Numeros complejos

RESEÑA HISTÓRICA

 Al comenzar a estudiar los números complejos, nos damos cuenta que es un sistema muy importante por integrar varias ramas de la matemática como lo son la trigonometría, la geometría y el álgebra, entonces resulta bastante interesante indagar un poco más acerca de este tema, comenzando por su historia.

Isaac Asimov, en su libro “De los números y su historia”, relata una historia en la que un profesor de Sociología en su clasificación de la humanidad agrupó a los matemáticos entre los místicos junto con los poetas y los teólogos, ya que para él los matemáticos son místicos porque creen en números que no tienen realidad, para explicarlo dijo lo siguiente, “La raíz cuadrada de menos uno. No tiene existencia. Los matemáticos lo llaman imaginario. Pero de alguna manera mística creen que tiene alguna clase de existencia”. Pero la verdad es que no hay nada de místico en ellos, son tan reales como cualquier otro.
Los números complejos aparecieron muy temprano en las matemáticas, pero fueron ignorados, por ser para la mayoría un poco extraños y difíciles de representar. Al comienzo los hombres solamente aceptaban los números naturales por ser los más adecuados para contar objetos que comúnmente se consideran como unidades. Pero al medir magnitudes como la longitud o el peso, las fracciones se hicieron imprescindibles. Los egipcios y babilonios se las arreglaron para elaborar métodos que les permitieron operar con fracciones. Pero los griegos descubrieron que habían cantidades definidas que no podían ser expresadas como cocientes de números enteros, la noción de número extiende más allá, ya que los griegos no aceptaban que hubieran números menores que el cero. Los números complejos aparecen entre las soluciones de las ecuaciones cuadráticas, que generan raíces cuadradas de números negativos los cuales no poseen soluciones reales. Los matemáticos griegos que conocían métodos geométricos de resolución, consideraban estos problemas irresolubles, rechazaban el uso de números negativos por la falta de un equivalente dentro de la geometría que para ese momento era el centro de la matemática. El surgimiento de los números complejos no se debió solo a la imposibilidad de resolver algunas ecuaciones cuadráticas, sino que viene también de las ecuaciones cúbicas. Más adelante con el surgimiento del álgebra durante la Edad Media, el concepto de número se amplía para manipular ecuaciones, desligadas de la geometría.

Se considera al matemático árabe Al-Khwarizmi como el padre del Álgebra, fue el autor de un libro titulado al-jabr, publicado en el año 830 d.c. Este libro fue de gran influencia por recoger todas las técnicas conocidas hasta entonces sobre la resolución de ecuaciones de primero y segundo grado. Traducido al latín por Gerardo de Cremona, se utilizó en las universidades europeas hasta el siglo XVI. Es posible que antes de él se hubiesen resuelto ecuaciones concretas, pero éste es el primer tratado conocido en el que se hace un estudio exhaustivo. Los matemáticos árabes se encargaron de difundir las matemáticas de los griegos, mesopotamios e hindúes en toda Europa, a través de España.
El primer matemático que empleó sistemáticamente los números menores que el cero fue el Italiano Girolamo Cardano, quien decía que después de todo puede haber algo menos que nada, “una deuda es menos que nada”. Cardano fue un célebre matemático italiano delRenacimiento, físico, astrólogo y jugador de juegos de azar. Nació enPavía, Italia, hijo ilegítimo de un abogado con talento para las matemáticas quien fue amigo de Leonardo Da Vinci. Se gradúa de Médico en la Universidad de Papua. Después de recibir el título de Doctor en Medicina se dedica a ejercer su profesión, pero también al juego de cartas, dados y ajedrez. Su afición por el juego lo llevó a estudiar y desarrollar muchas técnicas de la teoría de las probabilidades y las aplicó de manera exitosa logrando hacer una fortuna como jugador. Hoy, es más conocido por sus trabajos de álgebra. En 1539 publicó su libro de aritmética “Practica arithmetica et mensurandi singulares”. Publicó las soluciones a las ecuaciones de tercer y cuarto grado en su libro “Ars magna” datado en 1545.

