Los números complejos, como ya sabes, son números que poseen un número imaginario \(i\). Estos números que se componen de una parte real y una parte imaginaria forman un binomio de tipo: \[a+bi\]
Donde: \(a\) es la parte real y \(b\) es la parte imaginaria.
Si no recuerdas esto, no olvides pasar por nuestro artículo sobre números complejos. En él explicamos cómo representarlos en el plano complejo y cómo calcular el conjugado de un número complejo, entre muchas otras cosas.
Operaciones con números complejos en forma binómica
Los números complejos permiten hacer operaciones en su forma binómica \(a+ib\). Así, estos números se pueden multiplicar, sumar, restar o, incluso, dividir. Veamos algunas fórmulas para esto.
Suma y resta
La suma de complejos se hace de modo directo; esto es: \[(a_1+ib_1)+(a_2+ib_2)=(a_1+a_2)+i(b_1+b_2)\]
Para la resta, de igual manera: \[(a_1+ib_1)-(a_2+ib_2)=(a_1-a_2)+i(b_1-b_2)\]
En ambos casos, lo que ocurre es que solo se pueden sumar o restar las partes reales entre sí y las partes imaginarias entre sí.
Multiplicación
La multiplicación puede ser de tres modos:
Multiplicación por un número real: fórmula \[k(a+ib)=k(a)+k(ib)\]
Multiplicación por un número imaginario: fórmula \[ik(a+ib)=ika+(-kb)=-kb+ika\]
Multiplicación por otro número complejo: se tiene \[(a+ib)(c+id)=a·c+a·id+ib·c+i^2b·d\], lo cual se reduce a \[(a+ib)(c+id)=(ac-bd)+i(ad+bc)\]
División
Para hacer la división de dos números complejos, debemos multiplicar y dividir por el conjugado del denominador: \[\dfrac{a+ib}{c+id}=\dfrac{(a+ib)(c-id)}{(c+id)(c-id)}=\dfrac{(ac+bd)+i(bc-ad)}{c^2+d^2}=\dfrac{ac+bd}{c^2+d^2}+i\dfrac{bc-ad}{c^2+d^2}\]
Potencias
La última operación es elevar un número complejo a una potencia. Para ello, sólo hay que multiplicar el número complejo por sí mismo tantas veces como sea el valor del exponente.
Si es un cuadrado o un cubo, se pueden aplicar las identidades notables:
\[(a+ib)^2=a^2+2iab-b^2\]
\[(a+ib)^3=a^3+3ib(a^2)+3a(ib)^2+(ib)^3\]
Otras formas de los números complejos
Los números complejos también tienen una forma polar y una forma trigonométrica; esta forma convierte el número complejo de \(z=a+ib\) en \(z=r_{\alpha}\), para forma polar; y en \(z=r(\cos(\alpha)+i\sin(\alpha))\), para la forma trigonométrica.
En estas formas, \(\alpha\) es el argumento del número complejo, que es el ángulo formado por la parte real y la parte compleja en el plano complejo. Este ángulo se puede ver en la siguiente figura:
Fig. 1: Representación de un número complejo, donde \(|Z|\) es el módulo del vector.
Operaciones con números complejos en forma polar
Como hemos mencionado,
La forma polar de un número complejo es la expresión de este mediante su módulo y el argumento del número complejo.
Por tanto, la forma polar de un complejo es: \[z=r_{\alpha}\]. Donde: \(r\) es el módulo del complejo \(r=|z|=\sqrt{a^2+b^2}\) y \(\alpha\) es el argumento \(\alpha=\arctan\dfrac{b}{a}\).
Como los números complejos se representan en el plano complejo —donde el eje \(x\) representa a los números reales y el eje \(y\) representa a los números imaginarios—, si el ángulo pertenece a uno de estos ejes, sabemos que este número es un número imaginario puro o un número real.
Por ejemplo:
\(a=a_{0º}=a_0\) es un número real positivo, puesto que cae sobre el eje positivo de la \(x\).
\(-a=a_{180º}=a_{\pi}\) es un número real negativo, puesto que cae sobre el eje negativo de la \(x\).
\(bi=b_{90º}=b_{\pi/2}\) es un número imaginario puro positivo, puesto que cae sobre el eje positivo de la \(y\).
\(-bi=b_{270º}=b_{3\pi/2}\) es un número imaginario puro negativo, puesto que cae sobre el eje negativo de la \(y\).
De las operaciones que son sencillas en forma polar están el producto, las potencias y la división.
En la multiplicación entre complejos \(z_1=r_{\alpha}\) y \(z_2=s_{\beta}\) se usa la fórmula siguiente:
\[z_1·z_2=(r·s)_{\alpha + \beta}\]
Aquí, solamente se deben multiplicar los módulos y sumar sus argumentos.
Para la división se hace lo contrario; la división de \(z_1\) entre \(z_2\) debe ser la división de los módulos y la resta de los argumentos:
\[\dfrac{z_1}{z_2}=\left(\dfrac{r}{s}\right)_{\alpha - \beta}\]
La potenciación, en este caso, se hace de manera que el elevar el número complejo \(z^n\) o \((a+ib)^n\) es igual a:
\[z^n=(r_{\alpha})^n=(r^n)_{n\alpha}\]
Operaciones con números complejos en forma trigonométrica
Llegar a la forma trigonométrica es sencillo, a partir de la forma polar, teniendo ya el módulo y el argumento del número complejo.
