别怕,虚数i不是鬼!手把手带你搞定复数的加减乘除

别怕,虚数i不是鬼!手把手带你搞定复数的加减乘除

在开始我们的冒险之前,得先认识一下我们的主角——复数。它的标准形象是 `z = a + bi`。

  • `a` 是实部,就是我们从小就打交道的老朋友,比如1, 2, 3, -5, π这些。
  • `b` 是虚部,是`i`的系数。
  • `i` 就是虚数单位,它有个独门绝技,也是我们贯穿全文的“武功秘籍”:`i² = -1`。请务必牢记,这是所有运算的核心!
  • 好了,装备介绍完毕,我们正式出发!

    ## 第一关:加减法(堪称新手福利)

    复数的加减法,简单到超乎你想象。它的核心原则就是:“同类项合并”——实部跟实部玩,虚部跟虚部玩,谁也别串门。

    1. 加法:

    想象一下,你有两个包裹,一个里面装着 `a` 个苹果和 `b` 个香蕉(i),另一个装着 `c` 个苹果和 `d` 个香蕉(i)。要把它们放一起,你自然会把苹果和苹果归拢,香蕉和香蕉归拢。

    公式长这样:`(a + bi) + (c + di) = (a + c) + (b + d)i`

    举个栗子:计算 `(3 + 4i) + (5 - 2i)`

    我们把实部(3和5)加起来,虚部(4和-2)加起来:

    `(3 + 5) + (4 + (-2))i = 8 + 2i`

    是不是so easy?

    2. 减法:

    减法同理,也是各回各家,各找各妈。

    公式长这样:`(a + bi) - (c + di) = (a - c) + (b - d)i`

    再举个栗子:计算 `(7 + 6i) - (3 + 8i)`

    实部相减,虚部相减:

    `(7 - 3) + (6 - 8)i = 4 - 2i`

    恭喜你,已经轻松掌握了50%的复数运算!

    ## 第二关:乘法(稍微需要动动脑筋)

    乘法比加减法多了一个步骤,但只要你还记得初中学的多项式乘法((x+y)(m+n)那种),那就完全没问题。

    公式推导:`(a + bi) * (c + di)`

    我们像展开多项式一样,用“头乘头,头乘尾,尾乘头,尾乘尾”的口诀:

    `ac + a*(di) + (bi)*c + (bi)(di)`

    `= ac + adi + bci + bdi²`

    关键时刻到了!我们的武功秘籍 `i² = -1` 登场!把 `bdi²` 替换成 `-bd`。

    `= ac + adi + bci - bd`

    最后,我们再把实部(没有i的)和虚部(有i的)合并:

    `= (ac - bd) + (ad + bc)i`

    看起来有点复杂?别怕,我们上实例:计算 `(2 + 3i) * (4 + 5i)`

    `= 24 + 2*5i + 3i*4 + 3i5i`

    `= 8 + 10i + 12i + 15i²` (祭出秘籍 `i² = -1`)

    `= 8 + 22i + 15*(-1)`

    `= 8 + 22i - 15`

    `= -7 + 22i`

    看到没?只要胆大心细,记住 `i² = -1` 这个大招,乘法就是纸老虎。

    ## 第三关:除法(终极Boss,但我们有外挂)

    除法是四则运算里看起来最“面目可憎”的一个,主要是因为分母里有个 `i`,让整个式子看起来很不清爽。我们的目标就是:消灭分母里的`i`!

    怎么消灭?我们需要一个叫做“共轭复数”的神奇道具。一个复数 `z = a + bi` 的共轭复数就是 `a - bi`(写做 `z̅`),简单说就是把虚部的符号反过来。

    它神奇在哪?一个复数和它的共轭复数相乘,结果必然是一个实数!

    不信你看:`(a + bi)(a - bi) = a² - (bi)² = a² - b²i² = a² - b²(-1) = a² + b²`。看,`i` 消失了!

    这就是我们的“外挂”。做除法 `(a + bi) / (c + di)` 时,我们只需要把分子和分母同时乘以分母的共轭复数 `(c - di)`。

    上终极栗子:计算 `(3 + i) / (2 - 3i)`

    1. 找到分母 `(2 - 3i)` 的共轭复数,是 `(2 + 3i)`。

    2. 分子分母同时乘以它:

    `[(3 + i) (2 + 3i)] / [(2 - 3i) (2 + 3i)]`

    3. 分别计算分子和分母:

    * 分子(用我们刚学的乘法):

    `(3 + i) (2 + 3i) = 3*2 + 3*3i + i*2 + i3i = 6 + 9i + 2i + 3i² = 6 + 11i - 3 = 3 + 11i`

    * 分母(直接用 `a² + b²` 的快捷方式):

    `2² + (-3)² = 4 + 9 = 13`

    4. 合体!得到结果:

    `(3 + 11i) / 13`

    为了好看,我们把它写成标准形式:`3/13 + (11/13)i`

    至此,终极Boss也被我们轻松击败!回顾一下,加减靠合并,乘法靠展开和 `i²=-1`,除法靠共轭复数这个“外挂”。怎么样,复数的四则运算是不是比想象中简单多了?

    标签:复数,虚数,四则运算,加减乘除,共轭复数,数学,i

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