Números complejos: Definición (1ºBach)

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==La unidad imaginaria== ==La unidad imaginaria==
 +Ya vimos como el conjunto de los [[Números reales (1ºBach)|números reales]] surge a partir de la necesidad de ampliar los conjuntos numéricos, partiendo de los [[Números naturales|números naturales]], y pasando por los [[Números enteros|números enteros]] y los [[Números racionales|números racionales]].
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|titulo1= Breve resumen de la historia de tu relación con los números |titulo1= Breve resumen de la historia de tu relación con los números
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{{Tabla75|celda2=<center>[[Imagen:Eukler1.jpg|thumb|Fig. 2: El nombre de ''i'' le fue dado por Euler en 1777, por imaginario, y llamó imaginarios a todos los números en cuya expresión aparecía la ''i''.]]</center> {{Tabla75|celda2=<center>[[Imagen:Eukler1.jpg|thumb|Fig. 2: El nombre de ''i'' le fue dado por Euler en 1777, por imaginario, y llamó imaginarios a todos los números en cuya expresión aparecía la ''i''.]]</center>
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Hay ecuaciones como Hay ecuaciones como
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:*<math>b\,</math> se llama '''parte imaginaria''' o '''componente imaginaria''' y se denota <math>Im(z)=b\,</math>.. :*<math>b\,</math> se llama '''parte imaginaria''' o '''componente imaginaria''' y se denota <math>Im(z)=b\,</math>..
-*Si <math>b=0\,</math>, lo que tenemos es un número real, por tanto <math>\mathbb{R} \sub \mathbb{C}</math>.+*Si <math>b=0\,</math>, lo que tenemos es un '''número real''', por tanto <math>\mathbb{R} \sub \mathbb{C}</math>.
*Si <math>b \ne 0\,</math>, lo que tenemos no es un número real, se llama '''número imaginario'''. *Si <math>b \ne 0\,</math>, lo que tenemos no es un número real, se llama '''número imaginario'''.
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 +{{Nota|titulo=Observación:|texto= Muchos autores llaman números "imaginarios" a los que solo tienen parte imaginaria, es decir, a los que aquí hemos llamado "imaginarios puros". Es una simple cuestión de nomenclatura, sin más importancia.}}
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===Igualdad de números complejos=== ===Igualdad de números complejos===
{{Caja_Amarilla|texto=Dos números complejos en forma binómica decimos que son '''iguales''' si tienen iguales sus partes reales y sus partes imaginarias. {{Caja_Amarilla|texto=Dos números complejos en forma binómica decimos que son '''iguales''' si tienen iguales sus partes reales y sus partes imaginarias.
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*Conjugado y opuesto de un complejo. *Conjugado y opuesto de un complejo.
*Igualdad de números complejos. *Igualdad de números complejos.
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{{Tabla75|celda2=[[Imagen:complejo.jpg|140px|thumb|Fig. 3: Representación de complejos en forma binómica.]]{{p}} {{Tabla75|celda2=[[Imagen:complejo.jpg|140px|thumb|Fig. 3: Representación de complejos en forma binómica.]]{{p}}
[[Imagen:sello_gauss.jpg|140px|thumb|Fig. 4: Sello alemán con el sistema de representación de Gauss]] [[Imagen:sello_gauss.jpg|140px|thumb|Fig. 4: Sello alemán con el sistema de representación de Gauss]]
-|celda1=Para representar los números reales utilizabamos una recta, la recta real. +|celda1=Si para representar los números reales utilizabamos una recta, la recta real, para representar los números complejos vamos a utilizar un plano, el '''plano complejo'''.
-Para representar los números complejos vamos a utilizar un plano, el '''plano complejo'''. +
- +
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{{Caja_Amarilla|texto=Un número complejo en forma binómica <math>a+bi\,</math> queda determinado por un par de números reales: su parte real, <math>a\,</math> y su parte imaginaria, <math>b\,</math>. {{Caja_Amarilla|texto=Un número complejo en forma binómica <math>a+bi\,</math> queda determinado por un par de números reales: su parte real, <math>a\,</math> y su parte imaginaria, <math>b\,</math>.
