(1)[unreliablefigure]∶虚假不实的数字(2)[imaginarypart]∶复数中a+bi,b不等于零时bi叫虚数(3)[英文]:imaginarynumber汉语中不表明具体数量的词什么是虚数。在数学里,将平方是负数的数定义为纯虚数。
所有的虚数都是复数。这种数有一个专门的符号“i”(imaginary),它称为虚数单位。定义为i^2=-1。但是虚数是没有算术根这一说的,所以√(-1)=±i。对于z=a+bi,也可以表示为e的iA次方的形式,其中e是常数,i为虚数单位,A为虚数的幅角,即可表示为z=cosA+isinA。
不过在电子等行业中,因为i通常用来表示电流,所以虚数单位用j来表示。虚数没有正负可言。不是实数的复数,即使是纯虚数,也不能比较大小。我们可以在平面直角坐标系中画出虚数系统。如果利用横轴表示全体实数,那么纵轴即可表示虚数。整个平面上每一点对应着一个复数,称为复平面。
横轴和纵轴也改称为实轴和虚轴。“虚数”这个名词是17世纪著名数学家、哲学家笛卡尔创制,因为当时的观念认为这是真实不存在的数字。后来发现虚数可对应平面上的纵轴,与对应平面上横轴的实数同样真实。虚数作用当然很大,学数学深入以后自然会接触的更多。这里只简单说说。
仅就历史上而言,虚数开始的确被认为没什么用(让方程x^2+1=0有根并不是好的理由)。但当发现虚数可以用在解析几何上,方便计算时,虚数就开始发挥作用了。然而这还可以称作只是一种记法上的方便,虚数真正开始不得不被承认,是因为解三次方程的需要。解三次方程时,即使三个根都是实数,但求解过程中却必须用到虚数。
从某种意义上说,早时人们之所以没有发现三次方程的求根公式,不是数学技巧的问题(从现在来看技巧并不是特别高),很大一部分原因是不敢于对负数开方,是观念的问题。所以虚数的承认是必须的。最后要提出一点的是,“虚数”这个词本身就是有一种不好的感情色彩的,事实上从现代数学的观点看它一点也不虚。
好像自然数、实数都是大千世界的某些方面的一种抽象一样,虚数也是这样。所以现代数学对它的通称是不含有这种感情色彩的“复数”,并且在概念上大多是用有序实数对而不是负数开方的方法引入复数的概念的。这样看来复数就更无所谓“虚”了。
什么是虚数,负实数的平方根是虚数吗?
大多数人最为熟悉的数有两种,即正数(+5,
+17.5)和负数(-5,-17.5)。负数是在中世
纪出现的,它用来处理3-5这类问题。从古代人看来,要
从三个苹果中减去五个苹果似乎是不可能的。
但是,中世纪
的商人却已经清楚地认识到欠款的概念。“请你给我五个苹
果,可是我只有三个苹果的钱,这样我还欠你两个苹果的钱。”
这就等于说:(+3)-(+5)=(-2)。
正数及负数可以根据某些严格的规则彼此相乘。
正数乘
正数,其乘积为正。正数乘负数,其乘积为负。最重要的是,
负数乘负数,其乘积为正。
因此,(+1)×(+1)=(+1);
(+1)×(-1)=(-1);
(-1)×(-1)=(+1)。
现在假定我们自问:什么数自乘将会得出+1?或者用
数学语言来说,+1的平方根是多少?
这一问题有两个答案。一个答案是+1,因为(+1)
×(+1)=(+1);另一个答案则是-1,因为(-1)
×(-1)=(+1)。
数学家是用√ ̄(+1)=±1来
表示这一答案的。(碧声注:(+1)在根号下)
现在让我们进一步提出这样一个问题:-1的平方根是
多少?
对于这个问题,我们感到有点为难。
答案不是+1,因
为+1的自乘是+1;答案也不是-1,因为-1的自乘同
样是+1。当然,(+1)×(-1)=(-1),但这是
两个不同的数的相乘,而不是一个数的自乘。
这样,我们可以创造出一个数,并给它一个专门的符号,
譬如说#1,而且给它以如下的定义:#1是自乘时会得出
-1的数,即(#1)×(#1)=(-1)。
当这种想法
刚提出来时,数学家都把这种数称为“虚数”,这只是因为
这种数在他们所习惯的数系中并不存在。实际上,这种数一
点也不比普通的“实数”更为虚幻。这种所谓“虚数”具有
一些严格限定的属性,而且和一般实数一样,也很容易处理。
但是,正因为数学家感到这种数多少有点虚幻,所以给
这种数一个专门的符号“i”(imaginary)。我们可以把正
虚数写为(+i),把负虚数写为(-i),而把+1看作
是一个正实数,把(-1)看作是一个负实数。
因此我们可
以说√ ̄(-1)=±i。
实数系统可以完全和虚数系统对应。正如有+5,
-17.32,+3/10等实数一样,我们也可以有
+5i,-17.32i,+3i/10等虚数。
我们甚至还可以在作图时把虚数系统画出来。
假如你用一条以0点作为中点的直线来表示一个正实数
系统,那么,位于0点某一侧的是正实数,位于0点另一侧
的就是负实数。
这样,当你通过0点再作一条与该直线直角相交的直线
时,你便可以沿第二条直线把虚数系统表示出来。第二条直
线上0点的一侧的数是正虚数,0点另一侧的数是负虚数。
这样一来,同时使用这两种数系,就可以在这个平面上把所
有的数都表示出来。
例如(+2)+(+3i)或
(+3)+(-2i)。这些数就是“复数”。
数学家和物理学家发现,把一个平面上的所有各点同数
字系统彼此联系起来是非常有用的。如果没有所谓虚数,他
们就无法做到这一点了 所以复数的平方根是虚数。