Persamaanx2=−1 tak punya penyelesaian real. Memperbesar R dengan satu bilangan baru i yang kuadratnya −1 menghasilkan lapangan C berisi bilangan kompleks, dan di dalamnya setiappersamaan suku banyak punya penyelesaian — lagi pula aritmetikanya menyandikan geometri bidang: geseran, putaran dan penskalaan menjadi penjumlahan dan perkalian.
28.1 Bentuk aljabar
Definisi 28.1(Bilangan kompleks)
Himpunan bilangan kompleks adalah
C={a+ib:a,b∈R},
dengan i sebuah lambang yang tunduk pada satu kaidah i2=−1; penjumlahan dan perkaliannya dikerjakan seperti pada suku banyak real dalam i, dengan menyusutkan i2 menjadi −1. Bilangan reala dan b disebut bagian realRe(z) dan bagian imajinerIm(z) dari z=a+ib; ungkapan ini disebut bentuk aljabar dari z, dan bentuk itu tunggal: a+ib=a′+ib′ jika dan hanya jika a=a′ dan b=b′.
Contoh 28.2
(2+3i)(1−i)=2−2i+3i−3i2=5+i.
Definisi 28.3(Konjugat)
Konjugat dari z=a+ib adalah z=a−ib.
Proposisi 28.4(Sifat pengonjugatan)
Untuk semua z,w∈C:
z+w=z+w,zw=zw,z=z,z+z=2Re(z),z−z=2iIm(z),
dan zz=a2+b2≥0 untuk z=a+ib. Lagi pula z∈R jika dan hanya jika z=z.
Bukti. Semuanya perhitungan langsung dari bentuk aljabarnya; misalnya zz=(a+ib)(a−ib)=a2−(ib)2=a2+b2. ∎
Metode 28.5(Membagi bilangan kompleks)
Untuk menulis hasil bagi dalam bentuk aljabar, kalikanlah pembilang dan penyebutnya dengan konjugat penyebutnya:
2+i1=(2+i)(2−i)2−i=52−i=52−51i.
Karena itu setiap bilangan kompleks tak nol punya balikan: C adalah sebuah lapangan.
28.2 Bidang kompleks, modulus dan argumen
Definisi 28.6(Afiks, modulus)
Pada bidang berkoordinat ortonormal, titik M(a,b) disebut bayangan dari z=a+ib, dan z disebut afiksM. Modulus dari z adalah jarak M ke titik asalnya:
∣z∣=a2+b2=zz.
Titik M(a,b) berafiks z: modulusnya ∣z∣ adalah panjang OM, dan konjugatnyaz adalah pencerminan z pada sumbu realnya.
dengan memakai Re(u)≤∣u∣. Pernyataan jaraknya adalah rumus Pythagoras yang diterapkan pada koordinatzB−zA. ∎
Definisi 28.8(Argumen, bentuk trigonometri dan bentuk eksponen)
Misalkan z=0. Suatu argumen dari z, yang ditulis arg(z), adalah sebarang ukuran θ bagi sudut dari sumbu real positif ke sinar OM; ukuran itu tertentu sampai pada 2kπ. Dengan menulis r=∣z∣,
z=r(cosθ+isinθ)(bentuk trigonometri).
Dengan memperkenalkan lambang
eiθ=cosθ+isinθ,
ini menjadi bentuk eksponenz=reiθ.
Bentuk eksponen: z ditentukan oleh jaraknya r ke titik asal dan sudutnya θ dari sumbu real positif.
Teorema 28.9
Untuk semua θ,θ′∈R:
eiθeiθ′=ei(θ+θ′),eiθ=e−iθ,eiθ=1.
Akibatnya, untuk z=reiθ dan z′=r′eiθ′ yang tak nol:
Bukti. Induksi pada n≥0 dengan memakai Teorema 28.9; lalu perluas ke n<0 dengan mengambil balikannya. ∎
Metode 28.11(Berpindah antarbentuk)
Dari aljabar ke eksponen: hitunglah r=∣z∣, lalu carilah θ dengan cosθ=ra, sinθ=rb (tentukan dahulu kuadran yang benar sebelum memanggil kosinus balikannya). Dari eksponen ke aljabar: jabarkan rcosθ+irsinθ. Pakailah bentuk aljabar untuk penjumlahan, dan bentuk eksponen untuk perkalian, pemangkatan dan pembagian.
Contoh 28.12
z=1+i: ∣z∣=2 dan cosθ=sinθ=21, jadi θ=4π dan z=2eiπ/4. Karena itu z20=210e5iπ=−1024.
