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复数的三角表示

代数形式 $a+bi$ 用横、纵坐标表示复数;三角形式改用长度和方向。它表示的仍是同一个复数,只是换了一种记录方式,为理解乘除中的伸缩与旋转作准备。

用模和方向确定坐标

设 $z=a+bi\ne0$,模为 $r=\sqrt{a^2+b^2}>0$。从正实轴转到对应向量,以逆时针为正,记转角为 $\theta$。

把向量长度除以 $r$,终点落在单位圆上。由单位圆上的正弦、余弦定义,

$$ \cos\theta=\dfrac ar,\qquad \sin\theta=\dfrac br. $$

两边乘 $r$,得到 $a=r\cos\theta$、$b=r\sin\theta$。代回 $z=a+bi$,提取 $r$:

$$ z=r(\cos\theta+i\sin\theta). $$

这就是复数的三角形式:$r$ 是模,$\theta$ 是它的一个辐角,也就是对应向量的方向角。写三角形式时,要求 $r>0$,正弦和余弦使用同一个角。

同一方向可以有多个辐角

转过一整周会回到同一方向,所以若 $\theta_0$ 是一个辐角,所有辐角就是

$$ \theta=\theta_0+2k\pi,\qquad k\in\mathbb Z. $$

这里的 $2k\pi$ 表示整数个整周。为了选出唯一代表,本篇约定取 $[0,2\pi)$ 内的角,称为辐角主值;这是区间约定,不是方向本身发生了改变。

例如,正实轴的主值是 $0$,不能再取 $2\pi$;正虚轴、负实轴、负虚轴的主值依次为 $\dfrac\pi2$、$\pi$、$\dfrac{3\pi}{2}$。零复数对应原点,没有方向,因而没有辐角。

从坐标求模与辐角

以 $z=1-i$ 为例,先求模:$r=\sqrt{1^2+(-1)^2}=\sqrt2$。再看坐标 $(1,-1)$:位于第四象限,横、纵坐标绝对值相等,所以可以取 $\theta=-\dfrac\pi4$。

代入三角形式:

$$ 1-i=\sqrt2\left(\cos\left(-\dfrac\pi4\right)+i\sin\left(-\dfrac\pi4\right)\right). $$

若要求本篇约定的主值,就给 $-\dfrac\pi4$ 加一整周,得到 $\dfrac{7\pi}{4}$。这两个角表示同一方向。

反过来,把三角形式转回代数形式,只需计算 $r\cos\theta$ 和 $r\sin\theta$;这里分别得到 $1$ 和 $-1$,所以仍是 $1-i$。确定辐角时要同时看坐标的正负,不能只凭一个正切值忽略象限。

复数一减 i 的模是根号二,方向角可取负四分之π实轴虚轴O1−1Z(1, −1)θ
蓝色向量的长度是 $\sqrt2$,紫色弧线表示从正实轴顺时针转过 $\dfrac\pi4$,即 $\theta=-\dfrac\pi4$。加上一整周得到主值 $\dfrac{7\pi}{4}$,方向不变。

核心结论

非零复数可写成 $z=r(\cos\theta+i\sin\theta)$:模 $r$ 记录长度,辐角 $\theta$ 记录方向。

辐角相差整数个整周时表示同一方向;本篇选取 $[0,2\pi)$ 内的主值。零复数没有辐角。