*El par <math>(a,b)\,</math> representa las coordenadas de un punto del plano. Lo llamaremos el '''afijo''' del número complejo <math>a+bi\,</math>. *El par <math>(a,b)\,</math> representa las coordenadas de un punto del plano. Lo llamaremos el '''afijo''' del número complejo <math>a+bi\,</math>.
- 
-*También podemos representar al número complejo mediante un vector de origen <math>(0,0)\,</math> y extremo <math>(a,b)\,</math>. Al módulo de dicho vector lo llamaremos '''módulo''' del número complejo, y lo notaremos <math>|z|\;</math>. Por el teorema de Pitágoras, <math>|z|=\sqrt{a^2+b^2}</math>. 
*Llamaremos '''plano complejo''' a la conjunto de todos los puntos (a,b) que hemos descrito. *Llamaremos '''plano complejo''' a la conjunto de todos los puntos (a,b) que hemos descrito.
*Al eje X, lo llamaremos '''eje real''', y al eje Y, '''eje imaginario'''. *Al eje X, lo llamaremos '''eje real''', y al eje Y, '''eje imaginario'''.
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 +Al módulo de dicho vector lo llamaremos '''módulo''' del número complejo, y lo notaremos <math>|z|\;</math>.
 +Por el teorema de Pitágoras:
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 +<center><math>|z|=\sqrt{a^2+b^2}</math></center>
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*Los números complejos situados en el eje real son '''números reales'''. *Los números complejos situados en el eje real son '''números reales'''.
*Los números complejos situados en el eje imaginario son números '''imaginarios puros'''. *Los números complejos situados en el eje imaginario son números '''imaginarios puros'''.
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-*El eje de abcisas lo llamamos "eje real": es la visualización del conjunto de los números reales. 
-*El eje de ordenadas los llamamos "eje imaginario": es la viasualización del conjunto de los números imaginarios puros. 
-*El número complejo "a+b.i" corresponde al punto que tiene abcisa "a" y ordenada "b". De tal punto se dice "afijo" del complejo "a+b.i". 
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Línea 342: Línea 382:
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 +*El eje de abcisas lo llamamos "eje real": es la visualización del conjunto de los números reales.
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 +*El número complejo "a+b.i" corresponde al punto que tiene abcisa "a" y ordenada "b". De tal punto se dice "afijo" del complejo "a+b.i".
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- 
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- 
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-{{p}} 
-En esta escena puedes ver <math>i^n\,</math>, y su representación gráfica.  
- 
-Cambia el valor de n en la parte inferior para ver las sucesivas potencias de <math>i\,</math>. 
- 
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===Familias de complejos en forma binómica=== ===Familias de complejos en forma binómica===
Línea 391: Línea 475:
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Línea 403: Línea 487:
:'''c)''' <math>y=x\;</math>, cuya representación gráfica es la bisectriz del primer y tercer cuadrantes. :'''c)''' <math>y=x\;</math>, cuya representación gráfica es la bisectriz del primer y tercer cuadrantes.
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-:'''e)''' <math> y \le 2</math> , cuya representación gráfica es un semiplano de extremo la recta y=2.+:'''e)''' <math> y \le 2</math> , cuya representación gráfica es un semiplano de extremo la recta y=2, incluyendo la recta.
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Línea 413: Línea 497:
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|titulo1=Ejercicio 1 |titulo1=Ejercicio 1

