking van de vorm a + bi, met a en b re¨ ele getallen, en i een nieuw symbool Is z = a + bi een complex getal, dan heet a ∈ R het re¨ ele deel van z en b ∈ R het imaginaire deel van z. Notatie Re(z) := a resp. Im(z) := b De verzameling van alle complexe getallen geven we aan met C Optellen en vermenigvuldigen in C: Laten z = a+bi en w = c+di complexe getallen zijn. Dan z + w = (a + bi) + (c + di) := (a + c) + (b + d)i en zw = (a + bi) · (c + di) := (ac − bd) + (ad + bc)i 8
We vatten R op als een deel van C, door r ∈ R te zien als het complexe getal r + 0i. Evenzo hebben we een zekere deelverzameling van de complexe getallen die we de zuiver imaginaire getallen noemen. Dit zijn de complexe getallen van de vorm 0 + bi. Zo’n zuiver imaginair getal schrijven we kortweg als bi. De rekenregels zeggen in het bijzonder dat (bi)(di) = −bd, dus het product van twee zuiver imaginaire getallen is een re¨ eel getal. Voor b = d = 1 staat hier dat i2 = −1, dus inderdaad hebben we zo een systeem waarin x2 + 1 = 0 een oplossing bezit.
9
Optellen en vermenigvuldigen in C voldoet aan voor R al welbekende regels. Bijvoorbeeld z + w = w + z en zw = wz en ook (z + w)z2 = zz2 + wz2. Complexe getallen z hebben een tegengestelde −z, en aftrekken van complexe getallen (z − w) betekent net als voor R dat we bij z de tegengestelde van w optellen Minder evident: elk complex getal z 6= 0 heeft een inverse; dat is een w ∈ C zodat zw = 1. Deze inverse wordt, net als in het re¨ ele geval, geschreven als z −1. Er geldt a b (a + bi)−1 = 2 − i, 2 2 2 a +b a +b zoals je nagaat door met a + bi te vermenigvuldigen Dit stelt ons in staat om complexe getallen op elkaar te delen: z/w = z · w−1 (mits w 6= 0) 10
De complex geconjugeerde van een complex getal z = a + bi is het complexe getal genoteerd als z¯, gegeven door z¯ := a − bi. Merk op dat voor elke z = a + bi 6= 0 het product z¯ z = a2 + b2 een positief re¨ eel getal is. Er geldt 1 z¯ = z z¯ z en w w¯ z = z z¯ z Dit zijn formules waarmee in de praktijk snel een quotient van compleze getallen in de vorm a + bi geschreven kan worden. 11
Voorbeelden: 1 2−i 2−i 2 1 = = = − i 2+i (2 + i)(2 − i) 5 5 5 Zo ook 3 + 5i (3 + 5i)(1 − i) = = (3 + 5i)(1 − i)/2 = 4 + i 1+i (1 + i)(1 − i)
12
Is z = a + bi, dan volgt z + z¯ = 2a en z − z¯ = 2bi. Dit levert formules voor het re¨ ele en het complexe deel van z, namelijk z + z¯ Re(z) = 2
en
z − z¯ Im(z) = . 2i
13
Deze algebra¨ısche benadering is afkomstig van Rafael Bombelli (1526–1572)
14
Je kan op een meetkundige manier naar C kijken door z = a + bi te zien als het punt (a, b) in het xy-vlak R2. Optellen in C is zo de parallellogramwet voor het optellen van vectoren: a + bi optellen bij c + di is het optellen van de vectoren met beginpunt (0, 0) en eindpunt resp. (a, b) en (c, d) Complexe conjugatie is het overgaan van (a, b) naar (a, −b), dus het spiegelen in de x-as. In het bijzonder zie je zo, dat z = z¯ dan en slechts dan, als z met een punt op de x-as correspondeert, oftewel, als z ∈ R We spreken van het complexe vlak
15
