Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

МАТЕМАТИКА(Lek_13-24_1_ivi)

.pdf
Скачиваний:
6
Добавлен:
12.02.2016
Размер:
258.98 Кб
Скачать

22.3.Найбiльше та найменше значення функцi¨ двох змiнних

âзамкненiй областi

Щоб знайти найменше i найбiльше значення функцi¨ в замкненiй областi, потрiбно:

1)знайти критичнi точки функцi¨;

2)обчислити значення функцi¨ у критичних точках, якi потрапили в область;

3)знайти найбiльше i найменше значення на межi;

4)серед знайдених значень в 2) i 3) вибрати найменше i найбiльше.

Приклад 22.3. Знайти найбiльше i найменше значення функцi¨

z = x2 + y2 − xy + x + y

в трикутнику, обмеженому прямими

Y

x = 0, y = 0, x + y = 3.

Знайдемо критичнi точки

z

= 2x

y + 1 = 0

2x y =

1

x =

1

x

 

 

 

 

 

{ zy

= 2y − x + 1 = 0

{ x −2y = 1

 

{ y = 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

Критична точка (1; 1) потрапля¹ в область, тому

C

 

A

 

 

 

 

 

знаходимо z(1; 1) = 1.

 

 

 

 

 

- 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дослiдимо функцiю на межi:

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

AB (x = 0, y [3; 0]) : z(0; y) = y + y,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

(y2+y)= 2y+1 = 0 y = 1/2,

z(0; 1/2) = 1/4;

 

- 3

 

 

 

 

 

 

 

AC (y = 0, x [3; 0]) : z(x; 0) = x2 + x,

 

Ðèñ. 22.2

 

 

 

 

 

(x2+x)= 2x+1 = 0 x = 1/2,

z(1/2; 0) = 1/4;

BC (y = 3 − x, x [3; 0]) : z(x; 3 − x) = 3x2 + 9x + 12,

 

 

 

 

 

 

(3x2 + 9x + 12)= 6x + 9 = 0

x = 3/2,

 

z(3/2; 3/2) = 3/4.

Знайдемо значення у вершинах:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z(0; 0) = 0;

 

z(3; 0) = 6;

 

z(0; 3) = 6.

 

 

 

 

Îòæå,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

min z = z(

1,

1) =

1,

max z = z(

3; 0) = z(0;

3) = 6.

 

 

 

ABC

 

 

 

 

ABC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

67

Ëåêöiÿ 23. Комплекснi числа та дi¨ над ними

23.1. Поняття комплексного числа

Число

1 (i2 = 1)

i =

назива¹ться уявною одиницею. Вираз вигляду

x + iy (x, y R),

назива¹ться комплексним числом (алгебра¨чною формою запису комплексного числа). Множина всiх комплексних чисел познача¹ться C.

Якщо комплексне число z = x + iy, то дiйснi числа x òà y називаються вiдповiдно дiйсною òà уявною частинами комплексного числа z i позначаються

x = Rez, y = Imz.

Будь-яке дiйсне число можна розглядати як комплексне число, у якого уявна частина дорiвню¹ нулю

x = x + i 0.

Таким чином, множина дiйсних чисел R ¹ пiдмножиною множини комплексних чисел C.

Два комплексних числа, у яких дiйснi частини однаковi, а уявнi вiдрiзняються тiльки знаком, називаются комплексно спряженими

z = x + iy z¯ = x − iy.

Очевидно, що z¯ = z.

Два комплексних числа називаются рiвними, якщо вiдповiдно рiвнi ¨х дiйснi та уявнi частини.

Зауваження 23.1. Для комплексних чисел не iснують поняття бiльше , менше .

23.2. Дi¨ над комплексними числами

Операцi¨ додавання, вiднiмання, множення, дiлення i пiднесення до натурального степеня здiйснюються за правилами дiй над многочленами з врахуванням що i2 = 1.

Тобто, якщо z1 = x1 + iy1, z2 = x2 + iy2, òî

z1 + z2 = (x1 + x2) + i (y1 + y2) ; z1 − z2 = (x1 − x2) + i (y1 − y2) .

z1 · z2 = (x1 + iy1)(x2 + iy2) = x1x2 + ix1y2 + ix2y1 − y1y2 = (x1x2 − y1y2) + i (x1y2 + x2y1) .

Слiд враховувати, що

i2 = 1, i3 = i2 · i = −i, i4 = i3 · i = −i2 = 1, . . . , i4k = 1, i4k+1 = i, i4k+2 = 1, i4k+3 = −i .