 A raíz de la polémica entre Cardano y Tartaglia, Rafael Bombelli, algebrista italiano, nacido en 1526 en Bolonia, quien había leído el “Ars Magna” de Cardano a los 19 años, decidió escribir un tratado de álgebra que permitiese a cualquiera dominar el tema sin recurrir a ningún otro libro. Bombelli conocía bien los trabajos sobre ecuaciones cúbicas de Cardano y consideraba aquel libro como el más interesante de todos los escritos sobre álgebra, hasta el momento. Sin embargo pensó que algunas cosas estaban todavía algo confusas y que se podían hacer mucho más comprensibles para el público.
Bombelli puede ser llamado el padre de los números complejos, pues fue el primero que desarrolló el álgebra formal para trabajar con las expresiones de la forma . En la fórmula de Cardano, mejor conocida como la fórmula del Ferro-Tartaglia-Cardano aparecen dos sumandos del tipo , la idea de Bombelli es reducir dicho número a uno del tipo .
Euler intentó comprender qué eran realmente los números complejos y en su "Vollständige Auleitung zur Algebra" (Introducción Completa al Algebra), que apareció primero en Rusia en 1768-69 y en Alemania en 1770, y es el mejor texto de álgebra del siglo XVIII dice:
"Puesto que todos los números concebibles son mayores que cero, menores que cero, o iguales a cero, está claro que las raíces cuadradas de números negativos no pueden ser incluidas entre los números posibles (reales). En consecuencia debemos decir que son números imposibles. Y esta circunstancia nos lleva al concepto de tales números, que por su naturaleza son imposibles, y ordinariamente se les llama imaginarios o ideales, porque existen sólo en la imaginación".
De modo que podemos escribir , o bien . Habiendo definido i de esta manera, podemos expresar la raíz cuadrada de cualquier número negativo. En general cualquier raíz cuadrada de un número negativo , se puede escribir como la raíz cuadrada del número positivo correspondiente por la raíz cuadrada de menos uno, es decir . Cualquier número que combine unidades reales e imaginarias se denomina “complejo”.
Los números reales son solamente casos especiales de los números complejos, como también lo son los números imaginarios. Si uno representa los números complejos de la forma , entonces los números reales son todos aquellos complejos en que es igual a cero. Y los números imaginarios son todos los complejos en los que es igual a cero.
Para finalizar debemos mencionar que en 1799 el matemático alemán Carl Gauss dio su primera demostración del teorema fundamental del álgebra, en el que establece que todo polinomio con coeficientes complejos se descompone en factores lineales, es decir, que tiene todas sus raíces en , y puesto que ésta dependía necesariamente del reconocimiento de los números complejos, Gauss consolidó la posición de estos números. En 1831 Gauss publica un trabajo donde expone con toda claridad las propiedades de los números de la forma , llamados ahora Números de Gauss, y la representación geométrica de los mismos. A partir de todas esas investigaciones se inicia un desarrollo sostenido de la teoría de las funciones complejas.   

REPRESENTACIONES

DEFINICIÓN DE UN NUMERO COMPLEJO

Los números complejos son una extensión de los números reales y forman el mínimo cuerpo algebraicamente cerrado que los contiene. El conjunto de los números complejos se designa con la notación , siendo  el conjunto de los números reales se cumple que  ( está estrictamente contenido en ). Los números complejos incluyen todas las raíces de los polinomios, a diferencia de los reales. Todo número complejo puede representarse como la suma de un número real y un número imaginario (que es un múltiplo real de la unidad imaginaria, que se indica con la letra i), o en forma polar.

