F · 复数的四则运算 · 13

复数乘法与 $i$ 的幂

复数相乘先按多项式展开,再用 $i^2=-1$ 合并成实部与虚部。反复乘以 $i$ 时,结果每四次重复一次,因此高次幂也能很快算出。

先展开,再用 $i^2=-1$

设 $a,b,c,d$ 都是实数。用分配律,把第一个括号中的每一项乘第二个括号中的每一项:

$$ (a+bi)(c+di)=ac+adi+bci+bdi^2. $$

其中 $bdi^2=-bd$ 是实数,另两个含 $i$ 的项合并,得到

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

实部是 $ac-bd$,虚部是 $ad+bc$。这不是“实部分别乘、虚部分别乘”,因为两个含 $i$ 的项相乘后会进入实部。

用一个乘积看清符号

计算 $(1+2i)(2+3i)$,先把四个乘积写全:

$$ (1+2i)(2+3i)=2+3i+4i+6i^2. $$

把 $6i^2$ 换成 $-6$,再合并实数项与含 $i$ 的项:

$$ 2+3i+4i-6=-4+7i. $$

负号来自 $i^2=-1$,不是在最后凭记忆补上的。

$i$ 的幂每四次重复

从 $i^2=-1$ 继续乘 $i$,有 $i^3=-i$;再乘一次,$i^4=(-i)i=-i^2=1$。因此最初四个结果是

指数$0$$1$$2$$3$
$i$ 的幂$1$$i$$-1$$-i$

每多乘四个 $i$,就是多乘一个 $i^4=1$,结果不变。对非负整数 $n$,写成 $n=4q+r$,其中 $q$ 为非负整数,$r$ 是 $0,1,2,3$ 之一,则

$$ i^n=(i^4)^q i^r=i^r. $$

所以只需看指数除以 $4$ 的余数。例如 $2026=4\times506+2$,余数为 $2$,故 $i^{2026}=i^2=-1$。

核心结论

复数乘法按“展开—替换 $i^2$—合并”计算,不需要另外记一套乘法规则。

因为 $i^4=1$,$i$ 的非负整数次幂只由指数除以 $4$ 的余数决定,依次对应 $1,i,-1,-i$。