Bayangannya adalah titik sudut segi-n beraturan yang termuat dalam lingkaran satuan, dan untuk n≥2 jumlahnya 0.
Bukti. Setiap ωk memenuhi ωkn=e2ikπ=1, dan semuanya berbeda sepasang demi sepasang sebab argumennya terletak di [0,2π). Sebaliknya, jika zn=1 maka ∣z∣n=1, sehingga ∣z∣=1 (bilangan real positif) dan z=eiθ dengan nθ≡0(mod2π), yaituθ=n2kπ; menyusutkan k modulo n mendarat di antara ωk itu. Titik sudutnya berjarak sudut sama n2π: itulah segi-n beraturan. Akhirnya, dengan ω=ω1, berlaku ω=1 dan jumlah deret ukurnya memberi
k=0∑n−1ωk=k=0∑n−1ωk=ω−1ωn−1=0.
∎
Akar satuan kelima, ω=e2iπ/5: yaitu titik sudut segi lima beraturan yang termuat dalam lingkaran satuan (Latihan 28.10).
Contoh 28.16
Akar pangkat tiga dari satuan adalah 1, j=e2iπ/3=−21+i23 dan j=j2, yang memenuhi 1+j+j2=0.
28.4 Bilangan kompleks dan geometri bidang
Proposisi 28.17(Kamus geometris)
Misalkan A,B,C,D titik yang berafiks a,b,c,d (a=b, c=d).
Putaran berpusat ω (afiksnya) dan bersudut θ adalah z↦ω+eiθ(z−ω).
Penskalaan (homoteti) berpusat ω dan berrasio k∈R∗ adalah z↦ω+k(z−ω).
b−ad−c bermodulus ABCD dan berargumen sudut antara vektorAB dan CD. Khususnya, AB⊥CD jika dan hanya jika b−ad−c murni imajiner, dan A,B,C segaris (C=A, C=B) jika dan hanya jika b−ac−a∈R.
Bukti. (1) dan (3) hanyalah rumus koordinatnya yang dinyatakan ulang. Untuk (2), pemetaan w↦eiθw mengalikan modulusnya dengan 1 dan menambahkan θ pada argumennya: itulah putaran bersudut θ terhadap titik asal; mengonjugatkannya dengan geseran yang mengirim ω ke 0 memberi pusat yang umum. Untuk (4), modulus dan argumen hasil baginya saling mengurangkan (Teorema 28.9). ∎
28.5 Latihan
Latihan 28.1★
Tulislah dalam bentuk aljabar: (3−2i)(1+4i), 1−i2+i, i2027.
Solusi
Solusi Latihan 28.1.
(3−2i)(1+4i)=3+12i−2i−8i2=11+10i.
1−i2+i=(1−i)(1+i)(2+i)(1+i)=21+3i=21+23i.
i2027: karena i4=1 dan 2027=4×506+3, maka i2027=i3=−i.
Latihan 28.2★
Selesaikan di C: (a) z2−4z+13=0; (b) z2+z+1=0. Periksalah pada tiap kasusnya bahwa kedua penyelesaiannya berkonjugat lalu hitung hasil kalinya.
Solusi
Solusi Latihan 28.2.
(a)Δ=16−52=−36: z=24±6i=2±3i. Keduanya sepasang konjugat; hasil kalinya =4+9=13=ac. (b)Δ=1−4=−3: z=2−1±i3 (yaitu akar pangkat tiga dari satuan, j dan j); hasil kalinya =41+3=1.
∣z1∣=2, argumennya43π (kuadran kedua), jadi z1=2e3iπ/4. Lalu ∣z2∣=2, argumennya−6π, jadi z2=2e−iπ/6. Karena itu
z2z1=22ei(43π+6π)=22e11iπ/12.
Secara aljabar,
z2z1=3−i−1+i=4(−1+i)(3+i)=4−3−1+i(3−1).
Dengan menyamakan bagian realnya: 22cos1211π=4−3−1, sehingga
cos1211π=−46+2.
Latihan 28.4★★
Lukiskan secara geometris himpunan titik M berafiks z sedemikian sehingga: (a) ∣z−2∣=∣z+i∣; (b) ∣z−1−i∣=3; (c) z+1z−1 murni imajiner.
Solusi
Solusi Latihan 28.4.
(a)∣z−2∣=∣z−(−i)∣ berarti M berjarak sama dari A(2,0) dan B(0,−1): itulah sumbu ruas[AB].
(b) Berjarak 3 dari titik (1,1): itulah lingkaran berpusat 1+i dan berjari-jari 3.
