这是高中数学知识点汇总系列的第七篇.

定义

  • 虚数单位 i\mathrm i: 满足 i2=−1{\mathrm i}^2=-1 的数.

  • 几何上, 建立直角坐标系表示复数. 复平面 / 高斯平面: 复数所在该平面. 实轴: x 轴; 虚轴: y 轴.

    复数 z=a+bi↔复平面上的点 Z(a,b)↔平面向量 OZ→复数\ z=a+b\text i\leftrightarrow复平面上的点\ Z(a,b)\leftrightarrow平面向量\ \overrightarrow{OZ}

  • 复数的表示形式:

    • 代数表示式(代数形式): z=a+bi(a,b∈R)z=a+b\text i\quad(a,b\in\R).

      三角表示式(三角形式): z=r(cos⁡θ+isin⁡θ)(r≥0,θ∈R)z=r(\cos\theta+\text i\sin\theta)\quad(r\ge0,\theta\in\R). (极坐标思想)

      指数表示式(指数形式): z=reiθ(r≥0,θ∈R)z=re^{\text i\theta}\quad(r\ge0,\theta\in\R).

    • 其中实部 Re(z)\mathrm{Re}(z)=a=rcos⁡θ=a=r\cos\theta; 虚部 Im(z)\mathrm{Im}(z)=b=rsin⁡θ=b=r\sin\theta;

      模 / 绝对值 ∣z∣|z|=r=∣OZ→∣=∣a+bi∣=a2+b2=r=|\overrightarrow{OZ}|=|a+b\text i|=\sqrt{a^2+b^2};

      辐角 θ=Argz\theta=\text{Arg}z: 以 x 轴的非负半轴为始边, OZ→\overrightarrow{OZ} 所在射线为终边的角, tan⁡θ=ba\tan\theta=\dfrac{b}{a};

      辐角主值 argz\text{arg}z: 满足 θ∈[0,2π)\theta\in[0,2\pi) 的辐角.

      注: z=0  ⟺  OZ→=0z=0\iff\overrightarrow{OZ}=\bold{0}, 即 00 的辐角是任意的.

基础知识

  • 相等判断:

    a+bi=c+di  ⟺  a=c,b=d  ⟺  ∣a+bi∣=∣c+di∣,arg(a+bi)=arg(c+di)a+b\text i=c+d\text i\iff a=c,b=d\iff |a+b\text i|=|c+d\text i|,\text{arg}(a+b\text i)=\text{arg}(c+d\text i)

  • 数集分类:

    复数C={a+bi∣a,b∈R}{实数R(b=0){{有理数Q{整数Z{{奇数偶数{自然数N{正整数N+或N∗0负整数分数无理数{正数R+0负数R−虚数I(b=0){纯虚数(a=0,b=0)⋯复数\mathbb C=\{a+b\text i|a,b\in\R\} \left\{\begin{aligned} &实数\R(b=0) \left\{\begin{aligned} & \left\{\begin{aligned} &有理数\mathbb Q \left\{\begin{aligned} &整数\Z \left\{\begin{aligned} & \left\{\begin{aligned} &奇数\\ &偶数\\ \end{aligned}\right.\\ & \left\{\begin{aligned} &自然数\N \left\{\begin{aligned} &正整数\N_+ 或 \N^*\\ &0\\ \end{aligned}\right.\\ &负整数\\ \end{aligned}\right.\\ \end{aligned}\right.\\ &分数\\ \end{aligned}\right.\\ &无理数\\ \end{aligned}\right.\\ & \left\{\begin{aligned} &正数\R_+\\ &0\\ &负数\R_-\\ \end{aligned}\right.\\ \end{aligned}\right.\\ &虚数\mathbb I(b\not=0) \left\{\begin{aligned} &纯虚数(a=0,b\not=0)\\ &\cdots\\ \end{aligned}\right.\\ \end{aligned}\right.

    注: 实数又称小数; 有理数由有限小数和无限循环小数组成; 无理数又称无限不循环小数.

    注: 单数是大于零的奇数; 双数是大于零的偶数.

  • {in}\{\text i^n\} 的最小正周期为 4.

