+ x + = +
+ х — = — х + = -
— x — = +
Возьмем в качестве примеров некоторые числа:
5 х 2 = 10;
— 5 x 2 = -10;
— 5 x -5 = 25.
Таким образом, квадрат числа, результат умножения на себя, никогда не может дать отрицательное число. Если исходное число положительное, то «плюс на плюс» даст положительный результат, а если исходное число отрицательное, то «минус на минус» также даст положительный результат. Именно поэтому в принципе невозможно извлечь квадратный корень из отрицательного числа. Например, √-4 не может равняться 2, так как 2 х 2 = 4, и не может равняться —2, так как -2 x -2 = 4.
Таким образом, мы можем утверждать, что √1 = 1, но √—1 не существует. Этот корень не существует как действительное число, но ничто не мешает нам определить его как «мнимое» число, которое мы будем обозначать буквой i:
√-1 = i
Давайте посмотрим, что происходит с числом i при возведении его в различные степени:
√-1 = i
i2 = (√-1)2 = -1
i3 = i2 х i = -1 х i = — i;
i4 = i3 x i = —i x i = i2 = — (-1) = 1.
Продолжая таким образом, получим:
i5 = i;
i6 = -1;
i7 = — i;
i8 = 1
…
Необходимость найти значение квадратного корня из отрицательного числа возникает тогда, когда мы решаем определенные квадратные уравнения. Известно, что уравнения вида ах2 + Ьх + с = 0 имеют два решения, выражаемые формулой:
Но эта формула не работает, когда число под корнем отрицательное.
В трактате Джироламо Кардано Ars magna («Великое искусство»), опубликованном в 1545 г., была сформулирована следующая задача: «Разделить 10 на две части, произведение которых равно 40». Если мы обозначим эти две части буквами х и у, мы можем записать:
х + у = 10;
x · у = 40.
Выражая у = 10 — х и подставляя во второе уравнение, получаем: х(10 — х) = 10x — х2 = 40. Перенося все в правую часть, мы получим квадратное уравнение х2 — 10x + 40 = 0, решения которого находятся по формуле:
Кардано рассмотрел два числа, являющиеся решениями уравнения:
5 + √-15 и 5 — √-15.
Сознавая, что они являются сложными (комплексными) числами, он проверил, что их сумма равна 10, а их произведение равно 40, и, таким образом, несмотря на «сопротивление ума», они являются решениями данной задачи.
Эти «сложные» корни уравнений часто появлялись при решении многих задач. (Корнями уравнения называются его возможные решения.) Они существовали и смущали математиков, которые не могли принять их в качестве чисел. Декарт сказал о них: «Как истинные, так и ложные корни не всегда бывают действительными, оказываясь иногда лишь мнимыми», тем самым определив один из терминов, который используется до сих пор для обозначения таких корней: «мнимые».
Мнимое число, например √-4, также может быть записано в виде √4∙√-1 = 2∙√-1, так как мы обозначили буквой i квадратный корень из —1, мы можем это записать как √-4 = 2i.
Таким образом, любое комплексное число можно записать в виде а + bi называемом алгебраической формой комплексного числа, в которой число а называется действительной частью, а число bi — мнимой. Например, число 2 + √—9 может быть записано как 2 + 3i, где 2 — действительная часть, a 3i — мнимая. Если комплексное число не имеет вещественной части, например, 2i, то оно называется чисто мнимым числом.
Складывать и вычитать комплексные числа очень просто. Суммой двух комплексных чисел называется другое комплексное число, действительная часть которого равна сумме действительных частей слагаемых, а мнимая часть — сумме мнимых частей. Например:
(3 + 2i) + (8 — 3i) = (3 + 8) + (2–3)i = 11 — i.
Вычитание выполняется аналогично. При умножении одно число помещается под другим, и выполняется умножение, как будто части комплексных чисел являются цифрами обычных двузначных чисел.
В смысле алгебраических операций комплексными числами можно манипулировать свободно, но как их представить наглядно? Например, действительные числа можно расположить на прямой линии, с точкой ноль посередине, и тогда положительные числа будут соответствовать точкам справа, а отрицательные — точкам слева. Но комплексные числа содержат две части, что так или иначе подразумевает дополнительное измерение в геометрическом пространстве.