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Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)

下一节:Limit of a Sequence (数列的极限)

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Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)课程教案、知识点、字幕

同学们 欢迎来到mooc微积分在线课程

今天这堂课是第一章的最后一个单元

我们要学习 复数 代数数与超越数

这些都不是特别复杂的概念

但是在今后的课程

和其他一些数学学科中

可能要反复用到

好的 我们从复数谈起

Chapter1 Numbers and Sets 数域与集合

Unit5 Complex Number System

Algebraic and Transcendental Numbers

复数 代数数与超越数

Section One The Complex Number System

复数系统

在中学的时候我们就知道

不是所有的多项式方程都有实根

比如这个x2+1=0这个方程它就没有实根

但是 只要我们引入复数这个概念

这个方程就可解了

现在我们就简单地复习一下

与复数有关的概念和相关的运算

先看定义 complex number system

复数系统

这个复数系统其实很简单

它就是 全体这样的数的集合

a﹢ib 其中a b 是实数

而i就是虚根单位

我们把这个复数系统

用这个符号来表示

就是C 空心的C

好 在C中我们是有乘法的

这个乘法的特色就在于

它能把I的平方变成-1

而对实数我们都知道

实数的平方永远大于(等于)0

这就是复数的精华所在

好的 约定这样的乘法

我们就可以算出两个复数的乘积来

比如说a+ib times x+iy

它的结果 就等于

ax-by+i(bx+ay) 当然这里的a b x y 要求是实数

好的 我们再强调一下一些英文术语

对z等于a+ib 这个复数而言

我们说它的实部

the real part of z 就是谁呢 a

另外呢 还有虚部 the imaginary part

它是谁呢 就是b the imaginary part of z

well 还有这个特殊的数I

我们把它叫做 imaginary unit 虚数单位

也叫虚根单位 就是 根号-1

好 下面我们强调另外一些概念

absolute value or modulus

of complex numbers

复数的绝对值 也叫模

我们知道实数的绝对值

那复数的绝对值怎么定义的呢

对刚才这个z而言

它就是 square root of a square plus b square

a 方 加b方开根

它的符号也是z划两个竖线

表示复数的绝对值或者模

好 还有另外一个概念叫 复共轭

这是什么意思呢 如果z如前给定

z=a+ib

那么z bar 就表示它的复共轭

the complex conjugate of z

Z bar equals a minus ib

好的 我们强调一些 在复数中

所谓两个数相等 是什么意思

比如 a+ib and c+id 它们两个相等

当且仅当什么呢 a=c and b=d

也就是说 两个复数相等

当且仅当实部相同虚部相同

这里我们要注意一件事情

就是刚才说 复数的相等

是由实数的相等来类推的

但是 实数之间大小不可以类推到

复数之间 也就是说

复数之间不存在比较关系

这就是我们下面这个注记

inequalities for complex numbers are not defined

在复数系统中

没有不等式的关系

比如说在C中 我们不能说1<2

尽管在实数的时候可以这么干

Section Two Polar Form of Complex Number

复数的极坐标形式

你看我们在学习实数的时候

我们通常用数形结合的思想和方法

把实数和数轴上的点

one-one correspondence

一一对应起来 十分的直观

对复数而言 它的直观表示

不再是直线了 而是复平面

复平面的本质就是我们前面讲过的

R2 plane R2平面

下面 我们就复习一下复平面

以及复数的极坐标形式

这个复平面它就是复数系统的几何表示

我们看一下这个图

这个图在高中的时候

我想同学们已经见过很多次了

我们 再复习一下

请同学们把它装在脑子中

在这幅图中 我们标记一个点(x,y)

P处 以及一个角φ

好了 有了这个图

我们就可以 讲复数的表达了

请看

z=x+iy 这是一个complex number

can be treated as an ordered pair

什么意思呢 一个复数z=x+iy

它可以等价地看成一个有序对

也就是它的实部和虚部

相应的就是x y 这个点

它在R2平面上的点(x,y)

把它放在R2平面中

如上图所示

这个点就代表了一个复数

注意在这种观点底下

R2平面就和复数一一对应起来

这个时候我们把这个R2 平面

特别的叫做复平面

而原来的x轴叫做实轴

Y轴叫做虚轴

the real axis and imaginary axis

原来的点(x,y)就代表了一个复数

z=x+iy

另外 我们注意到

这个斜边长度ρ

和x y的关系 就是

x总会等于ρ times cos φ

y总会等于ρ times sin φ

这个ρ可以写成

square root of x square plus y square

它恰好就是x+iy这个复数的绝对值

也就是它的模

刚才这个角度φ

叫做z的辐角 英语叫做

amplitude 或者 argument

从上述观点 from this point of view

we get the polar form of the complex numbers

我们可以写出复数的极坐标形式

请看polar form of complex numbers

对于一个复数 z=x+iy而言

我们既可以把它写成x+iy

也可以写成ρ(cos φ + i sin φ)

