Numeros complejos

Un número complejo z es un par ordenado de números reales x e y, escrito como : z = ( x,y ) (Notación en componentes o coordenadas cartesianas). x se llama la parte real de z : Re ( z ) := x y se llama la parte imaginaria de z : Im ( z ) :=y

Dos números complejos son iguales si y sólo si sus partes reales e imaginarias son iguales: (x 1 ,y 1 ) = (x 2 ,y 2 ) si, y sólo si, x 1 = x 2 , y 1 = y 2 El conjunto de números complejos, se denota por C:

(0,1) se llama la unidad imaginaria y se denota por: (Los ingenieros eléctricos a menudo usan “j” para evitar confusiones con el símbolo “i”, que asocian a la intensidad eléctrica).

Si x = 0 ( z = i y ), entonces z se dice que es un imaginario puro . Si y = 0 ( z = x ), entonces z se comporta como un número real . z = x + i y Un número complejo z = (x,y) se escribe comúnmente como ( notación algebraica o binómica, “afijo” en textos de antaño ):

El nacimiento de los números complejos Niccolo Fontana Tartaglia (1499-1557) En un críptico poema, Tartaglia revelaba a su amigo Cardano, el secreto para resolver determinadas ecuaciones de tercer grado, con un método que implicaba el uso de lo que ahora conocemos como “números complejos”

Girolamo Cardano (1501-1576) Ars Magna (1545) Considerada como la fecha de nacimiento de los números complejos. Resolución de ecuaciones de tercer y cuarto grado. “ Divide 10 en dos partes, de modo que una por la otra dé 40.” x(10-x)=40; Solución “intrigante”.

Rafael Bombelli (1526-1572) resolvió la situación operando como lo hacemos hoy con números complejos. Forma general de la ecuación cúbica y solución: Funcionaba bien en algunos casos, como: Pero en otros ... : Cardano sabía que x = 4 es solución de esta ecuación.

René Descartes (1596-1650) 60 años después de Bombelli: “ A pesar de que podemos pensar que la ecuación x 3 - 6x 2 + 13x - 10 = 0 tiene tres raíces, únicamente una de ellas es real, la cual es 2, y las otras dos…son simplemente imaginarias .” Ren é Descartes "La Géométrie" (1637)

“ Los números imaginarios son un excelente y maravilloso refugio del Espíritu Santo, una especie de anfibio entre ser y no ser” Gottfried von Leibnitz (1.646 – 1.716) Otros términos que han sido usados para referirse a los números complejos incluyen : “ Sofisticados” (Cardano) “ Sin sentido” (Néper) “ Inexplicables” (Girard) “ Incomprensibles” (Huygens) “ Imposibles” (Diversos autores)

“ Estos números no son nada, ni menos que nada, lo cual necesariamente los hace imaginarios, o imposibles”. “… formulam littera i …” Leonhard Euler (1777) Leonhard Euler (1.707 – 1.783) Con Euler los imaginarios se incorporan definitivamente en la Matemática. i 2 = -1; introdujo la notación binómica. Demostró que el conjunto de los números “ imaginarios” era cerrado para las cuatro operaciones básicas, así como para la potenciación y la radicación.

Karl Friedrich Gauss (1777-1855) “ Números íntegros complexos ” K. F. Gauss (1831) “ Nuestra aritmética (...), constituye la creación de los tiempos modernos, (...). A los números enteros se han agregado las fracciones; a las cantidades racionales, las irracionales; a las positivas, las negativas; y a las reales, las imaginarias”. “ ¿Qué es un número complejo?” Gauss dio la respuesta satisfactoria definitiva en 1831 al establecer la interpretación geométrica: x+iy -> (x,y).

Miguel de Guzmán (1936-2004) “ La visualización de los números reales mediante los puntos de una recta o de los números complejos mediante los puntos del plano no solamente penetró sin gran resistencia en el análisis, sino que se puede decir con razón que, en el caso de los números complejos, esta visualización (Argand, Gauss) fue lo que hizo posible vencer la fuerte oposición de la comunidad matemática al dar carta de ciudadanía a los números complejos”. El rincón de la pizarra: ensayos de visualización en análisis matemático.

El plano complejo (Plano z, de Argand o de Gauss) Eje real Eje imaginario

Suma y resta de números complejos en el plano complejo En la suma (y la resta) los números complejos se comportan como vectores

C con la suma y el producto por un escalar posee estructura de espacio vectorial real bidimensional, es isomorfo a R 2 . El conjunto {1, i} es base de ese espacio. Y podemos identificar C con los vectores libres del plano R 2 . Pero recordemos que C tiene algo más: el producto complejo.

Desigualdad triangular El módulo de z es equivalente a la distancia euclidiana del vector libre (x,y). La distancia entre z 1 y z 2 es |z 1 -z 2 |. Así disponemos de un espacio métrico donde podemos definir límites, continuidad, ... ¿Qué significa que |z 1 | > |z 2 | ?

A partir de las coordenadas polares ( r ,  ) tenemos : Forma polar y trigonométrica Forma trigonométrica

Producto de números complejos en el plano complejo

Multiplicar por i es equivalente a girar 90 grados en sentido anti-horario (operador rotación). "The number you have dialed is imaginary. Please rotate your phone 90 degrees and try again." Anonimous

Representación matricial de los números complejos Actúa como 1 Actúa como i (una rotación de 90º) Con la suma y el producto matricial clásico, y teniendo en cuenta que toda matriz no cero de este tipo es invertible, tenemos un cuerpo. El módulo es igual a la raíz cuadrada del determinante. ¿A qué corresponde el conjugado de z en forma matricial?

