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复数法在中学数学中的应用
數學傳播 卷 期
複數法在中學數學中的應用
葉文傑
摘要: 複數法是 中學數學解題方法中很重要的方法之一, 因為複數具有向量性質, 極
坐標形式 , 指數形式等 多種表示方法, 而這些表示形式, 處理某些代數 , 幾何問題, 有
其獨特的優勢 , 我們以新的視角、 新的途徑溝通 了複數與三角, 幾何 , 數論等 內容之
間的聯繫, 若能在解題時根據 問題的特點, 巧妙地運 用複數的方法 , 會使問題變得 簡
潔明了。
關鍵詞: 一般形式, 極坐標形式 , 指數形式; 複數法 , 三角, 幾何 , 高斯整數。
引言
複數法是中學數學解題方法中很重要的方法之一, 因為複數具有向量性質, 極坐標形式, 指
數形式等多種表示方法, 而這些表示形式, 處理某些代數, 幾何問題, 有其獨特的優勢, 我們以
新的視角、 新的途徑溝通了複數與三角, 幾何, 數論等內容之間的聯繫, 若能在解題時根據問題
的特點, 巧妙地運用複數的方法, 會使問題變得簡潔明了。
複數的歷史及其相關概念
2.1. 複數的歷史
最早有關負數方根的文獻出於公元 1世紀希臘數學家海倫, 他考慮的是平頂金字塔不可能
問題。 16世紀意大利數學家 (塔塔利亞和卡爾達諾) 得出一元三次和四次方程式的根的表達式,
並發現即使只考慮實數根, 仍不可避免面對負數方根。 17世紀笛卡兒稱負數方根為虛數, 「子虛
烏有的數」, 表達對此的無奈和不忿。 18世紀初棣莫弗及歐拉大力推動複數的接受。 1730年, 棣
莫弗提出棣莫弗公式:
(cos θ + i sin θ)n = cos nθ + i sin nθ
複數法在中學數學中的應用
而歐拉則在 1748年提出分析學中的歐拉公式:
cos θ + i sin θ = eiθ
十八世紀末, 複數漸漸被大多數人接受, 當時卡斯帕爾·韋塞爾提出複數可看作平面上的一
點。 數年後, 高斯再提出此觀點並大力推廣, 複數的研究開始高速發展。 詫異的是, 早於 1685
年約翰·沃利斯已經在 De Algebra tractatus 提出此一觀點。
卡斯帕爾·韋塞爾的文章發表在 1799 年的 Proceedings of the Copenhagen Academy
上, 以當今標準來看, 也是相當清楚和完備。 他又考慮球體, 得出四元數並以此提出完備的球面
三角學理論。 1804 年, Abb´e Bu´ee 亦獨立地提出與沃利斯相似的觀點, 即以±√−1來表示平
面上與實數軸垂直的單位線段。 1806年, Bu´ee 的文章正式刊出, 同年讓-羅貝爾·阿爾岡亦發表
同類文章, 而阿岡的複數平面成了標準。 1831年高斯認為複數不夠普及, 次年他發表了一篇備
忘錄, 奠定複數在數學的地位。 後來因為柯西及阿貝爾的努力, 掃除了複數使用的最後顧忌, 而
後者更是首位以複數研究著名的。
複數吸引了著名數學家的注意, 包括庫默爾 (1844年)、 克羅內克 (1845年)、 Scheffler(1845
年、1851年、1880年)、 Bellavitis(1835 年、1852年)、 喬治·皮庫克 (1845年) 及德·摩根 (1849
年)。 莫比烏斯發表了大量有關複數幾何的短文, 約翰·彼得·狄利克雷將很多實數概念, 例如素
數, 推廣至複數。
費迪南·艾森斯坦研究 a + bj , 其中 j 是 x − 1 = 0 的複根。 其他如 xk − 1 = 0 (k 是
質數) 亦有考慮。 庫默爾的完美數理論, 經由菲利克斯·克萊因 (1893年) 以幾何角度加以簡化。
伽羅華其後提出更一般的推廣, 解決了五次以上多項式的根不能表達問題。
2.2. 複數的模, 共軛, 輻角
2.2.1. 複數的代數形式
儘管可以使用其他表示法, 複數通常寫為如下形式:
a + bi
這裡的 a 和 b 是實數, 而 i 是虛數單位,
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