后面这种表达式就叫做

这个复数z的极坐标形式

the polar form of the complex number z

而其中这个 ρ和φ

也叫做(x,y)这个点的极坐标

the polar coordinate of (x,y)

这种极坐标形式有什么好处呢

它不但可以简洁地直观地表示复数

而且可以帮助我们进行复数的运算

请看 operations with polar form

用极坐标来计算复数的乘法 除法等等

如果 Z one equals ρ one times cos φone

plus i sin φone

Z two 也差不多这样写出来

好的 对于Z one and Ztwo as above

我们来计算一下

first Z one timesZ two

他就能写成这样一个表达式

它的模长 相互乘起来

辐角呢加起来 就是 Z1 乘Z2 的结果

你看这样的话

我们是不是更加直觉的理解了

复数的乘法呢

请看复数的除法

两个模长除一下 辐角减一下

所以我们说在极坐标形式下

复数的乘与除就会显得非常自然

另外 我们还有一个重要的事情

就是复数的幂

这个定理叫做棣莫弗 定理

它说z的n次方等于 ρ的n次方

乘以 (cos n φ + i sin n φ)

什么意思呢 就是说这个n次方

相当于模长取了n次方

辐角取了n倍

不仅如此 我想我们同学在高中的时候

老师可能讲过这样一个

非常重要的公式

它叫做欧拉公式

Euler’s Formula

它说 eiφ=cos φ + i sin φ

可能在高中的时候

我们没有认真解释过这个公式

其实 这是一个定义式

因为e的实数幂是有定义的

e的复数幂呢 目前来说我们还没定义过

所以这个式子

其实给出了一个定义式

就是e的纯虚数的幂是什么含义

欧拉是怎么想到这个公式的呢

这个问题我们要留到下一章再回答

其实这是一个非常巧妙的公式

它能用非常简洁的方式

把数学中最重要的几个常量

联系在一起 我们来看一下

Example 2.4

根据刚才的欧拉公式

我们可以这样写出一个等式

eiπ+1=0 你看

this formula connects the five basic numbers

in mathematics

就是说它把数学中5个

最重要的常亮放在了一起

它们分别是 兀 e i 1 0

这就是这个式子的妙处

好 我们再看一个例子

einφ 也就是说把刚才eiφ

作一个n次幂 它的结果

仅仅相当于把 辐角翻了n倍

这也是欧拉公式巧妙的地方之一

好 根据刚才的欧拉公式

我们可以一般地定义什么叫做

一个指数的复数幂

ea+ib=ea(cosb+isinb)

