Уявні числа

Уявна одиниця ${\displaystyle i\,}$ — число, що при піднесенні до квадрата дає від'ємну одиницю:

i на комплексній або декартовій площині. Дійсні числа знаходяться на горизонтальній осі, а уявні числа на вертикальній осі.

Уявна одиниця
Числове значення	1 уявна одиниця
Формула	${\displaystyle \mathrm {i} ^{2}=-1}$^[1]
Позначення у формулі	${\displaystyle ^{2}}$ і ${\displaystyle \mathrm {i} }$
Підтримується Вікіпроєктом
Обернений елемент	^d і ^d
Протилежне	^d

${\displaystyle i^{2}=-1\ }$

Уявна одиниця не належить полю дійсних чисел, однак дає можливість розширити його до поля комплексних чисел.

Уявна одиниця є одним з двох розв'язків квадратного рівняння x² + 1 = 0. Хоча не існує такого дійсного числа що мало б таку властивість, i використовують для розширення дійсних чисел до множини, що називається комплексними числами, і використовувати додавання і множення. Прикладом використання i для утворення комплексного числа є такий запис: 2 + 3i.

Уявна одиниця та від'ємна уявна одиниця

Наведене вище рівняння має два розв'язки. Якщо один з них є ${\displaystyle i\ }$, то іншим розв'язком буде ${\displaystyle -i\ }$, бо справджується така рівність:

${\displaystyle (-i)^{2}=(-1\cdot i)\cdot (-1\cdot i)=(-1\cdot (-1))\cdot (i\cdot i)=1\cdot i^{2}=i^{2}=-1\ .}$

Таким чином, виникає неоднозначність означення комплексного числа. Проте, хоча ці два числа не рівні між собою, для математики не існує різниці у тому, який саме з двох розв'язків рівняння ${\displaystyle i^{2}=-1\ }$ позначатиметься ${\displaystyle i\ }$, а яке ${\displaystyle -i\ }$.

Степені уявної одиниці

Степені ${\displaystyle i}$ повторюються в циклі:

${\displaystyle \ldots }$

${\displaystyle i^{-3}=i\,}$

${\displaystyle i^{-2}=-1\,}$

${\displaystyle i^{-1}=-i\,}$

${\displaystyle i^{0}=1\,}$

${\displaystyle i^{1}=i\,}$

${\displaystyle i^{2}=-1\,}$

${\displaystyle i^{3}=-i\,}$

${\displaystyle i^{4}=1\,}$

${\displaystyle \ldots }$

Що можна записати для будь-якого степеня у вигляді:

${\displaystyle i^{4n}=1\,}$

${\displaystyle i^{4n+1}=i\,}$

${\displaystyle i^{4n+2}=-1\,}$

${\displaystyle i^{4n+3}=-i.\,}$

де n — будь-яке натуральне число.

Звідси: ${\displaystyle i^{n}=i^{n{\bmod {4}}}\,}$ де mod 4 — це остача від ділення на 4.

Число ${\displaystyle i^{i}}$ є дійсним:

${\displaystyle i^{i}={e^{(i\pi /2)i}}=e^{i^{2}\pi /2}=e^{-\pi /2}=0{,}20787957635\ldots }$

Факторіал

Факторіал уявної одиниці i можна визначити як значення гамма-функції від аргументу 1 + i:

${\displaystyle i!=\Gamma (1+i)\approx 0.4980-0.1549i.}$

Також

${\displaystyle |i!|={\sqrt {\pi \over \sinh(\pi )}}\approx 0.521564....}$

Корені з уявної одиниці

В полі комплексних чисел корінь n-го степеня має n розв'язків. На комплексній площині корені уявної одиниці містяться у вершинах правильного n-кутника, вписаного в коло одиничного радіуса.

${\displaystyle u_{k}=\cos {\frac {{\frac {\pi }{2}}+2\pi k}{n}}+i\ \sin {\frac {{\frac {\pi }{2}}+2\pi k}{n}},\quad k=0,1,...,n-1}$

Це випливає з формули Муавра й того, як уявна одиниця записується у тригонометричному вигляді:

${\displaystyle i=\cos \ {\frac {\pi }{2}}+i\ \sin \ {\frac {\pi }{2}}}$

Зокрема, ${\displaystyle {\sqrt {i}}=\left\{{\frac {1+i}{\sqrt {2}}};\ {\frac {-1-i}{\sqrt {2}}}\right\}}$ та ${\displaystyle {\sqrt[{3}]{i}}=\left\{-i;\ {\frac {i+{\sqrt {3}}}{2}};\ {\frac {i-{\sqrt {3}}}{2}}\right\}}$

Також корені уявної одиниці можуть бути представлені за допомогою експоненти:

${\displaystyle u_{k}=e^{\frac {({\frac {\pi }{2}}+2\pi k)i}{n}},\quad k=0,1,...,n-1}$

Див. також

• Дуальні числа і Подвійні числа
• Комплексний аналіз
• Кватерніони
• Гіперкомплексні числа

Примітки

1. 2-15.1 // ISO 80000-2:2019Quantities and units — Part 2: Mathematics — 2 — ISO, 2019. — 36 с.
   d:Track:Q109490582d:Track:Q15028
2. "abs(i!)", WolframAlpha.

Література

• Кантор И. Л., Солодовников А. С. Гиперкомплексные числа. — Москва : Наука, 1973. — 144 с.(рос.)
• Лаврентьев М. А, Шабат Б. В. Методы теории функций комплексного переменного. — Москва : Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973. — 736 с.(рос.)