师:同学们好,今天我们继续学习复数代数形式的四则运算。首先复习一下复数加法与减法的运算法则。已知两个复数(Z_1 = a + bi),(Z_2 = c + di),加法法则为(Z_1 + Z_2 = (a + c) + (b + d)i),减法法则为(Z_1 - Z_2 = (a - c) + (b - d)i)。由此可知,两个复数相加减,就是实部与实部、虚部与虚部分别相加减。
除了加减运算,类比实数,对于复数我们同样可以引入乘除运算。那么复数乘除运算的规则是怎样的呢?我们先来看复数的乘法法则。规定假设(Z_1 = a + bi),(Z_2 = c + di)是任意两个复数,那么它们的积(Z_1×Z_2 = (a + bi)×(c + di) = ac + bci + adi + bdi2)。然后把实部和虚部分别合并,就得到((ac - bd) + (ad + bc)i)。
同学们思考一下,能描述乘法的运算法则吗?事实上,两个复数相乘类似于两个多项式相乘,只要在所得结果中把(i2)换成(-1),并且把实部和虚部分别合并即可。显然,两个复数的积也是一个确定的复数。
下面请同学们思考,复数的乘法是否满足交换律、结合律,是否满足乘法对加法的分配律?我们来探究一下。假设复数(Z_1 = a + bi),复数(Z_2 = c + di),根据复数乘法法则,(Z_1×Z_2 = (ac - bd) + (ad + bc)i)。同理,(Z_2×Z_1)化简后,实部同样是(ac - bd),虚部也是(ad + bc)。所以(Z_1×Z_2 = Z_2×Z_1),这说明复数的乘法满足交换律。
同理可证,复数的乘法也满足结合律,同样满足乘法对加法的分配律。由此可得,对任意复数(Z_1)、(Z_2)、(Z_3),满足乘法交换律,即(Z_1×Z_2 = Z_2×Z_1);满足乘法结合律,即((Z_1×Z_2)×Z_3 = Z_1×(Z_2×Z_3));也满足乘法对加法的分配律,即(Z_1×(Z_2 + Z_3) = Z_1×Z_2 + Z_1×Z_3)。
下面请同学们根据乘法法则和运算律来解决例一:计算复数((1 - 2i)×(3 + 4i)×(-2 + i))。
根据复数乘法法则,先计算前两个复数相乘:
[
\begin{align*}
&(1 - 2i)×(3 + 4i)\
=&3 + 4i - 6i - 8i2\
=&3 - 2i - 8×(-1)\
=&11 - 2i
\end{align*}
]
再乘以第三个复数(-2 + i):
[
\begin{align*}
&(11 - 2i)×(-2 + i)\
=& -22 + 11i + 4i - 2i2\
=& -22 + 15i - 2×(-1)\
=& -20 + 15i
\end{align*}
]
接着看例二:计算第一小问((3 + 4i)×(3 - 4i)),第二小问((1 + i)2)。
同样根据复数乘法法则,第一小问:
[
\begin{align*}
&(3 + 4i)×(3 - 4i)\
=&9 - 12i + 12i - 16i2\
=&9 - 16×(-1)\
=&25
\end{align*}
]
第二小问:
[
\begin{align*}
&(1 + i)2\
=&(1 + i)×(1 + i)\
=&1 + 2i + i2\
=&1 + 2i - 1\
=&2i
\end{align*}
]
对于这两个小题,同学们还可以根据实数当中的乘法公式来解决。第一小题((3 + 4i)×(3 - 4i)),使用平方差公式(32 - (4i)2 = 9 - 16×(-1) = 25)。第二小题((1 + i)2),根据完全平方公式(12 + 2i + i2 = 1 + 2i - 1 = 2i)。由此可见,实数集中的完全平方公式、平方差等乘法公式在复数集中仍然适用。
同学们再观察一下例二第一小问当中的两个复数(3 + 4i)和(3 - 4i),发现它们的实部相等,虚部互为相反数,我们把这样的两个复数称为共轭复数。
什么是共轭复数呢?下面给出共轭复数的定义:一般地,当两个复数的实部相等,虚部互为相反数时,这两个复数叫做互为共轭复数。对于共轭复数,我们给出几点说明:复数(z = a + bi)的共轭复数,一般记作(\overline{z}),即(\overline{z} = a - bi)。当虚部不等于(0)的两个共轭复数,我们把它叫做共轭虚数。如果一个复数的共轭复数是它本身,说明它的虚部等于(0),所以这个复数此时就是一个实数。反之,如果一个数是实数,那么它的共轭复数就是它本身。所以我们得到(\overline{z} = z)等价于(z)是一个实数。
请同学们思考下面的问题:如果(z = a + bi),(\overline{z} = a - bi)是一对共轭复数,第一,在复平面内,它们所对应的点有怎样的位置关系?第二,(z×\overline{z})是一个怎样的数?
我们知道(z)与(\overline{z})实部相等,虚部互为相反数,所以它们在复平面内所对应的点横坐标相等,纵坐标互为相反数,所以点(z)和点(\overline{z})关于实轴对称。
第二,(z×\overline{z}),直接利用平方差公式可得(a2 + b2)。由此我们可以得到结论:互为共轭复数的两个复数所对应的点关于实轴对称,(z×\overline{z} = a2 + b2 = |z|2 = |\overline{z}|2),它是一个实数。
好,以上我们探究了复数乘法的法则,那么复数的除法法则是怎样的呢?类比实数的除法是乘法的逆运算,我们规定复数的除法也是乘法的逆运算。下面我们来探究一下复数除法的法则。
满足((c + di)×(x + yi) = a + bi)的复数(x + yi)叫做复数(a + bi)除以复数(c + di)的商,记作(\frac{a + bi}{c + di})或((a + bi)÷(c + di))。请同学们思考一下如何来求解这里面的(x)和(y)。
