引入
复数 用两个实数表示,那能否像极坐标一样用”距离 + 角度”表示?
为什么复数的乘法在三角形式下变成”模相乘、角相加”?
辐角为什么不唯一?
正文
定义
对于复数 ,设 为模, 为辐角(与实轴正方向的夹角),则 称为复数的三角形式。
模与辐角
| 量 | 定义 | 几何意义 |
|---|---|---|
| 模 | 复平面上到原点的距离 | |
| 辐角 | 满足 、 | 与实轴正方向的夹角 |
由定义直接可得:
这就是从代数式到三角式的换算。
辐角的多值性
这个公式只在 时直接给出正确的辐角。完整地说,辐角有无穷多个值,相差 :
其中落在 内的那个称为主值,记作 。
| 象限 | 辐角范围 |
|---|---|
| 第一 | |
| 第二 | |
| 第三 | |
| 第四 |
直接用 会在第二、三象限出错,因为 的值域是 ,无法区分 与 。必须结合象限修正。
欧拉表示
由 欧拉公式 ,三角形式可写成
这是指数形式,形式上最简洁。
| 形式 | 写法 | 运算便利性 |
|---|---|---|
| 代数 | 加减 | |
| 三角 | 乘除、乘方 | |
| 指数 | 乘除、乘方、开方 | |
| 极坐标 | 工程表示 |
乘除的简化
三角形式下:
这就是”模相乘、角相加”。在代数形式下,同样的计算需要展开四项并整理,三角形式省去了这个过程。
乘方与开方
这是棣莫弗定理。
开方有 个解:
为什么有 个解? 因为辐角有 的多值性,除以 后得到 个不同的角。这些解在复平面上均匀分布在一个半径为 的圆上。
典型换算
| 复数 | 模 | 辐角 | 三角形式 |
|---|---|---|---|
最后一个例子在第四象限,用 恰好正确;若点在第二象限,需要加 。
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| ”辐角唯一” | 相差 都是辐角 |
| ” 总成立” | 第二、三象限需修正 |
| ”模可以为负” | 模非负 |
| ”开方只有一个解” | 次方有 个根 |
| ”三角形式不能做加减” | 能做,但需先转回代数式 |
引出
为什么辐角的多值性会导致开方多解?
复数的指数形式与极坐标表示有何本质区别?
棣莫弗定理如何推出三角恒等式?