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复数

引入

???+ note "注" 下面的引入方法来自人教版高中数学 A 版必修二。

从方程的角度看，负实数能不能开平方，就是方程 $x^2+a=0 (a>0)$ 有没有解，进而可以归结为方程 $x^2+1=0$ 有没有解。

回顾已有的数集扩充过程，可以看到，每次扩充都与实际需求密切相关。例如，为了解决正方形对角线的度量，以及 $x^2-2=0$ 这样的方程在有理数集中无解的问题，人们把有理数集扩充到了实数集。数集扩充后，在实数集中规定的加法运算、乘法运算，与原来在有理数集中规定的加法运算、乘法运算协调一致，并且加法和乘法都满足交换律和结合律，乘法对加法满足分配律。

依照这种思想，为了解决 $x^2+1=0$ 这样的方程在实数系中无解的问题，我们设想引入一个新数 $\mathrm{i}$，使得 $x=\mathrm{i}$ 是方程 $x^2+1=0$ 的解，即使得 $\mathrm{i}^2=-1$。

思考：把新引进的数 $\mathrm{i}$ 添加到实数集中，我们希望数 $\mathrm{i}$ 和实数之间仍然能像实数那样进行加法和乘法运算，并希望加法和乘法都满足交换律、结合律，以及乘法对加法满足分配律。那么，实数系经过扩充后，得到的新数系由哪些数组成呢？

依照以上设想，把实数 $b$ 与 $\mathrm{i}$ 相乘，结果记作 $b\mathrm{i}$；把实数 $a$ 与 $b\mathrm{i}$ 相加，结果记作 $a+b\mathrm{i}$。注意到所有实数以及 $\mathrm{i}$ 都可以写成 $a+b\mathrm{i}(a,b\in \mathbf{R})$ 的形式，从而这些数都在扩充后的新数集中。

定义

我们定义形如 $a+b\mathrm{i}$，其中 $a,b\in \mathbf{R}$ 的数叫做 复数，其中 $\mathrm{i}$ 被称为 虚数单位，全体复数的集合叫做 复数集，记作 $\mathbf{C}$。

复数通常用 $z$ 表示，即 $z=a+b\mathrm{i}$。这种形式被称为 复数的代数形式。其中 $a$ 称为复数 $z$ 的 实部，记作 $\operatorname{Re}(z)$，$b$ 称为复数 $z$ 的 虚部，记作 $\operatorname{Im}(z)$。如无特殊说明，都有 $a,b\in \mathbf{R}$。

对于一个复数 $z$，当且仅当 $b=0$ 时，它是实数，当 $b\not = 0$ 时，它是虚数，当 $a=0$ 且 $b\not = 0$ 时，它是纯虚数。

纯虚数，虚数，实数，复数的关系如下图所示。

性质与运算

几何意义

我们知道了 $a+b\mathrm{i}$ 这样类似的形式的数被称为复数，并且给出了定义和分类，我们还可以挖掘一下更深层的性质。

我们把所有实数都放在了数轴上，并且发现数轴上的点与实数一一对应。我们考虑对复数也这样处理。

首先我们定义 复数相等：两个复数 $z_1=a+b\mathrm{i},z_2=c+d\mathrm{i}$ 是相等的，当且仅当 $a=c$ 且 $b=d$。

这么定义是十分自然的，在此不做过多解释。

也就是说，我们可以用唯一的有序实数对 $(a,b)$ 表示一个复数 $z=a+b\mathrm{i}$。这样，联想到平面直角坐标系，我们可以发现 复数集与平面直角坐标系中的点集一一对应。好了，我们找到了复数的一种几何意义。

那么这个平面直角坐标系就不再一般，因为平面直角坐标系中的点具有了特殊意义——表示一个复数，所以我们把这样的平面直角坐标系称为 复平面，$x$ 轴称为 实轴，$y$ 轴称为 虚轴。我们进一步地说：复数集与复平面内所有的点所构成的集合是一一对应的。

我们考虑到学过的平面向量的知识，发现向量的坐标表示也是一个有序实数对 $(a,b)$，显然，复数 $z=a+b\mathrm{i}$ 对应复平面内的点 $Z(a,b)$，那么它还对应平面向量 $\overrightarrow{OZ}=(a,b)$，于是我们又找到了复数的另一种几何意义：复数集与复平面内的向量所构成的集合是一一对应的（实数 $0$ 与零向量对应）。

于是，我们由向量的知识迁移到复数上来，定义 复数的模 就是复数所对应的向量的模。复数 $z=a+b\mathrm{i}$ 的模 $|z|=\sqrt{a^2+b^2}$。

于是为了方便，我们常把复数 $z=a+b\mathrm{i}$ 称为点 $Z$ 或向量 $\overrightarrow {OZ}$，并规定相等的向量表示同一个复数。