注意这是我们的定义式

好 根据这个定义式

can you find e ln2+iπ/6

equals how much

请同学们自己在纸上算一下

答案是这样子

the answer equals 根号3加i

Section Three

Algebraic and Transcendental Numbers

代数数和超越数

在讲代数数和超越数之前呢

我们要讲一件非常重要的数学事实

这就是下面我们要讲的

the fundamental theorem of algebra

代数基本定理

这个代数基本定理是这样陈述的

every degree n greater than or equal to 1

polynomial equation

with complex coefficients has

前面一句话意思是说

任何一个次数大于等于1的

以复数为系数的多项式方程

都有 都有什么呢

counted with multiplicity

exactly n roots in C

这样的多项式方程

总是有n个根

当然根需要记重数

这就是所谓的代数基本定理

代数基本定理的证明非常复杂

我们这门课就不涉及了

我们就认可这样一个经典的结果

下面我再把这个定理解释一遍

它是什么意思

请看什么叫做多项式方程

a polynomial equation

a polynomial equation 是指这样一个方程

a0xn+a1xn-1+...+an-1x+an=0

这里的 a0 a1一直到an都是

复数 其中 a0不等于0

我们这里插一句

这个a0 在英语中 通常读作a nought

当然也可以读作a zero

all these numbers a nought

a one a two up to a n are all in C

它们都是复数

这就叫一个复系数的多项式方程

这个多项式方程 要求它的次数

也就是n是一个正整数

n大于等于1 这个n也叫做

degree 汉语就是次数

of the equation

刚才 fundamental theorem of algebra

说什么呢 是说 the above equations

always has solutions in C

这样一个多项式方程

总是有n个在C中的根

好 我们看一个例子

比如这个方程

X cube equals 1

注意x的三次方 通常读作x cube

这个方程 如果我们在实数域中去求解的话

我们只能得到一个根

就是 x等于1

however if We do it in the complex world

怎么样呢 就得到3个根

根据刚才的代数基本定理

好 它们是什么呢 分别是

x1=1 x2=-根号3/2+1/2i

还有第三个根

x3=-根号3/2-1/2i

一共三个根

好的 在本单元的最后

我们来介绍一下那些能够

表示成 正系数多项式方程根的那些复数

也就是所谓的代数数

请看定义

algebraic numbers a complex number x

is called algebraic

一个复数x叫做代数数

如果怎么样呢

if it is a solution of a polynomial equation

如果它是某一个多项式方程的根

但是我们要求 all the coefficients

所有的这些系数都是整数

也就是 从a nought a one

a two to a n all in integers

而且我们要求次数n是一个正整数

好 看一个例子吧

比如说 2/3 和 根号2i

我们说这两个(数)都是代数数

为什么呢 因为他们分别是

3x-2=0 和 x2+2=0

这两个方程的根

因此我们说它们都是代数数

那是不是所有的复数都是代数数呢

这也不见得

我们还有另外一个概念

就是相对于代数数而言的

这就是所谓的 超越数

transcendental numbers

a number is called transcendental

一个复数叫做超越数

如果它不能表达成任何一个

整系数多项式的根

好 我们看个例子

比如兀和e都是超越数

我们知道兀和e都是无理数

但是它们是超越数这件事情

是比它们是无理数这件事情

更难证明的数学事实

这门课我们不可能涉及这方面的内容

感兴趣的同学可以自己去

找一些相关材料来阅读一下

同学们 以上就是第一章的全部内容

在这一章中我们复习了

很多中学的数学知识

而且学习了很多英文术语

另外我们引入了诸如

邻域 开集 聚点 闭集

确界 完备性等等 这样一些

比较抽象的内容

应该说通过本章的学习

我们为微积分的学习

打下了比较好的基础

还是希望同学们在课后

把本章 的内容仔细梳理一下

为下一章的学习打好基础

好的 我们下一章再见

微积分-1课程列表:

Chapter 1 Numbers and Sets 数域与集合 (first part)

-Unit 1 Review of Real Numbers (回顾实数)

--Review of Real Numbers (回顾实数)

--Exercise1-1

-Unit 2 Exponentiations, Logarithms and Sets (指数、对数与集合)

--Exponentiations, Logarithms and Sets (指数、对数与集合)

--Exercise 1-2

-Unit 3 Limit Points, Open and Closed Sets (聚点、开集与闭集)

--Limit Points, Open and Closed Sets (聚点、开集与闭集)

--Exercise-1-3

Chapter 1 Numbers and Sets 数域与集合 (second part)

-Unit 4 Bounds and Completeness (有界性与完备性)

--Bounds and Completeness (有界性与完备性)

--Exercises-1-4

-Unit 5 Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)

--Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)

--Exercise-1-5

-章节测验1

--章节测试1

Chapter 2 Sequence 数列 (first part)

-Unit 1 Limit of a Sequence (数列的极限)

--Limit of a Sequence (数列的极限)

--Exercises-2-1

-Unit 2 Theorems on Limits of Sequences (数列极限定理)

--Theorems on Limits of Sequences (数列极限定理)

--Exercises-2-2

-Unit 3 Infinity and Bounded Monotone Sequences (无穷大和单调有界数列)

--Infinity and Bounded Monotone Sequences (无穷大和单调有界数列)

--Exercises-2-3

Chapter 2 Sequence 数列 (second part)

-Unit 4 Limit Superior and Limit Inferior (上极限和下极限)

--Limit Superior and Limit Inferior (上极限和下极限)

--Exercises-2-4

-Unit 5 Nested Intervals Theorem and Cauchy’s Convergence Criterion (区间套定理和柯西收敛准则)

--Nested Intervals Theorem and Cauchy’s Convergence Criterion (区间套定理和柯西收敛准则)

--Exercises-2-5

-章节测验2

--章节测试2

Chapter 3 Functions, Limits and Continuity 函数,极限与连续性(first part)

-Unit 1 Functions and Graphs (函数与图像)

--Functions and Graphs (函数与图像)

--Exercises-3-1

-Unit 2 Algebraic Function,Transcendental Functions and Inverse Trigonometric Functions (代数函数,超越函数与反三

-- Algebraic Function,Transcendental Functions and Inverse Trigonometric Functions(代数函数,超越函数与反三角函数)

--Exercises-3-2

-Unit 3 Hyperbolic Functions and Inverse Hyperbolic Functions (双曲函数与反双曲函数)

--Hyperbolic Functions and Inverse Hyperbolic Functions(双曲函数与反双曲函数)