(c) Menurut Proposisi 28.17(4), z+1z−1 yang murni imajiner berarti vektor dari A(1,0) ke M dan dari B(−1,0) ke M saling tegak lurus: jadi M memandang ruas [AB] dengan sudut siku-siku. Himpunannya adalah lingkaran berdiameter [AB] (yaitu lingkaran satuan) tanpa titik A dan B itu sendiri.
Latihan 28.5★★
Dengan rumus De Moivre dan teorema binomial, nyatakan cos3θ sebagai suku banyak dalam cosθ, dan sin3θ dengan sinθ.
Solusi
Solusi Latihan 28.5.
De Moivre: cos3θ+isin3θ=(cosθ+isinθ)3. Dengan menjabarkannya lewat teorema binomial dengan c=cosθ, s=sinθ:
(c+is)3=c3+3ic2s−3cs2−is3=(c3−3cs2)+i(3c2s−s3).
Dengan menyamakan bagiannya dan memakai s2=1−c2, c2=1−s2:
cos3θ=4cos3θ−3cosθ,sin3θ=3sinθ−4sin3θ.
Latihan 28.6★★
(Pelinearan.) Dengan memakai cosθ=2eiθ+e−iθ, linearkanlah cos3θ (tulislah sebagai gabungan coskθ), lalu simpulkan ∫0π/2cos3θdθ.
(Selaras dengan W3=32 pada Latihan 25.9, sebab ∫0π/2cos3=∫0π/2sin3 menurut kesetangkupan θ↦2π−θ.)
Latihan 28.7★★
Misalkan A dan B berafiks a=1+i dan b=3+2i. Tentukan kedua titik C yang membuat segitiga ABC sama sisi, sebagai bayangan B di bawah putaran berpusat A dan bersudut ±3π.
Solusi
Solusi Latihan 28.7.
c=a+e±iπ/3(b−a) dengan b−a=2+i dan e±iπ/3=21±i23:
eiπ/3(2+i)=(21+i23)(2+i)=(1−23)+i(21+3),
jadi c1=(2−23)+i(23+3), dan serupa dengan sudut −3π: c2=(2+23)+i(23−3).
Latihan 28.8★★★
Selesaikan z4=−4 di C lalu gambarkan penyelesaiannya. Faktorkanlah z4+4 menjadi dua suku banyak kuadrat yang berkoefisien real.
Solusi
Solusi Latihan 28.8.
−4=4eiπ, sehingga penyelesaian z4=−4 adalah
zk=2ei(4π+2kπ),k=0,1,2,3,
yaitu1+i, −1+i, −1−i, 1−i: itulah titik sudut sebuah persegi berjari-jari luar 2. Dengan mengelompokkan akar yang berkonjugat,
dengan memakai eiα−e−iα=2isinα (yaitu pemfaktoran setengah sudut). Dengan mengambil bagian realnya:
S=sin2θsin2(n+1)θcos2nθ.
Latihan 28.10★★★
Misalkan ω=e2iπ/5.
Berilah alasan bahwa 1+ω+ω2+ω3+ω4=0.
Misalkan u=ω+ω4 dan v=ω2+ω3. Tunjukkan bahwa u+v=−1 dan uv=−1, lalu simpulkan u=2−1+5.
Simpulkan bahwa cos52π=45−1.
Solusi
Solusi Latihan 28.10.
1.ω adalah akar satuan ke-5 yang berbeda dari 1, sehingga jumlah kelima akarnya bernilai nol (Teorema 28.15), dan itu terbaca 1+ω+ω2+ω3+ω4=0.
2.u+v=ω+ω2+ω3+ω4=−1 menurut butir 1. Untuk hasil kalinya, dengan memakai ω5=1:
uv=(ω+ω4)(ω2+ω3)=ω3+ω4+ω6+ω7=ω3+ω4+ω+ω2=−1.
Jadi u,v adalah akarX2+X−1=0, yaitu {2−1+5,2−1−5}. Sekarang u=ω+ω=2cos52π>0 (sebab 52π<2π), sehingga u=2−1+5.
3.cos52π=2u=45−1.
28.6 Soal: Segi lima di cermin satuan
Soal 28.1
Soal akhir pekan — akar satuan kelima menghitung cos72∘ secara eksak, nisbah emas menandatangani hasilnya, dan perkalian ternyata sebuah putaran
Euklides sanggup melukis segi lima yang beraturan, tetapi alasan mengapa bangun itu tunduk pada penggaris dan jangka — sedangkan sudut 20∘ yang sederhana tidak — tersembunyi selama dua ribu tahun. Alasannya bersembunyi di bab ini: kelima akar satuan kelima (Teorema 28.15) berjumlah nol, dan satu baris aljabar itu memeras cos72∘ keluar dari sebuah persamaan kuadrat — hanya berisi akar kuadrat, jadi terlukiskan, dan tentu saja ditandatangani oleh nisbah emas. Di sekeliling permata ini: kelancaran, jalan pintas de Moivre menuju trigonometri, dan perkalian yang tersingkap sebagai geometri.
