1.1 复数|数学物理方法

数学物理方法 · 1.1 复数
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第一章 / 1.1

复数

教材3—15页

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01 一个复数为什么带着两个实数

写成 ,其中 都是实数,。 是实部, 是虚部。虚部是 ,不是 。 例如 的虚部是 。

复数相等,要同时比较实部与虚部:

所以一个复方程往往相当于两个实方程。这是以后从复数等式推出柯西—黎曼方程的基础。

实数就是虚部为零的复数;纯虚数通常要求实部为零、虚部不为零。零单独对待。复数之间没有与实数一样、同时兼容加法和乘法的大小次序,因而题里不要写 ;可以写 、。

做题怎么用 题目要求“求实部、虚部”时,目标是整理成 ,并确认 是实数。复数作分母时,先做下一单元的有理化。

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02 四则运算:乘法展开,除法乘共轭

加减按同类项合并。乘法按多项式展开,再用 :

共轭是 。关键原因是

因此 时

这不是新技巧的堆积,而是把复分母换成正实数。

完整例题 计算 。

分子实部是 ,虚部是 。算完可乘回去检查:。

必须熟练 按四项循环;;分母不能为零。交换律、结合律和分配律照常使用,第一轮无需重新背它们的证明。

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03 共轭为什么能把“实数条件”变成方程

记住三条:

一个数 是实数,当且仅当 。它是纯虚数的条件为 且 。遇到“证明某复数式为实数”,这比直接拆分实虚部经常更省力。

跟着教材例1走一遍 设 、。问 何时是实数?

先把“实数”改成 ,再交叉相乘:

因为虚部不为零,第一因子不为零,故必须有 。反过来代入也成立,因此这是充要条件。这里 是为了保证原式有意义,不能在消分母后忘掉。

实系数多项式为什么有共轭根 若 的系数全为实数,则 。所以 推出 。这是教材例3的全部主线;限制是“实系数”,复系数一般没有此性质。

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04 模不等式:以后估计积分和级数的工具

模是长度, 是两点间距离。最常用的是

第一条说直线距离不超过折线长度;第二条说两条边长的差不超过第三边。还有

证明看懂哪一步就够 展开

根本工具是 。反三角不等式则把 代入第一条,再交换 。

做题的方向感 要给分子上界,用三角不等式;要证明分母远离零,用反三角不等式。例如 时

这是第三章“长大不等式”里找上界的基本动作。

教材第11页的等号表述要细分 对非零 , 要求同向;而 也要求同向。若换成 ,就应是反向。先看中间到底是加号还是减号,不能笼统说“三点共线就都取等号”。

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05 把复数放到平面上:模、辐角和主值

对应点 ,也对应原点指向该点的向量。非零复数可写成

角度加上 不改变这个点。沿用本书记号: 表示全部辐角, 表示区间 中的主值。

求辐角的可靠顺序 先定位象限,再找参考角,最后调整到指定主值区间。例如 在第三象限,主辐角是 ,不是 ;全部辐角是 。 本身不能辨认象限。 没有辐角。

图 1-1 复平面中的点、共轭与模
ReIm0z共轭 z实部 → 横坐标虚部 → 纵坐标模 → 原点距离辐角 → 向量方向共轭关于实轴反射;同一个点的辐角可相差2π。

当前点 (2, 1),模 2.236,主辐角 0.148π

为什么讲指数形式 加减适合 ;乘除、乘方、开方适合 。换形式是为了减少计算,不是为了把一个答案写三遍。

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06 乘一个复数,就是旋转并缩放

设 、,则

乘 ,逆时针转 ,长度不变。乘 ,先转 ,再把长度乘2。共轭则关于实轴反射。

注意主值 角度相加得到的是一个辐角,未必已经是主辐角。例如两个辐角均为 的数相乘,角度和为 ,但主值应为 。

完整例题 求 。先写 ,再得

这比连续展开八次清楚得多。反过来,计算 时就不要转成极坐标。

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07 方根:先列一般式,再数够全部答案

求 ,写 、。比较模和角:,。所以

这 个根互不相同,均匀分布在半径 的圆上。 再增加 就重复。 只有根0,重数为 。

图 1-2 方根均匀排列在同一个圆上
ReIm0k=0k=1k=2共有 3 个不同根每个根的模为2相邻夹角 2π/3先加2kπ,再除以n;只写一个根不能回答“全部值”。

w³=-8;k 从0到2

教材例8的逐步计算 ,模为2,角分别为 ,故全部根为

负实数在复数范围内开三次方,不只有实根 。

平方根的代数方法 若 ,则 、、。由此

最后用 配符号,不能把 的正负独立任取成四个根。例如 的全部值为 。

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08 曲线与集合:先把模翻译成距离

常见翻译如下。

复数条件 几何意思 容易漏的地方
圆心 、半径 的圆周
开圆盘 不含圆周
两点连线的垂直平分线 假设
焦点为 的椭圆
从 出发的射线 不含起点

例如教材 的两个焦点是 和 。重点在认出“到两定点的距离之和”,不必先展开根号。若题目真要半轴:长半轴3,焦距一半 ,短半轴 。

距离比的圆 ,先保留 ,再平方:

整理为 。比值为1时则退化为直线 。这类轨迹在第三章两个异号电荷的等势线里会再出现。

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09 代数曲线改写、三角求和和弦距为什么出现

圆的复数方程 把 、、 代入实方程即可。一般式

为实数

可配方成

右端正、零、负分别对应真圆、一个点、空集。 时需另看是否为直线。教材这段是训练“同一对象的两种语言”,做轨迹题时有用。

三角求和的统一招数 用 打包正弦与余弦:

化为半角式后,取实部得到余弦和,取虚部得到正弦和。先熟悉有限等比和,比死背两条长三角式有价值。若 ,回原和式直接算,不能除以零。

教材例4的弦距可第二轮看 它定义

这与下一节把平面放到球面上的距离有关。证明主线是把 拆成与 有关的两项,再用三角不等式及 。最后一条可由两边平方、差为 验证。第一轮普通运算和轨迹题无需背这条弦距公式;保留它,是为了说明无穷远点能和有限点放在同一几何模型里,而不是为了增加一个常考公式。

来源、编排与掌握要求

依据用户提供的严镇军《数学物理方法》扫描本第一章整理;正文印刷页3—19,章末习题20—23。扫描PDF文件页序等于印刷页码加6。按原书节序覆盖各主题,以重新讲解、推导主线和例题说明组织,未逐字复制原文。自编检查题与原书习题分开编号,原书题号可在本章习题路线中查找;本文件不声称是全部原书习题的逐题答案册。

第一轮优先掌握能独立做题所需的概念、步骤和适用条件;背景、证明及拓展均说明用途和暂缓深究的边界。第一章含6道自编检查题及完整解析。公式与SVG内嵌,可离线阅读;屏幕答案默认折叠,打印时自动展开。整理日期:2026年10月15日。