--Exercises-3-3

-Unit 4 Maximum and Minimum, Increasing and Decreasing (极大值与极小值,单调增与单调减)

--Maximum and Minimum, Increasing and Decreasing (极大值与极小值,单调增与单调减)

--Exercises-3-4

Chapter 3 Functions, Limits and Continuity 函数,极限与连续性(second part)

-Unit 5 Limits of Functions (函数的极限)

--Limits of Functions(函数的极限)

--Exercises-3-5

-Unit 6 Infinity (无穷)

--Infinity (无穷)

--Exercises-3-6

-Unit 7 Theorems on Limits and Special Limits (极限相关定理与特殊极限)

--Theorems on Limits and Special Limits (极限相关定理与特殊极限)

--Exercises-3-7

Chapter 3 Functions, Limits and Continuity 函数,极限与连续性 (last part)

-Unit 8 Continuities (连续性)

--Continuity (连续性)

--Exercises-3-8

-Unit 9 Theorems on Continuity (关于连续性的定理)

--Theorems on Continuity (关于连续性的定理)

--Exercises-3-9

-Unit 10 Piecewise Continuity, Uniform Continuity, and Discontinuities (分段连续性, 一致连续性与不连续性)

--Piecewise Continuity, Uniform Continuity, and Discontinuities (分段连续性, 一致连续性与不连续性)

--Exercises-3-10

-Unit 11 Infinitesimals and Bounded Quantities (无穷小量与有界量)

--Infinitesimals and Bounded Quantities (无穷小量与有界量)

--Exercises-3-11

-章节测验3

--章节测试 3

Chapter 4 Derivatives 导数 (first part)

-Unit 1 Basics of Derivatives (导数基本定义)

--Basics of Derivatives (导数的基本定义)

--Exercise-4-1

-Unit 2 Differentiability on Intervals, Piecewise Differentiability and Differentials (区间上的可微性,逐段可微性与

--Differentiability on Intervals, Piecewise Differentiability and Differentials (区间上的可微性,逐段可微性与微分)

--Exercise-4-2

-Unit 3 Basic Methods of Differentiation (基本求导方法)

--Basic Methods of Differentiation (基本求导方法)

--Exercise-4-3

Chapter 4 Derivatives 导数 (second part)

-Unit 4 Derivatives of Commonly Used Functions (常见函数求导)

--Derivatives of Commonly Used Functions (常见函数求导)

--Exercise-4-4

-Unit 5 Higher Order Derivatives and Mean Value Theorem (高阶导数与中值定理)

--Higher Order Derivatives and Mean Value Theorem (高阶导数与中值定理)

--Exercise-4-5

-Unit 6 L'Hospital's Rules (洛必达法则)

-- L'Hospital's Rules (洛必达法则)

--Exercise-4-6

Chapter 4 Derivatives 导数 (last part)

-Unit 7 The First and Second Derivative Tests (导数判别法)

--The First and Second Derivative Tests (导数判别法)

-Unit 8 The Taylor Formula (泰勒公式)

--The Taylor Formula (泰勒公式)

--Exercise-4-8

-章节测验 4

--章节测试4

Chapter 5 Integrals 积分(first part)

-Unit 1 Definite Integrals and Numerical Methods (定积分与数值方法)

-- Definite Integrals and Numerical Methods (定积分与数值方法)

- Exercise 5-1

-Unit 2 Properties of the Definite Integrals and the Fundamental Theorem of Calculus (定积分的性质与微积分基本定理)

--Properties of the Definite Integrals and the Fundamental Theorem of Calculus (定积分的性质与微积分基本定理)

--Exercise-5-2

-Unit 3 Integrals of Elementary Functions and Integration by Substitution (初等函数的积分,换元法)

--Integrals of Elementary Functions and Integration by Substitution (初等函数的积分,换元法)

--Exercise-5-3

-Unit 4 Integration by Parts and Special Techniques(分部积分法与特殊技巧)

--Integration by Parts and Special Techniques(分部积分法与特殊技巧)

--Exercise-5-4

Chapter 5 Integrals 积分(second part)

-Unit 5 Integrations of Rational Fractions and Trigonometrical Rational Functions(有理分式函数与三角有理函数的积分)

-- Integrations of Rational Fractions and Trigonometrical Rational Functions(有理分式函数与三角有理函数的积分)

--Exercise-5-5

-Unit 6 Arc Length(弧长)

--Arc Length(弧长)

--Exercise-5-6

-Unit 7 Areas and Volumes(面积与体积)

--Areas and Volumes(面积与体积)

--Exercise-5-7

-章节测验5

--章节测试5

课程讲义

-课程讲义

Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)笔记与讨论

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