При пiднесеннi комплексного числа до натурального степеня можна застосовувати вiдомi з елементарно¨ математики формули скороченого множення.

Сума i добуток двох комплексно спряжених чисел ¹ дiйсним числом. Справдi

z + z¯ = x + iy + x − iy = 2x,

z · z¯ = (x + iy)(x − iy) = x2 − i2y2 = x2 + y2.

68

Дiйсну i уявну частини комплексного числа можна виразити через саме число та йому

спряжене

y = z 2i z¯.

x = z +2 z¯,

Щоб подiлити комплекснi числа одне на iнше, потрiбно чисельник i знаменник домножити на спряжене до знаменника, а саме

x1 + iy1

=

(x1 + iy1)(x2 − iy2)

=

x1x2 + y1y2

+ i

x2y1 − x1y2

.

 

(x2 + iy2)(x2 − iy2)

x22 + y22

 

x2 + iy2

 

 

 

x22 + y22

Приклад 23.1. Виконати дi¨ над комплексними числами

3 (2 3i) (2 − i) (3 − i)3 + 5 · 43 + 45ii.

 

3(2 3i)(2 i)

(3 i)3+5

4 5i

= 3 4

 

 

2i

 

6i + 3i2

)

27+27i 9i2

+i3

+5

 

(4 5i) (3 4i)

=

 

 

 

 

 

− −

·

3 + 4i

 

(

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

·

(3 + 4i) (3 4i)

 

 

= 3(4

8i

3)

27+27i+9

i+5

12 16i − 15i + 20i

 

= 3(1

8i)

18+26i+5

12 16i − 15i − 20

=

 

 

 

 

 

− ·

 

9

16i2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

·

 

 

9 + 16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8 31i

 

 

 

 

 

8 31i

 

 

 

83 21i

 

 

 

 

 

83

 

21

 

 

 

 

 

= 3

24i

18 + 26i +

 

=

15 + 2i +

 

=

 

 

=

 

 

 

i.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

5 5

 

 

23.3. Модуль i аргумент комплексного числа

Мiж множиною точок площини Oxy i множиною комплексних чисел C можна встановити вза¹мно однозначну вiдповiднiсть: кожному комплексному числу z = x + iy вiдповiда¹ ¹дина точка M (x ; y) i навпаки (рис. 23.1). Дiйснi числа зображаються точками осi абсцис Ox, òîìó âiñü Ox назива¹ться дiйсною вiссю, à âiñü Oy назива¹ться уявною вiссю. Числу z = 0 вiдповiда¹ початок координат O (0 ; 0).

 

 

 

 

Величину

 

 

 

z

 

 

z

 

 

 

 

називають модулем

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

|z| = x2 + y2

 

(23.1)

 

 

 

 

 

комплексного числа

. Очевидно, що

| |

 

y

M(x;y)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дорiвню¹ вiдстанi вiд точки M (x ; y) до початку координат.

 

 

 

 

 

Кут нахилу вектора

−−→

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OM äî îñi Ox назива¹ться àðãó-

 

 

φ

 

ментом комплексного числа z i познача¹ться Arg z. Âií âè-

 

 

X

знача¹ться з точнiстю до сталого доданку вигляду

2πk , k =

 

 

 

!

x

 

0, ±1, ±2, ... (довiльного числа повних обертiв).

 

 

 

 

 

Ðèñ. 23.1

 

 

 

 

 

 

 

Значення аргумента, що належить промiжку (−π; π], íà-

çèâà¹òüñÿ головним значенням аргументу i познача¹ться arg z. Тобто Arg z = arg z + 2πk , k = 0, ±1, ±2, ...

Головне значення аргументу визнача¹ться за формулою:

 

 

arctg (y/x) ,

x > 0;

 

arg z =

arctg (y/x) + π,

x < 0, y ≥ 0;

(23.2)

arctg (y/x)

π,

x < 0, y < 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π/2 , x = 0; y > 0;

 

 

 

−π/2 , x = 0, y < 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Зауваження 23.2. Для числа z = 0 модуль дорiвню¹ нулю, а аргумент не визначений.

69

23.4. Тригонометрична i показникова форми комплексного числа.

Нехай r = |z|, φ = arg z. З рисунка 23.1 видно, що

{

x = r cos φ

 

y = r sin φ,

(23.3)

тому комплексне число можна подати у виглядi

 

z = r(cos φ + i sin φ).

(23.4)

Такий запис назива¹ться тригонометричною формою

комплексного числа.

Якщо скористатись формулою Ейлера

 

e= cos φ + i sin φ,

(23.5)

то комплексне число можна ще подати у виглядi

 

z = re,

(23.6)

тобто в показниковiй формi.

