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为什么我们需要复数?

大家知道,形如a+bi的数称为复数,其中a,b是实数,而i代表 复数和我们通常所认识的实数有很大不同,似乎在我们的现实世界中也遇不到这样的数。为什么我们非要引进这样的数不可呢?

中学的数学课本已经告诉我们,当我们解一个二次方程

ax2+bx+c=0

时,如果∆=b2-4ac<0,则方程有一对共轭复数根。不错,引入复数使得∆<0时也有根了,但此时方程实数范围内没有根可能更符合实际,人为地引入看不见摸不着的复数根似乎也没有必要。

历史上,复数是在16世纪由意大利数学家卡尔达诺引进的。他引进复数最主要目的是为了求解三次代数方程。为此,我们先看一个例子,考虑三次方程

x3-7x+6=0.

容易验证,上述方程3个实根:x=1,x=2和x=-3。由于三次方程最多有3个不同的根,所以上述3个根就是该方程的全部根。

卡尔达诺当时已经知道形如

x3+px+q=0

三次方程的求根公式

其中 现在,对方程x3-7x+6=0应用上述求根公式,这时p=-7,q=6, 这样,在上面的公式中,就必须处理像 这样的数,才能最终得到3个实根。

卡尔达诺注意到,当∆<0时,为了求得三次方程的根(哪怕是实数根),人们也无法躲过对负数开方的运算,而不得不处理由负数开方所产生的新的数,比如像前面的 这样卡尔达诺把一类新的数引入了数学。这就是当今我们称之为复数的数。

当时的人把这种数统一写成 的形式,其中a与b是实数。后来,欧拉建议用i来替代 ,于是便有了今天复数的表示:a+bi。

复数被引入数学之后,不但从此“留下不走了”,而且其用处不断扩大。复数不仅用于解三次或四次方程,还用于三角函数的计算。著名的棣莫佛公式

就是一例。在其中取n=2和n=3就可得到三角函数的倍角公式和三倍角公式,并且由此还可得到n倍角公式。有很多实数域中的问题,通过复数域可以简单或巧妙地解决。对此,法国数学家阿达马有一个很恰当的评价:实数域中两个真理之间的最短路径是通过复数域。