Bagian I — Kelancaran.
Hitunglah (2+i)(3−i), 1−i1+i (Metode 28.5), dan ∣3+4i∣.
Ambil c=cos52π lalu pakailah rumus sudut rangkap bagi cos54π untuk mengubah pertanyaan 8 menjadi persamaan kuadrat dalam c; selesaikan lalu simpulkan
cos72∘=45−1.
Periksalah secara numeris, lalu biarkan nisbah emas menandatangani karyanya: tunjukkan c=2φ1 dengan φ=21+5 (Soal 2.1) — lalu nyatakan gema geometrisnya yang masyhur: pada segi lima beraturan, diagonalnya adalah φ kali sisinya.
Bagian III — Jalan pintas de Moivre.
Vonis pelukisannya: cos72∘ hanya memerlukan akar kuadrat (pertanyaan 9), sehingga segi lima itu terlukiskan dengan penggaris dan jangka; sedangkan cos20∘ memenuhi persamaan pangkat tiga yang tak terpecahkan (Soal 24.1), sehingga sudut 60∘ tak dapat dibagi tiga. Nyatakan kaidah yang mulai muncul itu (akar kuadrat terbangun, akar pangkat tiga tidak), yang teori lengkapnya — Gauss, pada usia 19 tahun, dan segi tujuh belas — hidup dalam jilid universitas.
Selesaikan z4=−4 lewat bentuk eksponen lalu perolehlah kembali pemfaktoran pada Latihan 28.8, z4+4=(z2−2z+2)(z2+2z+2), dengan memasangkan akar yang berkonjugat.
Jabarkan (cosθ+isinθ)3 dengan teorema binomial dan de Moivre, lalu turunkan kembali cos3θ=4cos3θ−3cosθ dalam tiga baris — bandingkan dengan jalur rumus penjumlahan pada Soal 24.1.
Periksa silang dengan Latihan 28.9: untuk θ=52π dan n=4, berapakah nilai jumlah 1+cosθ+⋯+cos4θ, dan mengapa itu selaras dengan pertanyaan 8?
Hitunglah ketiga akar pangkat tiga dari 8i dalam bentuk aljabar.
Bagian IV — Perkalian adalah geometri.
Lukiskan selengkapnya pemetaan z↦(1+i)z: sebesar sudut apa ia memutar, dengan faktor berapa ia menskalakan, dan apa yang dilakukannya pada persegi satuan?
Buktikan ∣z1z2∣=∣z1∣∣z2∣ dengan konjugat (Proposisi 28.7), lalu hitunglah (1+i)n untuk n=1,2,3,4 lalu lukiskan ulir yang digambar pangkatnya.
Bilangan j=e2iπ/3: tunjukkan 1+j+j2=0, lalu periksalah pada segitiga (1,j,j2) kaidah klasiknya: a+jb+j2c=0 berlaku bagi segitiga sama sisi abc (pada salah satu arah putarannya).
Teorema dasar aljabar (yang diterima saja: d’Alembert–Gauss): setiap suku banyak terfaktorkan sepenuhnya atas C. Simpulkan akibat wajarnya di dunia nyata — setiap suku banyak real terfaktorkan menjadi bagian linear dan kuadrat yang real — lalu tunjuklah pertanyaan 12 sebagai contohnya.
Penutup — potret C, masing-masing satu kalimat: bilangan menjadi titik; perkalian menjadi putaran-dan-penskalaan; akar satuan menjadi segi banyak beraturan; de Moivre mengubah pemangkatan menjadi identitas trigonometri; dan ketertutupan aljabarnya menjamin bahwa tak ada persamaan yang memerlukan dunia yang lebih besar. Koda: dua bilangan masyhur mana yang bertemu pada pertanyaan 10?
4.z2=eiπ/2, jadi z=±eiπ/4=±22(1+i). Lalu Δ=4−20=−16, jadi z=1±2i.
5. Pemetaan z↦iz: putaran seperempat lingkaran terhadap titik asalnya. Lalu ∣z−(1+i)∣=2: lingkaran berpusat 1+i dan berjari-jari 2.
6.(ωk)5=e2iπk=1, dan kelima titik e2ikπ/5 itu berbeda: jadi itulah kelima penyelesaian z5=1. Semuanya duduk pada lingkaran satuan dengan sudut yang sama, 72∘: yaitu segi lima beraturan dengan satu titik sudut di 1.
