Alle boeken

Professioneel

Apps Over Coach Inloggen Begin met lezen

Wiskunde · Begrippenlijst

Wat is Complexe exponentiële van een imaginair argument?

Ook bekend als: argument

Definitie 3.5 Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 1 · Hoofdstuk 3 — Complexe getallen

Voor θ∈R\theta \in \R definieert men

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

Elke z≠0z \neq 0 laat zich schrijven als z=r eiθz = r\,\eu^{\iu\theta} met r=∣z∣>0r = \abs z > 0; zo’n θ\theta heet een argument van zz en ligt vast op een veelvoud van 2π2\pi na. De waarde in (−π, π]\intoc{-\pi}{\pi} heet het hoofdargument, genoteerd arg⁡z\arg z.

Voorbeelden

Voorbeeld 3.6 (Eerste waarden, en één beroemde identiteit)

De definitie gelezen in de hoofdhoeken:

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) .

De tweede, herschreven als eiπ+1=0\eu^{\iu\pi} + 1 = 0, is Eulers beroemde identiteit die e\eu, i\iu, π\pi, 11 en 00 verbindt; in dit stadium van het boek is ze eerder een definitie die zich ontrolt dan een stelling, en haar eigenlijke inhoud — waarom de analytische exponentiële functie van Hoofdstuk 4, uitgebreid tot imaginaire argumenten, dezelfde naam verdient — wordt beslecht door de machtreeksen van Hoofdstuk 17. Ondertussen is bovenstaande regel het onthouden waard als omrekentabel: ze wordt stilzwijgend gebruikt telkens als een argument van een tekening wordt afgelezen.

Voorbeeld 3.9 (cos⁡3θ\cos 3\theta uitwerken met de Moivre)

Schrijf c=cos⁡θc = \cos\theta en s=sin⁡θs = \sin\theta. De Moivre en het binomium geven

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),

en na gelijkstellen van de reële delen en substitutie van 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 .

Het imaginaire deel levert er gratis sin⁡3θ=3sin⁡θ−4sin⁡3θ\sin 3\theta = 3\sin\theta - 4\sin^3\theta bij: één complexe identiteit draagt altijd twee reële. Achterstevoren gelezen is de zojuist gevonden identiteit de sleutel tot de klassieke driedelingsvergelijking: cos⁡(θ/3)\cos(\theta/3) uit cos⁡θ\cos\theta construeren betekent de derdegraadsvergelijking 4x3−3x=cos⁡θ4x^3 - 3x = \cos\theta oplossen, en daar neemt de algebra van Hoofdstuk 8 het over.

Voorbeeld 3.13 (Een binomiale goniometrische som)

Bereken voor n∈Nn \in \N en θ∈R\theta \in \R de som S=∑k=0n(nk)cos⁡kθS = \sum_{k=0}^{n} \binom nk \cos k\theta. Herken het reële deel van een binomiale ontwikkeling:

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 ,

en ontbind dan de halve hoek (Methode 3.11 (4)): 1+eiθ=2cos⁡θ2 eiθ/21 + \eu^{\iu\theta} = 2\cos\frac\theta2\,\eu^{\iu\theta/2}, zodat

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 .

Het imaginaire deel levert er 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 bij. Controles: θ=0\theta = 0 geeft ∑(nk)=2n\sum\binom nk = 2^n terug, en θ=π\theta = \pi geeft S=0S = 0 voor n≥1n \geq 1 (elke factor cos⁡π2\cos\frac\pi2 verdwijnt), dat wil zeggen de alternerende rijsom uit Voorbeeld 2.17. De methode — “zie de cosinussom als de schaduw van een complexe macht en ontbind dan halve hoeken” — is precies die van Oefening 3.6, met het binomium in de plaats van de meetkundige reeks.

Lees in het hoofdstuk →