并且由向量的知识我们发现，虚数不可以比较大小（但是实数是可以的）。

加法与减法

对复数 $z_1=a+b\mathrm{i},z_2=c+d\mathrm{i}$，定义加法规则如下：

$$ z_1+z_2=(a+c)+(b+d)\mathrm{i} $$

很明显，两个复数的和仍为复数。

考虑到向量的加法运算，我们发现复数的加法运算符合向量的加法运算法则，这同样证明了复数的几何意义的正确性。

同样可以验证，复数的加法满足 交换律 和 结合律。即：

$$ \begin{aligned} z_1+z_2&=z_2+z_1\\ (z_1+z_2)+z_3&=z_1+(z_2+z_3) \end{aligned} $$

减法作为加法的逆运算，我们可以通过加法法则与复数相等的定义来推导出减法法则：

$$ z_1-z_2=(a-c)+(b-d)\mathrm{i} $$

这同样符合向量的减法运算。

乘法、除法与共轭

对复数 $z_1=a+b\mathrm{i},z_2=c+d\mathrm{i}$，定义乘法规则如下：

$$ \begin{aligned} z_1z_2&=(a+b\mathrm{i})(c+d\mathrm{i})\\ &=ac+bc\mathrm{i}+ad\mathrm{i}+bd\mathrm{i}^2\\ &=(ac-bd)+(bc+ad)\mathrm{i} \end{aligned} $$

可以看出，两个复数相乘类似于两个多项式相乘，只需要把 $\mathrm{i}^2$ 换成 $-1$，并将实部与虚部分别合并即可。

复数的乘法与向量的向量积形式类似。

易得复数乘法满足 交换律，结合律 和 对加法的分配律，即：

• $z_1z_2=z_2z_1$
• $(z_1z_2)z_3=z_1(z_2z_3)$
• $z_1(z_2+z_3)=z_1z_2+z_1z_3$

由于满足运算律，我们可以发现实数域中的 乘法公式在复数域中同样适用。

除法运算是乘法运算的逆运算，我们可以推导一下：

$$ \begin{aligned} \frac{a+b\mathrm{i}}{c+d\mathrm{i}}&=\frac{(a+b\mathrm{i})(c-d\mathrm{i})}{(c+d\mathrm{i})(c-d\mathrm{i})}\\ &=\frac{ac+bd}{c^2+d^2}+\frac{bc-ad}{c^2+d^2}\mathrm{i} &(c+d\mathrm{i}\not =0) \end{aligned} $$

由于向量没有除法，这里不讨论与向量的关系。

为了分母实数化，我们乘了一个 $c-d\mathrm{i}$，这个式子很有意义。

对复数 $z=a+b\mathrm{i}$，称 $a-b\mathrm{i}$ 为 $z$ 的 共轭复数，通常记为 $\bar z$。我们可以发现，若两个复数互为共轭复数，那么它们 关于实轴对称。

对复数 $z,w$，复数共轭有如下性质

• $z\cdot\bar{z}=|z|^2$
• $\overline{\overline{z}}=z$
• $\operatorname{Re}(z)=\dfrac{z+\bar{z}}{2}$，$\operatorname{Im}(z)=\dfrac{z-\bar{z}}{2}$
• $\overline{z\pm w}=\bar{z}\pm\bar{w}$
• $\overline{zw}=\bar{z}\bar{w}$
• $\overline{z/w}=\bar{z}/\bar{w}$

辐角和辐角主值

如果设定实数单位 $1$ 作为水平正方向，虚数单位 $\mathrm{i}$ 作为竖直正方向，得到的就是直角坐标视角下的复平面。

表示复数 $z$ 的位置，也可以借助于极坐标 $(r, \theta)$ 确定。前文已经提到了 $r$ 为复数 $z$ 的模。

从实轴正向到 非零 复数 $z=x+\mathrm{i}y$ 对应向量的夹角 $\theta$ 满足关系：

$$ \tan \theta=\frac{y}{x} $$

称为复数 $z$ 的 辐角，记为：

$$ \theta= \operatorname{Arg} z $$

任一个 非零 复数 $z$ 有无穷多个辐角，故 $\operatorname{Arg} z$ 事实上是一个集合。借助开头小写的 $\operatorname{arg} z$ 表示 其中一个特定值，满足条件：

$$ -\pi<\operatorname{arg} z \le \pi $$

称 $\operatorname{arg} z$ 为 辐角主值 或 主辐角。辐角就是辐角主值基础上加若干整数个（可以为零或负整数）$2k\pi$，即 $\operatorname{Arg} z = {\operatorname{arg} z + 2k\pi \mid k\in \mathbf Z}$。

