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特殊复数乘法的伸缩与旋转

复数乘法也有几何意义:乘正实数改变长度,乘 $i$ 改变方向。把计算结果写成坐标,就能看见这些变化。

乘正实数:沿原方向伸缩

设 $z=a+bi$,对应向量 $(a,b)$。乘正实数 $c$,用分配律得到

$$ cz=ca+cbi. $$

它对应的向量是 $(ca,cb)$,正是原向量的 $c$ 倍。因此,当 $z\ne0$ 时,方向不变,模变为原来的 $c$ 倍:

$$ |cz|=c|z|. $$

例如,$2(2+i)=4+2i$,对应向量从 $(2,1)$ 变成 $(4,2)$:同向、两倍长。乘 $\dfrac12$ 则同向、一半长。

乘 $i$:逆时针旋转 $90^\circ$

先展开,再把 $i^2$ 换成 $-1$:

$$ iz=i(a+bi)=ai+bi^2=-b+ai. $$

所以坐标从 $(a,b)$ 变成 $(-b,a)$。新向量的模是 $\sqrt{b^2+a^2}$,与原来相同。

为什么是逆时针旋转 $90^\circ$?看两个坐标方向:向右的 $(1,0)$ 旋转后变成向上的 $(0,1)$;向上的 $(0,1)$ 旋转后变成向左的 $(-1,0)$。因此,原向量的水平、竖直分量分别旋转后,合成

$$ a(0,1)+b(-1,0)=(-b,a). $$

这正是乘 $i$ 得到的坐标。所以对非零复数,乘 $i$ 保持模不变,并逆时针旋转 $90^\circ$,也就是 $\dfrac\pi2$。

例如,$i(2+i)=-1+2i$,对应向量从 $(2,1)$ 变成 $(-1,2)$。

乘 i 把二加 i 对应的向量逆时针旋转九十度,变为负一加二 i实轴虚轴OZ(2, 1)Z′(−1, 2)90°
蓝色向量对应 $z=2+i$,紫色向量对应 $iz=-1+2i$。两终点在以原点为圆心的同一圆上,模不变,方向逆时针转过 $90^\circ$。

连续乘 $i$:每次再转四分之一周

因为 $i^2=-1$、$i^3=-i$、$i^4=1$,连续乘 $i$ 的结果可以直接读成旋转:

乘数对非零复数的作用
$i$逆时针旋转 $90^\circ$
$-1$旋转 $180^\circ$
$-i$顺时针旋转 $90^\circ$
$1$回到原位置

这些变化都不改变模。若 $z=0$,乘上述任何数仍为 $0$;原点没有确定方向,不讨论它转过了多少角度。

核心结论

对非零复数,乘正实数让模成倍变化、方向不变;乘 $i$ 让模不变、方向逆时针转过 $90^\circ$。

这两种作用分别是伸缩与旋转。零复数在这些运算下仍是零,不赋予它方向。