Revisión actual

Tabla de contenidos

(Pág. 148)

Breve historia de los números complejos

Los números que hoy llamamos “complejos” fueron durante muchos años motivo de polémicas y controversias entre la comunidad científica. Poco a poco, por la creciente evidencia de su utilidad, acabaron por ser aceptados, aunque no fueron bien comprendidos hasta épocas recientes. Nada hay de extraño en ello si pensamos que los números negativos no fueron plenamente aceptados hasta finales del siglo XVII.

Los números complejos hacen sus primeras tímidas apariciones en los trabajos de Cardano (1501–1576) y Bombelli (1526–1572) relacionados con el cálculo de ecuaciones de tercer grado. Fue Descartes (1596–1650) quien afirmó que “ciertas ecuaciones algebraicas sólo tienen solución en nuestra imaginación” y acuñó el calificativo imaginarias para referirse a ellas. Leibniz decía de los números imaginarios que eran "una especie de anfibios entre el ser y la nada".

Desde el siglo XVI hasta finales del siglo XVIII los números complejos o imaginarios son usados con recelo, con desconfianza. Con frecuencia, cuando la solución de un problema resulta ser un número complejo esto se interpreta como que el problema no tiene solución. Las razones de todo esto son claras. Así como los números reales responden al problema cotidiano de la medida de magnitudes, no ocurre nada similar con los números complejos. Mientras los matemáticos necesitaron interpretar en términos físicos sus objetos de estudio, no se avanzó mucho en la comprensión de los números complejos.

El éxito de Euler y Gauss al trabajar con números complejos se debió a que ellos no se preocuparon de la naturaleza de los mismos; no se preguntaron ¿qué es un número complejo?, sino que se dijeron ¿para qué sirven?, ¿qué puede hacerse con ellos? Es Gauss quien definitivamente concede a los números complejos un lugar privilegiado dentro de las matemáticas al probar en 1799 el conocido como Teorema Fundamental del álgebra que afirma que toda ecuación polinómica de grado n con coeficientes complejos tiene, si cada raíz se cuenta tantas veces como su orden, n raíces que también son números complejos.

El término, hoy usado de “números complejos” se debe a Gauss, quien también hizo popular la letra “i” que Euler había usado esporádicamente.

Fig. 1: René Descartes
Aumentar
Fig. 1: René Descartes

La unidad imaginaria

Ya vimos como el conjunto de los números reales surge a partir de la necesidad de ampliar los conjuntos numéricos, partiendo de los números naturales, y pasando por los números enteros y los números racionales.

No obstante, el conjunto de los números reales también se nos queda chico.

Hay ecuaciones como

x^2 +9 = 0 \,

que no tienen solución en el conjunto de los números reales

x^2 +9 = 0 \rightarrow x^2=-9 \rightarrow x=\pm \sqrt{-9}     (no existe en \mathbb{R})

Vamos a definir un nuevo conjunto que amplie al conjunto de los números reales y en el cual estas ecuaciones si tengan solución. Ese conjunto va a ser el conjunto de los números complejos. Para ello habrá que a empezar dando sentido a las raíces de números negativos.

Se denomina unidad imaginaria a \sqrt{-1}. Se designa por la letra i\,.

i=\sqrt{-1}

Con esta definición, la ecuación anterior ahora si tiene solución "imaginaria":

x^2 +9 = 0\;


x=\pm \sqrt{-9} \,=\, \pm 3 \, \sqrt{-1} \,=\, \pm \, 3i
Fig. 2: El nombre de i le fue dado por Euler en 1777, por imaginario, y llamó imaginarios a todos los números en cuya expresión aparecía la i.
Aumentar
Fig. 2: El nombre de i le fue dado por Euler en 1777, por imaginario, y llamó imaginarios a todos los números en cuya expresión aparecía la i.

Potencias de la unidad imaginaria

ejercicio

Potencias de i


  • i^0=1\,
  • i^1=i\,
  • i^2=(\sqrt{-1} \, )^2=-1
  • i^3=i \cdot i^2=-i
  • i^4=i^2 \cdot i^2= (-1) \cdot (-1)=1

A partir de i^4\, se repiten cíclicamente los valores.