Caspar Wessel (1745 - 1818) Primera representación geométrica en 1797. Jean Argand (1768 - 1822) Idem y además consideró i como una rotación de 90º. Jhon Wallis (1616 - 1703) “ Algebra ”(1673) ¿Qué significa un número complejo? Anteriores a Gauss:

¿Qué significa un número complejo? Bus parado en el semáforo (arrancando) Tú corriendo para pillarlo d v a x = 0 Alcanzar el bus en T: T es un tiempo complejo y no alcanzarás el bus. Pero además tiene significado físico. Supongamos que perdemos el bus, pero que queremos saber en que momento estuvimos más cerca. ¿En que tiempo s es mínimo? Es decir: el tiempo correspondiente a la parte real del tiempo complejo T. ¿Qué significan T+ y T-?

Relatividad especial: la importancia de i Distancia espacial (teorema de Pitágoras) Métrica euclidiana Invariancia frente a rotaciones y/o translaciones Albert Einstein (1879 – 1955)

Transformaciones de Galileo Transformaciones de Lorentz

¿Cómo hacer (ds) 2 invariante? Lo que Minkowski descubrió es que en vez de usar c(dt) debemos tomar ic(dt). Demostrar que de esta manera (ds) 2 es invariante bajo las transformaciones de Lorentz. Observa que usando ic(dt) o lo que es lo mismo c(idt) , ¡tenemos un “tiempo imaginario”! “ Las consideraciones sobre el espacio y el tiempo que quisiera presentarles surgieron en el seno de la física experimental, y en ello radica su fuerza. Son radicales. De ahora en adelante el espacio en sí mismo y el tiempo en sí mismo están condenados a ser sombras; sólo un tipo de unión entre los dos conservará una realidad independiente”. Hermann Minkowski (1864 – 1909)

El segundo paso (extraer raíces a ambos lados) puede parecer el origen de la falacia, pero no lo es. Basta con determinar el valor principal en ambas raíces. El tercer paso es el origen de la falacia. No existe regla que garantice que: excepto si a>0 y b>0 . La única manera de que dos números u y v ( u,v distintos de cero) tengan el mismo cuadrado es que u = v o u = -v . En nuestro caso, podíamos haber escrito:

De esta manera no se produce falacia. Observemos que pasa lo mismo con:

A pesar de las diferencias entre N, Z, Q, R y C , poseen muchas propiedades comunes como la conmutatividad y la asociatividad de la suma y el producto, la distributividad del producto respecto a la suma o la existencia de elemento unidad para la multiplicación. Según el teorema de Frobenius no es posible un campo mayor que C. ¿Se puede ampliar más el concepto de número de modo que se conserven estas propiedades? F. Frobenius (1849 - 1917)

Sir William Rowan Hamilton (1805 - 1865) Los cuaterniones son números complejos en cuatro dimensiones en lugar de dos (Hamilton 1843). Así un cuaternión q se expresa como: q = a+ib+jc+kd donde a,b,c,d son números reales. {1, i, j, k} hacen de base en el hiperespacio de los cuaterniones. {1, i} era la base estándar para los números complejos, simplemente se añaden dos vectores unitarios, j y k , perpendiculares entre sí. La propiedad conmutativa para el producto de cuaterniones no rige. Cuaterniones e hipercomplejos

El software de vuelo del Space Shuttle usaba cuaterniones para el control de navegación y vuelo. Su uso conseguía compacidad de código, velocidad de cómputo y evitaba aparición de singularidades en los cálculos. Es el precio que pagamos por obtener un álgebra consistente. Así que en general, el producto q ·q´ de dos cuaterniones no es igual que el producto q´ ·q (como ocurre con el producto matricial estándar, por ejemplo). Las reglas de Hamilton para la base de cuaterniones son: i j = k, j k = i, k i = j j i = -k, k j = -i, i k = -j i i = j j = k k = -1, i j k = -1 Los cuaterniones se emplean para describir dinámicas en 3 dimensiones.

Hamilton desarrolló también otra álgebra alternativa: la de los números hipercomplejos. En vez de sacrificar la conmutatividad, sacrificó la existencia de inverso. En el álgebra hipercompleja no todo elemento h distinto de 0 posee inverso 1/h . La base de cuatro elementos posee la misma notación que la de cuaterniones, pero las reglas de multiplicación son distintas: i j = k, j k = -i, k i = -j j i = k, k j = -i, i k = -j i i = j j = -k k = -1 i j k = 1 El puente de Brougham sobre el Canal Real, donde Hamilton inscribió sus famosas reglas para los cuaterniones.

Los números complejos sirven para expresar conjuntamente diversos aspectos de un mismo fenómeno, que aparecerían separados si utilizásemos números reales Ejemplo: El índice de refracción complejo n = n R + i n I

En ocasiones utilizamos los números complejos para simplificar cálculos complicados de realizar por otros caminos. Ejemplo: En lugar de operar con Cos  , trabajamos con e i  = Cos  + i Sen  Y al finalizar nos quedamos sólo con la parte real.

¿Son las oscilaciones cuánticas fluctuaciones estocásticas ordinarias? Analogía ecuación de Schroedinger y ecuación del movimiento browniano FQ: FC:

La analogía formal se cumple si intercambiamos: y Rotación euclídea El tiempo se hace imaginario Interferencias cuánticas

La probabilidad cuántica es proporcional a En cambio, D se refiere directamente a probabilidades en las fluctuaciones clásicas

De hecho, la función de onda ha de ser compleja  De lo contrario no aparecerían los típicos efectos cuánticos de superposición de estados (interferencias)

CONCLUSIONES: Los números imaginarios no son “ficticios” Poseen numerosas aplicaciones científicas Indispensables en la FQ Sus generalizaciones dan ricas estructuras matemáticas Probablemente indiquen algo más allá del E-T

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