需要注意的是两个辐角主值相加后不一定还是辐角主值，而两个辐角相加一定还是合法的辐角。

称模小于 $1$ 的复数，在复平面上构成的图形为 单位圆。称模等于 $1$ 的复数为 单位复数，全体单位复数在复平面上构成的图形为 单位圆周。在不引起混淆的情况下，有时单位圆周也简称单位圆。

在极坐标的视角下，复数的乘除法变得很简单。复数乘法，模相乘，辐角相加。复数除法，模相除，辐角相减。

欧拉公式

???+ note "欧拉公式（Euler's formula）¹" 对任意实数 $x$，有

$$
\mathrm{e}^{\mathrm{i}x}=\cos x+\mathrm{i}\sin x
$$

在补充 [复指数函数与复三角函数](#指数函数与三角函数) 的定义后，该公式可推广至全体复数。

指数函数与三角函数

对于复数 $z=x+\mathrm{i}y$，函数 $f(z)=\mathrm{e}^x(\cos y+\mathrm{i}\sin y)$ 满足 $f(z_1+z_2)=f(z_1)f(z_2)$。由此给出 复指数函数 的定义：

$$ \operatorname{exp} z=\mathrm{e}^x(\cos y+\mathrm{i}\sin y) $$

复指数函数在实数集上与实指数函数的定义完全一致。在复平面上拥有性质：

• 模恒正：$|\operatorname{exp} z|=\operatorname{exp} x>0$。
• 辐角主值：$\operatorname{arg} \operatorname{exp} z=y$。
• 加法定理：$\operatorname{exp} (z_1+z_2)=\operatorname{exp} (z_1)\operatorname{exp} (z_2)$。
• 周期性：$\operatorname{exp} z$ 是以 $2\pi \mathrm{i}$ 为基本周期的周期函数。如果一个函数 $f(z)$ 的周期是某一周期的整倍数，称该周期为 基本周期。

复三角函数（也简称 三角函数）的定义如下：

$$ \cos z=\frac{\operatorname{exp} (\mathrm{i}z)+\operatorname{exp} (-\mathrm{i}z)}{2} $$

$$ \sin z=\frac{\operatorname{exp} (\mathrm{i}z)-\operatorname{exp} (-\mathrm{i}z)}{2\mathrm{i}} $$

若取 $z\in\mathbf{R}$，则由 欧拉公式 有：

$$ \cos z=\operatorname{Re}\left(\mathrm{e}^{\mathrm{i}z}\right) $$

$$ \sin z=\operatorname{Im}\left(\mathrm{e}^{\mathrm{i}z}\right) $$

复三角函数在实数集上与实三角函数的定义完全一致。在复平面上拥有性质：

• 奇偶性：正弦函数是奇函数，余弦函数是偶函数。
• 三角恒等式：通常的三角恒等式都成立，例如平方和为 $1$，或者角的和差公式等。
• 周期性：正弦与余弦函数以 $2\pi$ 为基本周期。
• 零点：实正弦与实余弦函数的全体零点，构成了复正弦与复余弦函数的全体零点。这个推广没有引进新的零点。
• 模的无界性：复正弦与复余弦函数，模长可以大于任意给定的正数，不再像实正弦与实余弦函数一样被限制在 $1$ 的范围内。

复数的三种形式

借助直角坐标系的视角以及极坐标系的视角，可以写出复数的三种形式。

复数的 代数形式 用于表示任意复数。

$$ z=x+y\mathrm{i} $$

代数形式用于计算复数的加减乘除四个运算比较方便。

复数的 三角形式 和 指数形式，用于表示非零复数。

$$ z=r(\cos \theta +\mathrm{i}\sin \theta)=r \operatorname{exp} (\mathrm{i}\theta) $$

这两种形式用于计算复数的乘除两个运算以及后面的运算较为方便。如果只用高中见过的函数，可以使用三角形式。如果引入了复指数函数，写成等价的指数形式会更加方便。

单位根

称 $x^n=1$ 在复数意义下的解是 $n$ 次复根。显然，这样的解有 $n$ 个，称这 $n$ 个解都是 $n$ 次 单位根 或 单位复根（the $n$-th root of unity）。根据复平面的知识，$n$ 次单位根把单位圆 $n$ 等分。

设 $\omega_n=\operatorname{exp} \frac{2\pi \mathrm{i}}{n}$（即幅角为 $2\frac \pi n$ 的单位复数），则 $x^n=1$ 的解集表示为 ${\omega_n^k\mid k=0,1\cdots,n-1}$。

如果不加说明，一般叙述的 $n$ 次单位根，是指从 $1$ 开始逆时针方向的第一个解，即上述 $\omega_n$，其它解均可以用 $\omega_n$ 的幂表示。