Los números complejos son la herramienta de trabajo del álgebra, análisis, así como de ramas de las matemáticas puras y aplicadas como variable compleja, ecuaciones diferenciales, facilitación de cálculo de integrales, en aerodinámica, hidrodinámica y electromagnetismo entre otras de gran importancia. Además los números complejos se utilizan por doquier en matemáticas, en muchos campos de la física (notoriamente en la mecánica cuántica) y en ingeniería, especialmente en la electrónica y las telecomunicaciones, por su utilidad para representar las ondas electromagnéticas y la corriente eléctrica.

En matemáticas, estos números constituyen un cuerpo y, en general, se consideran como puntos del plano: el plano complejo. Este cuerpo contiene a los números reales y los imaginarios puros. Una propiedad importante que caracteriza a los números complejos es el teorema fundamental del álgebra — pero que se demuestra aún en un curso de variable compleja —, que afirma que cualquier ecuación algebraica de grado n tiene exactamente n soluciones complejas. Los análogos del cálculo diferencial e integral con números complejos reciben el nombre de variable compleja o análisis complejo.¹

CONJUGADO DE UN NUMERO COMPLEJO

Se llama conjugado de un número complejo al número complejo que se obtiene por simetría del dado respecto del eje de abscisas.

Representando el número complejo a + bi  y haciendo la correspondiente simetría, se tiene que su conjugado es a - bi .

Dado un número complejo, su conjugado puede representarse poniendo encima del mismo una línea horizontal. Así se escribirá:

                                           

Propiedades de los conjugados

· Primera propiedad

El conjugado del conjugado de un complejo z es el propio z.

Demostración:

En efecto si z = a + bi  se tiene que  = a - bi , de donde,  = a + bi  = z

· Segunda propiedad

Dados dos números complejos cualesquiera z y z' , el conjugado de su suma es igual a la suma de sus conjugados.

Esto se expresa escribiendo que 

Demostración:

Tomando z = a + bi  y z' = c + di , se tiene:

   

      = a + bi  y ' = c - di , con lo que  + ' = (a + bi ) + (c - di ) = (a + c) + (-b - d)i

Por otra parte:

                    

y es fácil ver que esta expresión coincide con la anterior.

· Tercera propiedad

El conjugado del producto de dos números complejos es igual al producto de los conjugados de dichos números:

                                           

Demostración:

Si z = a + bi  y z = c + di se tiene que z · z = (ac - bd ) + (ad + bc)i , cuyo conjugado es  = (ac - bd) - (ad + bc)i .

Calculando por otro lado el producto de los conjugados, resulta que

 · '  = (a - bi )( c - di ) = ( ac - bd ) + ( -ad - bc) i .

El resultado es igual al anterior.

· Cuarta propiedad

Los complejos que coinciden con sus conjugados son los números reales.

Demostración:

Sea un complejo a + bi  que coincida con su conjugado. Esto equivale a que

a + bi = a - bi

Pero esto sólo ocurre si b = 0, es decir si a + bi  es un número real.

· Quinta propiedad

La suma y el producto de un complejo y su conjugado son, ambos, números reales.

Demostración:

                                              (a + bi ) + (a - bi ) = 2a

                                     (a + bi ) (a - bi ) = a² - (bi )² = a² + b²

^OPERACIONES

^{IGUALDAD DE UN NUMERO COMPLEJO}

Igualdad

Dos números complejos son iguales cuando sus partes reales y sus partes imaginarias son iguales entre sí.

a + bi = c + di quiere decir a = c y b = d

Ejemplo:

Determina para qué valores de x e y son iguales los números complejos: z = x -3 + 5i,

w = 4 + (y + 4)i

Igualamos por separado las partes reales x -3 =4 y se obtiene x =7 y las partes imaginarias

5 = y + 4, se obtiene y = 1.

Luego para que sean iguales debe cumplirse que x = 7 e y = 1.

Operaciones con números complejos:

Para sumar (restar) dos números complejos se suman (restan) las partes reales entre sí, y luego las partes imaginarias

z + w = (a +bi) + (c + di) = (a +c) + (b + d)i

El resultado es un número complejo de parte real la suma (resta) de las partes reales y de parte imaginaria la suma(resta ) de las partes imaginarias.

