F · 复数的四则运算 · 12

复数加减及其几何意义

复数加减就是实部与实部、虚部与虚部分别相加减。在复平面上,这恰好对应向量的加减:相加合成位移,相减表示两点之间的位移。

对应部分分别相加

设 $z_1=a+bi$、$z_2=c+di$,其中 $a,b,c,d$ 都是实数。把 $(a+bi)+(c+di)$ 中的实数项与含 $i$ 的项分别合并,得到

$$ z_1+z_2=(a+c)+(b+d)i. $$

例如,取 $z_1=2+3i$、$z_2=-1+i$。实部相加为 $2+(-1)=1$,虚部相加为 $3+1=4$,所以

$$ z_1+z_2=1+4i. $$

两个复数分别对应向量 $(2,3)$、$(-1,1)$,它们的和是 $(1,4)$,正好对应 $1+4i$。因此,复数加法可以用首尾相接或平行四边形法则表示。

复数加法对应向量首尾相接,二加三 i 与负一加 i 的和是一加四 i实轴虚轴OZ₁(2, 3)Z₂(−1, 1)S(1, 4)
蓝色向量对应 $2+3i$,绿色向量对应 $-1+i$。把绿色向量平移到蓝色向量的末端,紫色和向量的终点就是 $S(1,4)$。

减号同时作用于两部分

减去 $c+di$,就是加上 $-c-di$。对 $(a+bi)-(c+di)$ 去括号后,实部、虚部分别相减:

$$ z_1-z_2=(a-c)+(b-d)i. $$

仍取 $z_1=2+3i$、$z_2=-1+i$。实部是 $2-(-1)=3$,虚部是 $3-1=2$,因此

$$ z_1-z_2=3+2i. $$

这里减去 $-1$ 会变成加 $1$;不能只改变虚部的符号,或只减去第二个复数的实部。

差对应从减数终点到被减数终点

设 $z_1,z_2$ 对应点 $Z_1(a,b),Z_2(c,d)$。由向量减法,

$$ \overrightarrow{OZ_1}-\overrightarrow{OZ_2} =\overrightarrow{Z_2Z_1}=(a-c,b-d). $$

所以 $z_1-z_2$ 对应从 $Z_2$ 指向 $Z_1$ 的向量。前例中,从 $Z_2(-1,1)$ 向右移动 $3$、向上移动 $2$ 到达 $Z_1(2,3)$,这就是 $3+2i$ 所对应的位移。

复数与向量是不同对象,但两者的加减规则通过坐标完全对应。

复数二加三 i 减去负一加 i,对应从 Z二到 Z一的位移实轴虚轴OZ₁(2, 3)Z₂(−1, 1)
紫色向量从 $Z_2(-1,1)$ 指向 $Z_1(2,3)$,位移为 $(3,2)$,对应差 $3+2i$。

核心结论

复数加减按实部、虚部分别计算;减去一个复数时,减号作用于它的两部分。

和对应向量的和;$z_1-z_2$ 对应从 $Z_2$ 指向 $Z_1$ 的向量,方向不能颠倒。