四则运算与运算律

  • 加减法 (a+bi)±(c+di)=(a±c)+(b±d)i(a+b\text i)\pm(c+d\text i)=(a\pm c)+(b\pm d)\text i. (几何意义: 平面向量加减法)

    加法交换律 z1+z2=z2+z1z_1+z_2=z_2+z_1, 加法结合律 (z1+z2)+z3=z1+(z2+z3)(z_1+z_2)+z_3=z_1+(z_2+z_3).

  • 乘法 (a+bi)(c+di)=(ac−bd)+(ad+bc)i(a+b\text i)(c+d\text i)=(ac-bd)+(ad+bc)\text i; (r1eiθ1)(r2eiθ2)=(r1r2)ei(θ1+θ2)\left(r_1e^{\text i\theta_1}\right)\left(r_2e^{\text i\theta_2}\right)=(r_1r_2)e^{\text i(\theta_1+\theta_2)}.

    交换律 z1z2=z2z1z_1z_2=z_2z_1; 结合律 (z1z2)z3=z1(z2z3)(z_1z_2)z_3=z_1(z_2z_3); 分配律 z1(z2+z3)=z1z2+z1z3z_1(z_2+z_3)=z_1z_2+z_1z_3.

  • 除法 a+bic+di=(a+bi)(c−di)(c+di)(c−di)=ac+bdc2+d2+bc−adc2+d2i(c+di=0)\dfrac{a+b\text i}{c+d\text i}=\dfrac{(a+b\text i)(c-d\text i)}{(c+d\text i)(c-d\text i)}=\dfrac{ac+bd}{c^2+d^2}+\dfrac{bc-ad}{c^2+d^2}\text i\quad(c+d\text i\not=0);

    r1eiθ1r2eiθ2=r1r2ei(θ1−θ2)(r2eiθ2=0)\dfrac{r_1e^{\text i\theta_1}}{r_2e^{\text i\theta_2}}=\dfrac{r_1}{r_2}e^{\text i(\theta_1-\theta_2)}\quad(r_2e^{\text i\theta_2}\not=0).

  • 乘除法口诀: 模相乘除, 辐角相加减; 乘除法几何意义: 复平面中构造相似三角形.

共轭复数及其性质

  • 共轭复数 z‾\overline z: 实部相等, 虚部互为相反数. (几何意义: 关于实轴对称)

    若 z=a+bi=r(cos⁡θ+isin⁡θ)=reiθz=a+b\text i=r(\cos\theta+\text i\sin\theta)=re^{\text i\theta} 则 z‾=a−bi=r(cos⁡θ−isin⁡θ)=re−iθ\overline z=a-b\text i=r(\cos\theta-\text i\sin\theta)=re^{-\text i\theta}.

  • 性质:

    • z1±z2‾=z1‾±z2‾\overline{z_1\pm z_2}=\overline{z_1}\pm\overline{z_2}.
    • z1z2‾=z1‾⋅z2‾⇒zn‾=z‾n\overline{z_1z_2}=\overline{z_1}\cdot\overline{z_2}\Rightarrow \overline{z^n}={\overline z}^n; (z1z2)‾=z1‾z2‾(z2=0)\overline{\left(\dfrac{z_1}{z_2}\right)}=\dfrac{\overline{z_1}}{\overline{z_2}}\quad(z_2\not=0).
    • z‾‾=z\overline{\overline z}=z.
    • z为实数  ⟺  z‾=zz为实数\iff\overline z=z; z为纯虚数  ⟺  z‾=−z且z=0z为纯虚数\iff\overline z=-z且z\not=0.

模的性质

  • ∣z1z2∣=∣z1∣∣z2∣⇒∣zn∣=∣z∣n|z_1z_2|=|z_1||z_2|\Rightarrow|z^n|={|z|}^n(本质: 拉格朗日恒等式); ∣z1z2∣=∣z1∣∣z2∣(z2=0)\left|\dfrac{z_1}{z_2}\right|=\dfrac{|z_1|}{|z_2|}\quad(z_2\not=0).
  • ∣z∣=∣z‾∣|z|=|\overline z|.
  • zz‾=∣z∣2z\overline z=|z|^2(本质: 平方差公式; 几何意义: 子母型相似), 推论: 1z=z‾∣z∣2\dfrac{1}{z}=\dfrac{\overline z}{|z|^2}. (分母实数化)
  • 斜边大于直角边: ∣z∣≥∣Re(z)∣|z|\ge|\text{Re}(z)|, ∣z∣≥∣Im(z)∣|z|\ge|\text{Im}(z)|.
  • 三角形不等式: ∣∣z1∣−∣z2∣∣≤∣z1+z2∣≤∣z1∣+∣z2∣||z_1|-|z_2||\le|z_1+z_2|\le|z_1|+|z_2|.