^{SUMA,RESTA,MULTIPLICACIÓN Y DIVISIÓN DE NÚMEROS}

 ^COMPLEJOS

Suma de números complejos

(a + bi) + (c + di) = (a + c) + (b + d)i

Resta de números complejos

(a + bi) − (c + di) = (a − c) + (b − d)i

( 5 + 2 i) + ( − 8 + 3 i) − (4 − 2i ) =

= (5 − 8 − 4) + (2 + 3 + 2)i = −7 + 7i

Multiplicación de números complejos

(a + bi) · (c + di) = (ac − bd) + (ad + bc)i

( 5 + 2 i) · ( 2 − 3 i) =

=10 − 15i + 4i − 6 i² = 10 − 11i + 6 = 16 − 11i

División de números complejos

Operaciones de complejos en forma polar

Multiplicación de complejos en forma polar

6_45° · 3_15° = 18_60°

Producto por un complejo de módulo 1. Al multiplicar un número complejo z = r_α por 1_β se gira z un ángulo β alrededor del origen.

r_α · 1_β = r_{α + β}

División de complejos en forma polar

6_45° : 3_15° = 2_30°

Potencias de complejos en forma polar

(2_30°)⁴ = 16_120°

Fórmula de Moivre

Raíz de complejos en forma polar

k = 0,1 ,2 ,3, … (n-1)

CONTENIDO

NÚMEROS COMPLEJOS
-RESEÑA HISTÓRICA
REPRESENTACIONES
-DEFINICIÓN DE NÚMEROS COMPLEJOS
-FORMA RECTANGULAR DE UN NÚMERO COMPLEJO
-UNIDAD IMAGINARIA
-CONJUGADO DE UN NÚMERO COMPLEJO
OPERACIONES
-IGUALDAD DE NÚMEROS COMPLEJOS
-SUMA, RESTA, MULTIPLICACIÓN Y DIVISIÓN  De NÚMEROS COMPLEJOS

TRIGONOMETRIA

RESEÑA HISTÓRICA

La historia de la trigonometría comienza con los Babilonios y los Egipcios. Estos últimos establecieron la medida de los ángulos en grados, minutos y segundos. Sin embargo, en los tiempos de la Grecia clásica, en el siglo II a.C. el astrónomo Hiparco de Nicea construyó una tabla de cuerdas para resolver triángulos.

Durante muchos siglos, la trigonometría de Tolomeo fue la introducción básica para los astrónomos, quién aparece 300 años después de la civilización griega.  El teorema de Menelao utilizado para resolver triángulos esféricos fue autoría de Tolomeo. Al mismo tiempo, los astrónomos de la India habían desarrollado también un sistema trigonométrico basado en la función seno en vez de cuerdas como los griegos. 

A finales del siglo VIII los astrónomos Árabes trabajaron con la función seno y a finales del siglo X ya habían completado la función seno y las otras cinco funciones. 

El occidente se familiarizó con la trigonometría Árabe a través de traducciones de libros de astronomía arábigos, que comenzaron a aparecer en el siglo XII. El primer trabajo importante en esta materia en Europa fue escrito por el matemático y astrónomo alemán Johann Müller, llamado Regiomontano.

A principios del siglo XVII, el matemático Jhon Napier inventó los logaritmos y gracias a esto los cálculos trigonométricos recibieron un gran empuje.

A mediados del siglo XVII Isaac Newton inventó el cálculo diferencial e integral.

Por último, en el siglo XVIII, el matemático Leonhard Euler demostró que las propiedades de la trigonometría eran producto de la aritmética de los números complejos y además definió las funciones trigonométricas utilizando expresiones con exponenciales de números complejos.

ANGULOS Y SUS MEDIDAS

SISTEMA DE MEDIDA ANGULAR

Los ángulos se miden en grados y en radianes. En el sistema sexagesimal la unidad de medida es el grado ° y en el sistema cíclico la unidad de medida de los ángulos es el radián. 