Зауваження 23.3. З основно¨ формули Ейлера виплива¹, що

cos φ =

e+ e−iφ

,

sin φ =

e− e−iφ

.

(23.7)

 

 

2

 

 

2i

 

Приклад 23.2. Подати у показниковiй та тригонометричнiй формах наступнi комплекснi числа, що заданi в алгебра¨чнiй формi:

z1 = 3 + i; z2 = 2 2i; z3 = 2i; z4 = 2; z5 = 2 − i.

Скористаэмось формулами (??) òà (??). Òîäi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

z1 = 2e5πi/6 = 2

 

cos

5π

+ i sin

5π

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2 = 22e−πi/4 = 2

 

 

6

6

 

4 ))

;

 

 

 

 

 

(cos(4 ) + i sin(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

πi/2

 

 

 

 

 

π

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(cos

 

 

 

 

 

 

 

);

 

 

 

 

 

 

 

z3 = 2e

 

 

= 2

 

 

 

 

+ i sin

 

 

 

 

 

 

 

πi

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

z4 = 2e

 

= 2 (cos π + i sin π) ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(cos(arctg

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

− π)).

z5 = 5ei(arctg 1/2−π) = 5

 

− π) + i sin(arctg

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

70

Ëåêöiÿ 24. Формула Муавра. Розклад многочленiв на множники 24.1. Формула Муавра

Нехай комплекснi числа заданi у тригонометричнiй формi, тодi

z1 · z2 = r1 (cos φ1 + i sin φ1) · r2 (cos φ2 + i sin φ2) =

=r1r2 (cos φ1 cos φ2 + i cos φ1 sin φ2 + i sin φ1 cos φ2 sin φ1 sin φ2) =

=r1r2 (cos(φ1 + φ2) + i sin(φ1 + φ2) .

Отже, при множеннi комплексних чисел ¨х модулi перемножуються, а аргументи додаються. Дана властивiсть може випливати i з властивостей показникiв, зокрема

z1 · z2 = r1 e1 · r2 e2 = r1r2 ei(φ1+φ2).

Для частки аналогiчно ма¹мо

z1

=

r1 e1

=

r1

ei(φ1φ2).

z2

2

r2

 

r2 e

 

 

Тобто, при дiленнi комплексних чисел ¨х модулi дiляться, а аргументи вiднiмаються. Натуральним степенем комплексного числа z назива¹ться комплексне число zn, îòðè-

мане множенням числа z самого на себе n раз. Iз правила множення комплексних чисел в тригонометричнiй формi виплива¹ перша формула Муавра:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zn = rn (cos + i sin ) .

 

 

 

 

 

 

(24.1)

 

Приклад 24.1. Пiднести до степеня:

 

 

 

 

40.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Îñêiëüêè

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 − i = 2 (cos (−π/6) + i sin (−π/6)) ,

 

 

 

то за першою формулою Муавра

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

− i)40

= 240 (cos (20π/3) + i sin (20π/3)) = 240 (cos (2π/3) − i sin (2π/3)) =

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 240

(1/2 + i ·

 

/2) = 239 + i · 239

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

3

 

 

 

 

Коренем n-ãî порядку з комплексного числа z назива¹ться таке комплексне число,

n-й степiнь якого дорiвню¹ z.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Якщо комплексне число z âiäìiííå âiä íóëÿ, òî êîðiíü n-го степеня ма¹ рiвно n ðiçíèõ

значень, що визначаються за другою формулою Муавра:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ + 2πk

 

 

 

φ + 2πk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ωk = r (cos

 

 

 

 

 

 

+ i sin

 

 

 

 

),

 

(24.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

n

 

äå

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

арифметичне значення кореня з додатного числа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, à

 

 

 

 

k = 0, n − 1

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На комплекснiй площинi всi коренi n-го степеня зображуються вершинами правиль-

íîãî n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-кутника, вписаного в коло з центром у початку координат i радiусом

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r.

 

Приклад 24.2. Знайти всi значення кореня: а)

 

; á) 3

 

.

 

 

 

 

9i

i − 1

 

 

 

 

à) Îñêiëüêè | − 9i| = 9, à arg(9i) = π/2, то для знаходження коренiв ма¹мо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

+ 2πk

 

 

 

 

 

 

π/2 + 2πk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ωk =9

(cos

 

/2

+ i sin

 

 

 

 

) = 3 (cos (−π/4 + πk) + i sin (−π/4 + πk)) ,

 

 

2

 

2

 

 

 

71

äå k = 0, 1. Òîìó

 

 

 

 

 

 

ω0 = 3 (cos (−π/4) + i sin (−π/4)) = 3

 

 

/2 − i · 3

 

 

/2;

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

ω1 = 3 (cos (3π/4) + i sin (3π/4)) = 3

 

/2 + i · 3

 

/2.