辐角的性质

  • Arg(z1z2)=Argz1+Argz2⇒Argzn=nArgz\text{Arg}(z_1z_2)=\text{Arg}z_1+\text{Arg}z_2\Rightarrow\text{Arg}z^n=n\text{Arg}z.
  • Argz1z2=Argz1−Argz2\text{Arg}\dfrac{z_1}{z_2}=\text{Arg}z_1-\text{Arg}z_2.
  • Argz‾=−Argz\text{Arg}\overline z=-\text{Arg}z.

欧拉公式

  • 欧拉公式: eiθ=cos⁡θ+isin⁡θe^{\text i\theta}=\cos\theta+\text i\sin\theta.
  • 棣莫弗公式: (cos⁡θ+isin⁡θ)n=cos⁡(nθ)+isin⁡(nθ){\left(\cos\theta+\text i\sin\theta\right)}^n=\cos{(n\theta)}+\text i\sin{(n\theta)}. (配合二项式定理可推导 nn 倍角公式)
  • 1 的 nn 次方根 1n\sqrt[n]{1} 为 ωk=cos⁡2kπn+isin⁡2kπn(k∈{0,1,⋯ ,n−1})\omega_k=\cos\dfrac{2k\pi}{n}+\text i\sin\dfrac{2k\pi}{n}\quad(k\in\{0,1,\cdots,n-1\}) 共 nn 个.
    • n=3n=3 时 ω0=1,ω1=−1+3i2,ω2=−1−3i2\omega_0=1,\omega_1=\dfrac{-1+\sqrt{3}\text i}{2},\omega_2=\dfrac{-1-\sqrt{3}\text i}{2}.
    • 几何意义: 单位圆的 nn 等分点, 且其中必有 (1,0)(1,0).
    • 性质 ∀k∈{0,1,⋯ ,n−1}\forall k\in\{0,1,\cdots,n-1\}:
      • ωkn=1,∣ωk∣=1\omega_k^n=1,|\omega_k|=1.
      • ∑t=0n−1ωkt=0\sum\limits_{t=0}^{n-1}\omega_k^t=0.
      • ωk\omega_k 与 ωn−k\omega_{n-k} 互为共轭复数.

应试技巧

  • 复数问题通法:实数化,设未知数为 a+bi (a,b∈R)a+b\text i\ (a,b\in\R) 或 r(cos⁡θ+isin⁡θ) (r≥0,θ∈R)r(\cos\theta+\text i\sin\theta)\ (r\ge0,\theta\in\R).

  • 常用速算(可用复数的三角形式辅助记忆):

    式子 1±i\dfrac{1}{\pm\text i} 1±i1∓i\dfrac{1\pm\text i}{1\mp\text i} 2i1±i\dfrac{2\text i}{1\pm\text i} 21±i\dfrac{2}{1\pm\text i}
    结果 ∓i\mp\text i ±i\pm\text i 1±i1\pm\text i 1∓i1\mp\text i
  • 不要求结果为代数形式时, 也可用三角形式表示, 但注意三角形式的条件.

  • 一些公式:

    • (a+bi)(a−bi)=a2+b2(a+b\text i)(a-b\text i)=a^2+b^2.
    • (a+bi)(b+ai)=(a2+b2)i(a+b\text i)(b+a\text i)=(a^2+b^2)\text i.
    • (a±bi)2=(a2−b2)±2abi(a\pm b\text i)^2=(a^2-b^2)\pm 2ab\text i.
    • 1cos⁡θ+isin⁡θ=cos⁡θ−isin⁡θ\dfrac{1}{\cos\theta+\text i\sin\theta}=\cos\theta-\text i\sin\theta.