·         El Grado: Se define como 1/360 de la rotación total. 

·         1/6 de giro en sentido contrario de las manecillas del reloj.

·         4/9 de giro en el mismo sentido de las manecillas del reloj. 

·         El Radián: Se define como la medida de un ángulo central de una circunferencia cuyo arco mide igual que un radio. En toda circunferencia hay aproximadamente 6.28 radianes, es decir, 2π radianes.

Un grado sexagesimal es igual a 60 minutos (1°=60´); un minuto es igual a 60 segundos (1´= 60 ")

 

                                                   

CONVERSIONES DE SISTEMAS DE MEDIDAS

Las dos relaciones siguientes permiten calcular en grados la amplitud de cualquier ángulo medido en radianes; o la amplitud en radianes de cualquier ángulo medido en grados:

360 grados = 2 π radianes

180 grados = π radianes

Para transformar de grados a radianes se multiplican los grados por π radianes y luego se divide por 180°.

CIRCULO TRIGONOMÉTRICO

Es un círculo unitario que tiene su centro en el origen de coordenadas y su radio mide la unidad. Es una herramienta que se utiliza en conceptos de trigonometría y además nos ayuda a fundamentar las funciones trigonométricas.

Con el círculo trigonométrico podemos obtener el valor de las razones trigonométricas para cierto ángulo, además también se puede utilizar para obtener las identidades pitagóricas.

Para obtener las funciones trigonométricas se toma como base un círculo de radio 1 con centro en el origen, se toma un ángulo medido a partir del eje x positivo y en sentido contrario de las manecillas del reloj.

CIRCULO TRIGONOMÉTRICO Y FUNCIONES TRIGONOMÉTRICAS

Partiendo del ángulo α y la recta r se obtiene un punto P, si se traza una línea perpendicular desde ese punto y hacia el eje Y se obtiene un segmento OB que se denomina seno de α.

Coseno de α

Partiendo del ángulo α y la recta r se obtiene un punto P, si se traza una línea perpendicular desde ese punto y hacia el eje X se obtiene un segmento OA que se denomina coseno de α.

Tangente de α

Una línea tangente es la que solo toca en un punto a la circunferencia.

Cotangente de α

Si trazamos una recta FD que sea tangente al punto F y que toque a la recta OD, FD es cotangente de α.

Cuadrantes del círculo trigonométrico

Si dividimos el círculo en 4 partes iguales a cada parte se le conoce como cuadrante, en cada cuadrante las funciones seno, coseno , tangente y cotangente cambian su valor.

Primer cuadrante

Si aumenta el ángulo α disminuye el valor del coseno y  de la cotangente pero aumenta el valor de la tangente y del seno.

Segundo cuadrante

Si aumenta el ángulo α, disminuye el valor del seno, del coseno, de la tangente y de la cotangente.

Tercer cuadrante

Si aumenta el ángulo α, disminuye el valor del seno, del coseno y de la cotangente pero aumenta el valor de la tangente.

Cuarto cuadrante

Si aumenta el ángulo α, disminuye el valor del seno y de la tangente pero aumenta el valor del coseno y de la cotangente.

RAZONES TRIGONOMÉTRICAS DE ÁNGULOS EN POSICIÓN NORMAL

Ángulo en Posición Normal
Llamado también ángulo en posición canónica o estándar; es aquel ángulo trigonométrico cuyo vértice coincide con el origen del sistema cartesiano, su lado inicial coincide con el semieje positivo de abscisas y su lado se ubicará en cualquier región del plano, siendo el que indique a que cuadrante pertenece dicho ángulo. En el gráfico adjunto por ejemplo : a, b y q son ángulos en posición normal, cumpliéndose: a Î IC; b Î IIC; q Î IIIC.
                                           

              Ángulos Cuadrantales
Se va a denominar ángulo cuadrantal a aquel ángulo en posición normal cuyo lado final coincide con cualquiera de los semiejes cartesianos. Las medidas de estos ángulos es siempre múltiplo de 90º.
Estos ángulos no pertenecen a cuadrante alguno (fig. 1)

Ángulos Coterminales 
 

Son aquellos ángulos en posición normal que tienen el mismo lado final; y su diferencia de medidas es siempre múltiplo de 360º. (fig.2).
                              