 

 

 

 

 

 

2

2

 

á) Îñêiëüêè

 

 

 

, à arg

 

, то для знаходження коренiв ма¹мо

 

6 2 (cos 3

 

|i − 1| = 2

 

 

 

(i − 1) = 3π/4

ωk =

/4

3

+ i sin

3

) = 6 2 (cos (π/4 + 2πk/3) + i sin (π/4 + 2πk/3)) ,

 

 

 

 

π

 

 

+ 2πk

 

 

 

 

 

3π/4 + 2πk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

äå k = 0, 1, 2. Òîìó

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω0 =

2 (cos (π/4) + i sin (π/4)) = 3

 

(1 + i) ;

 

 

 

 

 

 

 

2

ω1 = 6 2 (cos (11π/12) + i sin (11π/12)) ;

ω2 = 6 2 (cos (19π/12) + i sin (19π/12)) .

24.2. Розклад ногочленiв на множники

Функцiя комплексно¨ змiнно¨ вигляду

Pn(z) = anzn + an−1zn−1 + ... + a1z + a0,

äå a0, a1, . . . , an ñòàëi (an ≠ 0), назива¹ться многочленом n-го порядку.

Теорема 24.1 (теорема Безу). При дiленнi многочлена Pn(z) на рiзницю z−a остача вiд дiлення дорiвню¹ Pn(a).

Доведення. Pn(z) = Qn−1(z) · (z − a) + R. Нехай z → a, òîäi Pn(a) = R.

Íàñëiäîê 24.1. ßêùî a корiнь многочлена Pn(z), то цей многочлен Pn(z) дiлиться без остачi на рiзницю z − a, тобто розклада¹ться на множники

Pn(z) = Qn−1(z) · (z − a),

де частка Qn−1(z) многочлен на одиницю меншого степеня.

Теорема 24.2. (основна теорема алгебри). Будь-який многочлен Pn(z) ненульового степеня n ≥ 1 ма¹ хоча б один корiнь (дiйсний чи комплексний).

Наслiдок 24.2. Будь-який многочлен Pn(z) ненульового степеня n ≥ 1 ì๠ðiâíî n коренiв, серед яких можуть бути однаковi.

Наслiдок 24.3. Якщо комплексне число z ¹ коренем многочлена, у якого всi коефiцi¹нти дiйснi числа, то z¯ ¹ також коренем цього многочленна.

Наслiдок24.4. Будь-який многочлен Pn(z) ненульового степеня n ≥ 1 розклада¹ться на множники у виглядi

Pn(z) = an(z − z1)k1 (z − z2)k2 ... (z − zm)km,

äå an старший коефiцi¹нт; z1, z2, ..., zm рiзнi (дiйснi чи комплекснi) коренi; k1, k2, ..., km вiдповiднi кратностi цих коренiв, причому k1 + k2 + ... + km = n.

Приклад 24.3. Розкласти на множники z4 16.

72

Оскiльки, коренями многочлена ¹ всi коренi четвертого порядку з 16, à öå ±2 i ±2i,

òî

z4 16 = (z − 2)(z + 2)(z − 2i)(z + 2i).

Коренi квадратного рiвняння

az2 + bz + c = 0 (a ≠ 0)

з комплексними коефiцi¹нтами знаходяться за тими ж формулами, що й у випадку дiйсних

коефiцi¹нтiв, тобто

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

1,2

=

−b ± D

,

D = b2

4ac,

2a

 

 

 

 

 

äå D одне зi значень квадратного кореня з дискримiнанта D.

На множинi комплексних чисел для коренiв квадратного рiвняння залиша¹ться справедливою теорема Вi¹та:

z1 + z2 =

b

 

z1 · z2 =

c

 

,

 

.

a

a

Приклад 24.4. Розкласти на множники z4 + 5z2 36.Знайдемо коренi рiвняння

z4 + 5z2 36 = 0.

Для цього зробимо замiну z2 = w. Òîäi

w2 + 5w − 36 = 0

i w1,2 = 4; 9. Отже, коренями многочлена ¹: z1,2 = ±2, z3,4 = ±3i. Таким чином

z4 + 5z2 36 = (z − 2)(z + 2)(z − 3i)(z + 3i).

73