Как возвести в степень комплексное число разными способами

Лебедев Дмитрий Сергеевич

Учитель математики

Проверено учителем

Возведение комплексного числа z=a+biz equals a plus b i в степень nn (где nn — целое или рациональное число) можно выполнить тремя основными способами, в зависимости от формы записи числа и требуемой точности. 1. Алгебраическая форма (Формула бинома Ньютона) Этот метод удобен для небольших целых степеней (например, n=2n equals 2 или n=3n equals 3). Комплексное число рассматривается как двучлен, который возводится в степень по правилам алгебры с учетом того, что i2=-1i squared equals negative 1. Формула: (a+bi)n=k=0nCnkank(bi)kopen paren a plus b i close paren to the n-th power equals sum from k equals 0 to n of cap C sub n to the k-th power a raised to the n minus k power open paren b i close paren to the k-th powerПример для квадрата ( n=2n equals 2): (a+bi)2=a2+2abi+(bi)2=a2+2abib2=(a2b2)+2abiopen paren a plus b i close paren squared equals a squared plus 2 a b i plus open paren b i close paren squared equals a squared plus 2 a b i minus b squared equals open paren a squared minus b squared close paren plus 2 a b i2. Тригонометрическая форма (Формула Муавра) Это наиболее универсальный и популярный метод для возведения в высокие степени. Сначала число z=a+biz equals a plus b i переводится в тригонометрическую форму: z=r(cosφ+isinφ)z equals r open paren cosine phi plus i sine phi close paren Где:

  • r=|z|=a2+b2r equals the absolute value of z end-absolute-value equals the square root of a squared plus b squared end-root — модуль числа. φ=arg(z)phi equals arg z — аргумент числа (угол), определяемый из системы:
    cosφ=ar,sinφ=brcosine phi equals a over r end-fraction comma sine phi equals b over r end-fraction .

Формула Муавра: zn=rn(cos(nφ)+isin(nφ))z to the n-th power equals r to the n-th power open paren cosine open paren n phi close paren plus i sine open paren n phi close paren close parenПреимущество: Вместо многократного умножения скобок достаточно возвести модуль в степень nn и умножить угол на nn. 3. Показательная (экспоненциальная) форма Этот метод основан на формуле Эйлера и является самым компактным. Любое комплексное число можно представить как: z=reiφz equals r e raised to the i phi powerАлгоритм возведения в степень: zn=(reiφ)n=rneinφz to the n-th power equals open paren r e raised to the i phi power close paren to the n-th power equals r to the n-th power e raised to the i n phi powerЭтот способ практически идентичен формуле Муавра, но запись в виде экспоненты упрощает вычисления, особенно если в задаче требуется дальнейшее умножение или деление комплексных чисел. Сравнение методов

Метод Когда использоватьПлюсыМинусы
Алгебраический n=2,3n equals 2 comma 3Не нужно искать углы и модулиГромоздко при n>3n is greater than 3
Тригонометрический n4n is greater than or equal to 4 или дробное nnЛегко считать большие степениНужно вычислять arg(z)arg z
ПоказательныйТеоретические выкладкиСамая краткая записьТребует навыка работы с ee

Извлечение корня ( nn как дробь) Если степень является дробной ( 1/n1 / n), то есть требуется извлечь корень, используется расширенная формула Муавра, дающая nn различных значений: wk=rn(cosφ+2πkn+isinφ+2πkn)w sub k equals the n-th root of r end-root open paren cosine the fraction with numerator phi plus 2 pi k and denominator n end-fraction plus i sine the fraction with numerator phi plus 2 pi k and denominator n end-fraction close paren где k=0,1,2,,n1k equals 0 comma 1 comma 2 comma … comma n minus 1. Я могу разобрать конкретный пример с числами или составить таблицу значений степеней мнимой единицы ii. Что из этого будет полезнее?

Форма ответа

Ваш аватар