La forma trigonométrica es: \[z=r(\cos(\alpha)+i\sin(\alpha))\]
Es decir, la parte real del complejo es \(a=r\cos(\alpha)\) y la parte imaginaria es \(b=r\sin(\alpha)\).
En la forma trigonométrica, la multiplicación de complejos por un escalar solo afecta al módulo:
Fig. 2. Representación del número complejo de la Fig. 1 multiplicado por \(\frac{1}{2}\), donde observamos que el argumento no ha cambiado.
En cambio, la multiplicación por un imaginario rota el vector:
Fig. 3: Representación del número complejo de la Fig. 1 multiplicado por \(i\).
La potencia, en la forma trigonométrica, sigue la fórmula de De Moivre: \[z^n=(r^n)_{n\alpha}=r^n(\cos(n\alpha)+i\sin(n\alpha))\]
Números complejos en forma exponencial
Otra forma en la que se puede expresar un número complejo es la forma exponencial. En esta forma, el número complejo \(z\) se expresa como: \[z=re^{i\alpha}\]
Aquí, nuevamente, \(r\) es el módulo y \(\alpha\) es el ángulo entre la parte imaginaria y la parte real.
Esta forma proviene de la expresión de las funciones trigonométricas como exponenciales:
\[\sin(\alpha)=\dfrac{e^{i\alpha}-e^{-i\alpha}}{2i}\]
\[\cos(\alpha)=\dfrac{e^{i\alpha}+e^{-i\alpha}}{2}\]
A partir de la forma trigonométrica de los números complejos:
\[z=r(\cos(\alpha)+i\sin(\alpha))=r(\dfrac{e^{i\alpha}+e^{-i\alpha}}{2}+\dfrac{e^{i\alpha}-e^{-i\alpha}}{2})=re^{i\alpha}\]
Operaciones con números complejos: ejercicios resueltos
Hagamos algunos ejercicios, para que puedas resolver problemas de este tipo.
Suma los siguientes números complejos: \((3+i4)\) y \((2-i)\).
Solución:
\[(3+i4)+(2-i)=(3+2)+i(4-1)=5+i3\]
Resta los siguientes números complejos: \((5+i4)\) y \((2-i7)\).
Solución:
\[(5+i4)-(2-i7)=(3-2)+i(4+7)=5-i11\]
Multiplica los siguientes números complejos: \((1+i3)\) y \((1-i7)\). En este caso, debes de expandir el producto.
Solución:
\[(5+i4)(2-i7)=5·2+5·(-i7)+2·(i4)-4·(-7)=10-35i+8i+28\]
Y, por último, lo reducimos:
\[38-27i\]
Divide los siguientes números complejos: \((1+i)\) y \((1-i1)\).
Solución:
Para esto, multiplicamos y dividimos por el conjugado del denominador:
\[[\dfrac{1+i}{1-i}=[\dfrac{1+i}{1-i}\dfrac{1+i}{1+i}=\dfrac{1+i+i-1}{1+1}=\dfrac{2i}{2}=i\]
Ahora, hagamos algunos ejemplos usando la forma trigonométrica polar y binómica:
Eleva el siguiente número al cuadrado: \((2+i3)\).
Solución:
Para hacer esto, debemos expandir el binomio. Esto nos da:
\[(2+i3)^2=2^2+2·2·3i-3^2=4+12i-9=-5+12i\]
Ejercicio en forma polar y trigonométrica:
Multiplica el número \(z_1=2+i3\) por el número \(z_2=1+i4\) usando la forma polar.
Solución:
Para esto, primero debemos encontrar la forma polar de ambos números.
Empecemos con los módulos, que son:
\[|z_1|=|2+i3|=\sqrt{2^2+3^2}=\sqrt{13}\]
\[|z_2|=|1+i4|=\sqrt{1^2+4^2}=\sqrt{17}\]
Ahora, debemos encontrar el ángulo de estos. Tal como explicamos antes:
\[\alpha=\arctan\dfrac{b}{a}\]
Por tanto, tenemos:
\[\alpha_1=\arctan\dfrac{3}{2}=0,98 rad\]
\[\alpha_2=\arctan\dfrac{4}{1}=1,33 rad\]
Así, usando la fórmula:
\[z_1z_2=(|z_1||z_2|)_{\alpha_1 + \alpha_2}\]
Donde \(\alpha_1\) y \(\alpha_2\) son \(0,98 \text{ rad}\) y \(1,33 \text{ rad}\).
Finalmente, debemos multiplicar las magnitudes y sumar los argumentos:
\[z_1z_2=(\sqrt{14}\sqrt{17})_{0,98+1,33}\]
\[z_1z_2=\sqrt{238}_{2,31}\]
Eleva el número complejo \(z=2(\cos(\pi)+i\sin(\pi))\) al cuadrado.
Solución:
Para esto, usamos la siguiente fórmula:
\[z^n=r^n(\cos(n\alpha)+i\sin(n\alpha))\]
Aquí \(alpha=\pi\) y \(n=2\), por lo cual se tiene:
\[z^2=2^2(\cos(2\pi)+i\sin(2\pi))=4(1+i0)=4\]
Operaciones con números complejos - Puntos clave
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