De formule z · z = a2 + b2 als z = a + bi laat zien, dat z · z gelijk is aan het kwadraat van de afstand tussen (0, 0) en (a, b). Kortom, met q √ |z| := z · z = a2 + b2 wordt een re¨ eel getal gedefini¨ eerd dat in het meetkundige plaatje de lengte van z (als vector) weergeeft. We noemen dit de absolute waarde van z. Voor re¨ ele z stemt dit overeen met de daar gebruikelijke absolute waarde Er geldt |zw| = |z| · |w| en |z + w| ≤ |z| + |w|
16
Door z ∈ C (mits z 6= 0) te delen door z’n absolute waarde |z|, houden we een complex getal over met absolute waarde 1. Dit ligt dus in het complexe vlak op de cirkel om 0 met straal 1 Elk punt op die cirkel heeft co¨ ordinaten (cos α, sin α) waarbij α de hoek is die de lijn door 0 en het punt maakt ten opzichte van de positieve re¨ ele as (x-as) De hoek α heet het argument van het complexe getal z, notatie: arg(z) Er geldt z = r · (cos α + (sin α)i) waarbij r = |z| en α = arg(z)
17
De meetkundige interpretatie van C wordt toegeschreven aan de accountant/boekhouder Jean Robert Argand (1768–1826) uit Parijs. Hij schreef er in 1806 een boek over Hij voerde het begrip ‘absolute waarde’ van een complex getal in. Het complexe vlak heet ook wel het Argand diagram Eerder gaf de Noorse landmeter Caspar Wessel (1745–1818) in 1799 dezelfde meetkundige interpretatie. Maar hij schreef in het Deens
18
Pagina uit een engelse vertaling van het boek van Argand 19
Notatie: eαi := cos α + (sin α)i. Dit is het complexe getal op de eenheidscirkel, met argument gelijk aan α. Merk op: e0i = 1 + 0i = 1, en ook voor de gebruikelijke e-macht is e0 = 1. Een berekening waarbij bekende goniometrische identiteiten worden gebruikt, laat zien (cos α + (sin α)i) · (cos β + (sin β)i) = cos(α + β) + (sin(α + β))i Oftewel: eαi · eβi = eαi+βi
20
Gegeven complexe getallen z en w, schrijf r = |z| en s = |w| en α = arg(z) en β = arg(w). Dan z · w = r · eαi · s · eβi = rs · e(α+β)i.
Meetkundig is vermenigvuldigen dus: de lengtes (absolute waarden) vermenigvuldigen, en de hoeken (argumenten) optellen
21
Voor z = a + bi schrijven we ez = ea+bi := ea · ebi Voor a = 0 is dat de hiervoor gegeven ebi Voor b = 0 is dat de gewone, re¨ ele ea Er geldt ez+w = ez · ew Voor a = 0 en b = π staat er eπi = cos π + (sin π)i = −1, dus eπi + 1 = 0 Formule van Leonard Euler (1707–1783)
22
Euler voerde ez anders in: hij schreef ex = 1+x+x2/2+x3/6+x4/24+x5/120+x6/720+x7/5040+. . . (de volgende term heeft steeds als afgeleide de vorige.) Gelijkheid omdat beide kanten voor x = 0 waarde 1 geven, en ze voldoen aan y 0 = y Nu invullen x = bi: bi 2 4 6 3 5 e = 1 − b /2 + b /24 − b /720 + . . . + b − b /6 + b /120 − . . . i
Hier staat resp. de reeksontwikkeling voor cos b en voor sin b
23
Toepassing (M.C. Escher) Zie http://escherdroste.math.leidenuniv.nl/ Gegeven een figuur (tekening) in C. We spreken van een figuur met een Droste effect als er een re¨ eel getal r 6= ±1 is zodat de figuur onder vermenigvuldigen met r in zichzelf overgaat
24
Door de schaling over r bij een Droste effect te combineren met een rotatie over α, krijg je een figuur dat in zichzelf wordt overgevoerd onder vermenigvuldigen met r · eαi. Voorbeeld: Prentententoonstelling (1956), waarbij r ≈ 22, 6 en α ≈ 2, 75
25
Stelling: Elke veelterm f (z) over C van positieve graad heeft een nulpunt in C Dit heet ‘hoofdstelling van de algebra’. Argand en door Gauss
O.a.