El conjunto de los números complejos

Definimos el conjunto de los números complejos de la siguiente manera:

\mathbb{C}=\big\{ a+bi \, / \, a, \, b \in \mathbb{R} \big\}

    

\mbox{Complejos} ~(\mathbb{C})     \begin{cases}          \mbox{Reales} ~ (\mathbb{R})         \begin{cases}             \mbox{Racionales}~ (\mathbb{Q})                 \begin{cases}                      \mbox{Enteros}~(\mathbb{Z})                     \begin{cases}                          \mbox{Naturales}~(\mathbb{N})\\                                    \mbox{Enteros negativos} \\                                    \mbox {Cero}                                    \end{cases}\\                                \mbox{Fraccionarios}                 \end{cases}\\                        \mbox{Irracionales}         \end{cases}\\           \mbox{Imaginarios}     \end{cases}

Forma binómica de un número complejo

  • La expresión a+bi\, se denomina forma binómica de un número complejo.
  • Si escribimos z=a+bi\,, entonces:
  • a\, se le llama parte real o componente real y se denota Re(z)=a\,.
  • b\, se llama parte imaginaria o componente imaginaria y se denota Im(z)=b\,..
  • Si b=0\,, lo que tenemos es un número real, por tanto \mathbb{R} \sub \mathbb{C}.
  • Si b \ne 0\,, lo que tenemos no es un número real, se llama número imaginario.
  • Si a=0\, y b \ne 0\,, se le llama número imaginario puro.



Igualdad de números complejos

Dos números complejos en forma binómica decimos que son iguales si tienen iguales sus partes reales y sus partes imaginarias.

\forall z, w \in \mathbb{C}, \ z=w \iff Re(z)=Re(w) ~\wedge~ Im(z)=Im(w)

Opuesto y conjugado de un complejo

  • Se define el opuesto de un complejo z=a+bi\, como el número complejo -z=-a-bi\,.
  • Se define el conjugado de un complejo z=a+bi\, como el número complejo \bar z =a-bi\,.

ejercicio

Proposición


Cualquier ecuación de segundo grado con coeficientes reales que no tenga solución real tiene dos soluciones imaginarias que son números complejos conjugados.

(Pág. 149)

Representación gráfica de los complejos en forma binómica

Si para representar los números reales utilizabamos una recta, la recta real, para representar los números complejos vamos a utilizar un plano, el plano complejo.

Un número complejo en forma binómica a+bi\, queda determinado por un par de números reales: su parte real, a\, y su parte imaginaria, b\,.

  • El par (a,b)\, representa las coordenadas de un punto del plano. Lo llamaremos el afijo del número complejo a+bi\,.
  • Llamaremos plano complejo a la conjunto de todos los puntos (a,b) que hemos descrito.
  • Al eje X, lo llamaremos eje real, y al eje Y, eje imaginario.



ejercicio

Propiedades


  • Los números complejos situados en el eje real son números reales.
  • Los números complejos situados en el eje imaginario son números imaginarios puros.

Esta forma de representar los números complejos se la debemos a Gauss, matematico del siglo XIX. No obstante, en el siglo XVIII, el matemático danés Caspar Wessel había tenido la misma idea y la plasmó en sus tesis doctoral, aunque pasó absolutamente inadvertida. En 1806 Argand interpreta los números complejos como vectores en el plano.

ejercicio

Propiedades


  • Un número complejo y su conjugado tienen representaciones simétricas respecto del eje real (eje X)
  • Un número complejo y su opuesto tienen representaciones simétricas respecto del origen de coordenadas O.

Fig. 3: Representación de complejos en forma binómica.
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Fig. 3: Representación de complejos en forma binómica.

Fig. 4: Sello alemán con el sistema de representación de Gauss
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Fig. 4: Sello alemán con el sistema de representación de Gauss

Familias de complejos en forma binómica

ejercicio

Ejemplos: Familias de complejos en forma binómica


Averigua qué conjunto de puntos del plano complejo verifican las siguientes condiciones:

a) Im(z)=-2\;
b) Re(z)=2\;
c) Re(z)=Im(z)\;
d) -1<Re(z)\le 3\;
e) Im(z)\le 2\;

Ejercicios propuestos

ejercicio

Ejercicios propuestos: Definición de número complejo


(Pág. 148-149)

3; 4; 5a,d,h,i; 6

1; 2; 5b,c,e,f,g

(Pág. 158)

1a,b; 2a,b,c

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