7.S=1+ω+⋯+ω4 memenuhi (1−ω)S=1−ω5=0, dan ω=1, jadi S=0. (Titik seimbang segi limanya adalah pusatnya.)
8.ω4=ω dan ω3=ω2: dengan memasangkan konjugatnya, bagian real jumlahnya terbaca 1+2cos52π+2cos54π=0.
9.cos54π=2c2−1, sehingga 1+2c+4c2−2=0, yaitu 4c2+2c−1=0 dan c=4−1+5 (akar yang positif, sebab 72∘ sudut lancip): cos72∘=45−1.
10. Secara numeris c≈0.30902, cocok dengan kalkulatornya. Lalu 2φ1=1+51=45−1 (dengan merasionalkannya): jadi c=2φ1. Segi lima itu keemasan sampai ke tulangnya: diagonalnya memotong sisinya dengan nisbah φ — keserupaan diri yang tak berujung milik bintang lima itu.
11.Akar kuadrat terlukis dengan jangka (lewat mesin setengah lingkaran milik rata-rata ukur di jilid sekolah menengah pertama), sehingga bilangan yang dibangun dari bilangan rasional hanya lewat akar kuadrat — seperti cos72∘ — terlukiskan; sedangkan akar pangkat tiga tidak, dan cos20∘ memerlukannya: segi limanya tunduk, pembagian tiganya melawan. Kaidah Gauss memutuskan setiap segi banyak beraturan — segi tujuh belasnya pada usia sembilan belas membuatnya memilih matematika.
12.−4=4eiπ: akar keempatnya bermodulus 2 dan berargumen 4π+k2π, yaitu keempat bilangan ±1±i. Dengan memasangkan konjugatnya: (z−1−i)(z−1+i)=z2−2z+2 dan (z+1−i)(z+1+i)=z2+2z+2, yaitu pemfaktoran pada Latihan 28.8.
13.(cosθ+isinθ)3=cos3θ+3icos2θsinθ−3cosθsin2θ−isin3θ; dan menurut de Moivre ini sama dengan cos3θ+isin3θ. Bagian realnya: cos3θ=cos3θ−3cosθ(1−cos2θ)=4cos3θ−3cosθ — sedangkan bagian imajinernya menyerahkan sin3θ secara cuma-cuma.
14. Itulah bagian real1+ω+⋯+ω4=0: jumlahnya sama dengan 0 — tepat pertanyaan 8, yang dilihat lewat inti pada Latihan 28.9.
15.8i=8eiπ/2, jadi akarnya2eiπ/6=3+i; 2e5iπ/6=−3+i; 2e3iπ/2=−2i.
16.1+i=2eiπ/4: jadi pemetaannya memutar bidangnya sebesar 45∘ lalu menskalakannya dengan 2. Persegi satuannya menjadi persegi miring bersisi 2 — luasnya berlipat dua, terpuntir seperdelapan putaran.
17.∣z1z2∣2=z1z2z1z2=z1z1z2z2=∣z1∣2∣z2∣2: lalu ambil akar kuadratnya. Pangkat 1+i: 1+i, 2i, −2+2i, −4: masing-masing 45∘ lebih jauh berputar dan 2 kali lebih panjang — sebuah ulir yang membuka keluar lewat modulus2,2,22,4,…
18. Bilangan j adalah akar satuan ketiga yang berbeda dari 1, sehingga (lewat alasan pertanyaan 7 dengan n=3) 1+j+j2=0. Kaidahnya pada segitiga bakunya: a+jb+j2c=1+j⋅j+j2⋅j2=1+j2+j4=1+j2+j=0: jadi terpenuhi, seperti yang dituntut segitiga sama sisi (1,j,j2).
19. Atas C, suku banyak real terbelah menjadi faktor linear; akarnya yang tak real datang berpasangan konjugat (konjugatkanlah persamaannya), dan tiap pasangannya terkalikan menjadi bentuk kuadrat real z2−2Re(z0)z+∣z0∣2: dari situlah pemfaktoran realnya menjadi bagian berderajat 1 dan berderajat 2 — dan pertanyaan 12 melakukannya pada z4+4.
20. Titik; putaran-dan-penskalaan; segi banyak beraturan; identitas trigonometri lewat penjabaran; dan sebuah dunia tertutup tempat setiap persamaan berderajat n memiliki nakarnya. Koda: pada pertanyaan 10, segi lima milik π berjabat tangan dengan nisbah emas — dua tamu Euklides yang paling masyhur, yang akhirnya diperkenalkan oleh jumlah lima anak panah yang sama dengan nol.