bewezen door
Bewijsschets: zou f (z) geen nulpunt hebben, dan is 1/|f (z)| overal gedefinieerd. Deze neemt een maximum aan. Na schuiven z 7→ z + a: maximum voor z = 0. Na ook nog f (z) delen door f (0): mag aannemen f (0) = 1 Schrijf f (z) = 1 + reαiz k +hogere machten, met k > 0, r > 0. Door voor z een handig gekozen waarde · r−1/k eβi in te vullen, kan je zien dat de aanname ‘maximum in z = 0’ tot een tegenspraak leidt 26
Gehelen van Gauss: Z[i], alle m + ni met m, n ∈ Z Met z, w ∈ Z[i] zijn ook z ± w en z · w in Z[i] De enige z ∈ Z[i] waarvoor ook 1 z ∈ Z[i], zijn 1, −1, i, −i In Z[i] kan je ‘delen met rest’: zijn z, w ∈ Z[i] met w 6= 0, dan bestaan q, r ∈ Z[i] zodat z = qw + r en |r| < |w| Bewijs: schrijf z/w = a + bi en rondt a, b af naar de dichtst bijzijnde gehelen m, n. Neem q = m + ni en r = zq − qw. Dan 1 < 1, + |r|/|w| = |r/w| = |(z/w) − q| = |(a − m) + (b − n)i| ≤ 1 4 4 dus |r| < |w| 27
‘Priemen van Gauss’ zijn de m + ni ∈ Z[i] die niet verder te ontbinden zijn: m + ni 6= 1, −1, i, −i en als m + ni = z · w voor zekere z, w ∈ Z[i], dan zit ofwel z, ofwel w in {1, −1, i, −i} Uit ‘deling met rest’ volgt, dat elke z ∈ Z[i] met z 6= 0 te schrijven is als e
en z = uπ11 · . . . · πn
met n ≥ 0 en u = ±1, ±i en de πj priemen van Gauss Voorbeeld: 1 + i, 3, 2 + i, 1 + 2i, 7, 11, 2 + 3i, 3 + 2i, 1 + 4i, 4 + i zijn priemen van Gauss
28
Is z = a + bi ∈ Z[i], dan is N (z) := z · z = a2 + b2 een geheel getal ≥ 0. Er geldt N (z) = 1 alleen als z = 1, −1, i, −i en N (z) = 0 alleen voor z = 0 Ook is N (z · w) = z · w · z · w = (z · z) · (w · w) = N (z) · N (w) Hieruit volgt, dat als N (w) een priemgetal is, dan is w een priem van Gauss Elk priemgetal p van de vorm 4k + 1 is te schrijven als som van twee kwadraten: p = a2 + b2 = (a + bi)(a − bi). Hierin zijn dus a ± bi priemen van Gauss 29
Elk priemgetal p van de vorm 4k + 3 is zelf een priem van Gauss. Immers, zou p = z · w waarbij zowel z als w niet ±1, ±i zijn, dan is N (z) > 1 en N (w) > 1 en N (z)N (w) = N (p) = p2. Er volgt N (z) = N (w) = p. Dit geeft een oplossing van de vergelijking a2 + b2 = p met gehele a, b. Eentje van a, b is oneven en de andere even. Van de kwadraten a2, b2 is er daarom een deelbaar door 4, de andere is van de vorm (2` + 1)2 = 4(`2 + `) + 1. De som a2 + b2 is dus van de vorm 4k+1, tegenspraak. Dus inderdaad is zo’n p een priem van Gauss
30
Ter gelegenheid van het International Congress of Mathematicians in Amsterdam in 1954, liet de wis– en natuurkundige Balthasar van der Pol (1889–1959) door linnenfabrikant E.J.F. van Dissel & Zn (Eindhoven) theedoeken maken met priemen van Gauss erop.
31
32
Op http://www.alpertron.com.ar/GAUSSPR.HTM 33
Kees Stip (‘Trijntje Fop’): Op een bok In Siddeburen was een bok die machtsverhief en worteltrok. Die bok heeft onlangs onverschrokken de wortel uit zichzelf getrokken, waarna hij zonder ongerief zich weer in het kwadraat verhief. Maar ’t feit waardoor hij voort zal leven is, dat hij achteraf nog even de massa die hem huldigde met vijf vermenigvuldige.
34
Siddeburen, bok gemaakt door Ron van Dijk 35