性质

单位根有三个重要的性质。对于任意正整数 $n$ 和整数 $k$：

$$ \begin{aligned} \omega_n^n&=1\\ \omega_n^k&=\omega_{2n}^{2k}\\ \omega_{2n}^{k+n}&=-\omega_{2n}^k\\ \end{aligned} $$

推导留给读者自证。这三个性质在快速傅里叶变换中会得到应用。

本原单位根

为什么说，上述 $n$ 个解都是 $n$ 次单位根，而平时说的 $n$ 次单位根一般特指第一个？

特指第一个，是为了在应用时方便。

在解方程的视角看来，满足 $\omega_n$ 性质的不止 $\omega_n$ 一个，对于 $\omega_n$ 的若干次幂也会满足性质。

称集合：

$$ {\omega_n^k\mid 0\le k<n, \gcd(n,k)=1} $$

中的元素为 本原单位根。任意一个本原单位根 $\omega$，与上述 $\omega_n$ 具有相同的性质：对于任意的 $0&lt;k&lt;n$，$\omega$ 的 $k$ 次幂不为 $1$。因此，借助任意一个本原单位根，都可以生成全体单位根。

全体 $n$ 次本原单位根共有 $\varphi(n)$ 个。

编程语言中的复数

C 中的复数

在 C99 标准中，有 <complex.h> 头文件。

在 <complex.h> 头文件中，提供了 double complex、float complex 和 long double complex 三种类型。

算术运算符'+'、'-'、'*'和'/'，可以用于浮点数和复数的任意混合。当表达式两端有一个为复数时，计算结果为复数。

头文件 <complex.h> 提供了虚数单位 I，引入此头文件时，大写字母 I 不可以作为变量名使用。

对于单个复数，<complex.h> 提供了若干操作：creal 函数用于提取实部，cimag 函数用于提取虚部，cabs 函数用于计算模，carg 函数用于计算辐角主值。

所有的函数根据类型不同，都有三个。例如 creal 函数有 creal、crealf、creall 三个，用于处理对应的 double、float 和 long double 三种类型。末尾什么都不带的默认处理 double 类型。以下所有函数均遵从此规律，不再特别说明。

这些函数返回值都是一般的浮点数。可以将普通浮点数直接赋值给复数，但是不可以将复数直接赋值给浮点数，而是需要使用上述提取操作。

函数 conj 用于计算共轭复数，返回值是复数。

函数 cexp 计算复指数，clog 计算对数主值，csin 计算正弦，ccos 计算余弦，ctan 计算正切。

函数 cpow 计算幂函数，csqrt 计算平方根，casin 计算反正弦，cacos 计算反余弦，ctan 计算反正切。这部分函数计算的全部都是多值函数的主值。

C++ 中的复数

在 C 里面的 <ctype.h>，到 C++ 会变成 <cctype>，几乎所有的头文件遵从这个命名规律。

但是，<complex.h> 不遵守，C++ 没有 <ccomplex> 头文件。C++ 的复数直接是 <complex>，并且装的东西和 C 完全不一样。

很有趣。这是因为，在 C++ 的第一个版本 C++98，即已经有了 <complex>，而 C 语言在 C99 才添加。

在 C++ 中，复数类型定义使用 complex<float>、complex<double> 和 complex<long double>。由于面向对象的多态性，下面函数的名字都是唯一的，无需 f 或 l 的后缀。

一个复数对象拥有成员函数 real 和 imag，可以访问实部和虚部。

一个复数对象拥有非成员函数 real、imag、abs、arg，返回实部、虚部、模和辐角。

一个复数对象还拥有非成员函数：norm 为模的平方，conj 为共轭复数。

一个复数对象还拥有非成员函数 exp、log（底为 $\mathrm{e}$ 的对数主值）、log10（底为 10 的对数主值，C 中没有）、pow、sqrt、sin、cos、tan，含义与 C 中的含义相同。

在 C++14 及以后的版本中，定义了 字面量运算符 std::literals::complex_literals::""if, ""i, ""il。例如输入 100if、100i 和 100il，三者将分别返回 std::complex<float>{0.0f, 100.0f}、std::complex<double>{0.0, 100.0} 以及 std::complex<long double>{0.0l, 100.0l}。这使得我们可以方便地书写形如 auto z = 4 + 3i 的复数声明。

参考资料与链接

• Complex number - Wikipedia
• Euler's formula - Wikipedia
• Complex number arithmetic - cppreference.com
• std::complex - cppreference.com

Footnotes

1. 有关欧拉公式的更多介绍，可以参考两个视频：欧拉公式与初等群论、微分方程概论 - 第五章：在 3.14 分钟内理解 $\mathrm{e}^{\mathrm{i}\pi}$。 ↩