Definición de las razones trigonométricas de un ángulo en Posición Normal
Para definir o hallar las R.T. de un ángulo en posición normal; se debe conocer un punto perteneciente a su lado final.
En el gráfico; para "a"; tendremos




Propiedad
Las Razones trigonométricas de los ángulos coterminales son respectivamente iguales.

 R.T. de los Ángulos Cuadrantales
Las R.T. de los ángulos cuadrantales principales se calculan con las mismas definiciones aplicadas a cualquier ángulo en posición normal. El resultado se muestra en el siguiente cuadro:

LINEAS TRIGONOMÉTRICAS

Se llama circunferencia goniométrica a aquélla que tiene su centro en el origen de coordenadas y su radio es la unidad. En la circunferencia goniométrica los ejes de coordenadas delimitan cuatro cuadrantes que se numeran en sentido contrario a las agujas del reloj. QOP y TOS son triángulos semejantes. QOP y T'OS′ son triángulos semejantes.

El seno es la ordenada. El coseno es la abscisa.
-1 ≤ sen α ≤ 1 -1 ≤ cos α ≤ 1

SIGNOS DE LAS RAZONES TRIGONOMÉTRICAS

                            

Los signos de las funciones trigonométricas varían dependiendo del cuadrante en el que se encuentren, aquí te mostraré que signo tiene cada una en cada cuadrante.

sen α = cateto opuesto/hipotenusa

cos α = cateto adyacente/hipotenusa

tang α = cateto opuesto/ cateto adyacente

Primer cuadrante

En este cuadrante el cateto adyacente está sobre el eje “x” y el cateto opuesto sobre el eje “y”, la hipotenusa es el radio de la circunferencia.

Como el c, opuesto, c. adyacente y la hipotenusa son positivos, todas las funciones trigonométricas son positivas en el primer cuadrante.

Segundo cuadrante

En este cuadrante, el cateto adyacente es negativo y el cateto opuesto es positivo también es positiva la hipotenusa. Por lo que el coseno, la tangente, la secante y la cotangente son negativas.

Tercer cuadrante

En este cuadrante el cateto adyacente y el cateto opuesto son negativos y la hipotenusa es positiva. Por lo tanto la tangente y la cotangente resultan positivas y las demás negativas.

Cuarto cuadrante

En este cuadrante el cateto adyacente es positivo y el cateto opuesto es negativo y la hipotenusa es positiva. Por lo tanto solo el coseno y la secante serán positivas.

IDENTIDADES TRIGONOMÉTRICAS

Definición de identidades trigonométricas

Son igualdades que involucran funciones trigonométricas. Estas identidades son siempre útiles para cuando necesitamos simplificar expresiones que tienen incluidas funciones trigonométricas, cualesquiera que sean los valores que se asignen a los ángulos para los cuales están definidas estas razones. Las identidades trigonométricas nos permiten plantear una misma expresión de diferentes formas. Para simplificar expresiones algebraicas, usamos la factorización, denominadores comunes, etc. Pero para simplificar expresiones trigonométricas utilizaremos estas técnicas en conjunto con las identidades trigonométricas.

Identidades Trigonométricas principales

Identidades cosiente

 

Identidades reciprocas

 

Identidad de pitagora

Identidades Pares o Impares

sen(-x) = - sen(x)

cos(-x) =  cos (x)

tan(-x) = - tan (x)

cot(-x) =- cot (x)

sec (-x) = sec (x)

csc(-x)=-csc(x)

Identidades trigonométricas auxiliares