Todos los libros

Profesional

Apps Acerca de Coach Iniciar sesión Empezar a leer

Matemáticas · Glosario

¿Qué es Exponencial compleja de argumento imaginario?

También llamado: argumento

Definición 3.5 Matemáticas universitarias — Grado 1 · Capítulo 3 — Números complejos

Para θ∈R\theta \in \R se define

eiθ=cos⁡θ+isin⁡θ.\eu^{\iu\theta} = \cos\theta + \iu \sin\theta .

Todo z≠0z \neq 0 se puede escribir z=r eiθz = r\,\eu^{\iu\theta} con r=∣z∣>0r = \abs z > 0; θ\theta es un argumento de zz, determinado salvo múltiplos de 2π2\pi. El valor de (−π, π]\intoc{-\pi}{\pi} es el argumento principal, escrito arg⁡z\arg z.

Ejemplos

Ejemplo 3.6 (Primeros valores, y una identidad célebre)

Leyendo la definición en los ángulos notables:

eiπ/2=i,eiπ=−1,e2iπ=1,eiπ/4=22 (1+i).\eu^{\iu\pi/2} = \iu, \qquad \eu^{\iu\pi} = -1, \qquad \eu^{2\iu\pi} = 1, \qquad \eu^{\iu\pi/4} = \frac{\sqrt2}2\,(1 + \iu) .

La segunda, reescrita como eiπ+1=0\eu^{\iu\pi} + 1 = 0, es la célebre identidad de Euler, que enlaza e\eu, i\iu, π\pi, 11 y 00; a esta altura del libro es un desarrollo de la definición más que un teorema, y su contenido real — por qué la función exponencial analítica del Capítulo 4, extendida a argumentos imaginarios, merece el mismo nombre — lo zanjan las series de potencias del Capítulo 17. Entretanto, conviene memorizar la fórmula anterior como tabla de conversión: se usa en silencio cada vez que se lee un argumento en un dibujo.

Ejemplo 3.9 (Desarrollo de cos⁡3θ\cos 3\theta por De Moivre)

Escríbase c=cos⁡θc = \cos\theta, s=sin⁡θs = \sin\theta. De Moivre y el teorema del binomio dan

cos⁡3θ+isin⁡3θ=(c+is)3=c3−3cs2+i (3c2s−s3),\cos 3\theta + \iu \sin 3\theta = (c + \iu s)^3 = c^3 - 3cs^2 + \iu\,(3c^2 s - s^3),

e igualando partes reales y sustituyendo después s2=1−c2s^2 = 1 - c^2:

cos⁡3θ=c3−3c(1−c2)=4cos⁡3θ−3cos⁡θ.\cos 3\theta = c^3 - 3c(1 - c^2) = 4\cos^3\theta - 3\cos\theta .

La parte imaginaria da gratis sin⁡3θ=3sin⁡θ−4sin⁡3θ\sin 3\theta = 3\sin\theta - 4\sin^3\theta: una identidad compleja arrastra siempre dos reales. Leída al revés, la identidad anterior es la clave de la clásica ecuación de la trisección: construir cos⁡(θ/3)\cos(\theta/3) a partir de cos⁡θ\cos\theta equivale a resolver la cúbica 4x3−3x=cos⁡θ4x^3 - 3x = \cos\theta, que es donde toma el relevo el álgebra del Capítulo 8.

Ejemplo 3.13 (Una suma trigonométrica binomial)

Para n∈Nn \in \N y θ∈R\theta \in \R, calcúlese S=∑k=0n(nk)cos⁡kθS = \sum_{k=0}^{n}\binom nk \cos k\theta. Reconózcase la parte real de un desarrollo binomial:

S=ℜ∑k=0n(nk)(eiθ)k=ℜ(1+eiθ)n,S = \Re\sum_{k=0}^n \binom nk \bigl(\eu^{\iu\theta}\bigr)^k = \Re\bigl(1 + \eu^{\iu\theta}\bigr)^n ,

y factorícese después el ángulo mitad (Método 3.11 (4)): 1+eiθ=2cos⁡θ2 eiθ/21 + \eu^{\iu\theta} = 2\cos\frac\theta2\,\eu^{\iu\theta/2}, luego

S=ℜ(2ncos⁡nθ2  einθ/2)=2ncos⁡nθ2 cos⁡nθ2.S = \Re\Bigl(2^n\cos^n\frac\theta2\;\eu^{\iu n\theta/2}\Bigr) = 2^n \cos^n\frac\theta2\,\cos\frac{n\theta}2 .

La parte imaginaria da gratis ∑k(nk)sin⁡kθ=2ncos⁡nθ2sin⁡nθ2\sum_k\binom nk\sin k\theta = 2^n\cos^n\frac\theta2\sin\frac{n\theta}2. Comprobaciones: θ=0\theta = 0 recupera ∑(nk)=2n\sum\binom nk = 2^n, y θ=π\theta = \pi da S=0S = 0 para n≥1n \geq 1 (cada factor cos⁡π2\cos\frac\pi2 se anula), es decir, la suma alternada de una fila del Ejemplo 2.17. El método —«ver la suma de cosenos como la sombra de una potencia compleja y factorizar después ángulos mitad»— es exactamente el del Ejercicio 3.6, con el teorema del binomio en lugar de la serie geométrica.

Leer en el capítulo →