수학 개념 지도
복소수(Complex number)

극형식(Polar form)

복소수⁠(complex number)⁠를 원점에서의 거리 r과 각도 φ로 적는 방법. z = r(cos φ + i sin φ) = r·eⁱᵠ.

z=r eiφ=r(cos⁡φ+isin⁡φ)z = r\,e^{i\varphi} = r(\cos\varphi + i\sin\varphi)
먼저 보면 좋은 개념복소수단위원과 라디안

평면 위의 점은 가로·세로 좌표 대신 거리와 방향으로도 적을 수 있습니다. 점 zz를 끌어 보세요. 원점에서의 거리 r=∣z∣=r = |z| = , 각도 φ=arg⁡z=\varphi = \arg z = 입니다. 각도는 360°를 더하거나 빼도 같은 점을 가리키고, 원점에서는 정해지지 않습니다.

주황은 거리, 빨간 호는 각도입니다. 흐린 빨간 화살표는 그 방향의 단위 벡터⁠(vector)⁠이고, 점선 원이 단위원입니다.

각도 φ 방향의 단위 벡터는 단위원⁠(unit circle)⁠ 위의 점 (cos⁡φ,sin⁡φ)(\cos\varphi, \sin\varphi)이고, 오일러 공식⁠(Euler's formula)⁠으로 쓰면 eiφe^{i\varphi}입니다. 여기에 거리 r을 곱한 것이 z입니다.

극형식에서는 곱셈이 쉬워집니다. 거리는 곱하고 각도는 더하면 됩니다: r1eiφ1⋅r2eiφ2=r1r2 ei(φ1+φ2)r_1e^{i\varphi_1} \cdot r_2 e^{i\varphi_2} = r_1r_2\,e^{i(\varphi_1+\varphi_2)}. 이것이 복소수 곱셈⁠(complex multiplication)⁠의 기하학이고, 각도를 더하는 연산은 회전 행렬⁠(rotation matrix)⁠의 곱과 같습니다.

극형식에서 zⁿ = 1을 풀면 크기 1, 각도 2πk/n인 1의 거듭제곱근⁠(roots of unity)⁠이 바로 나옵니다. 실수부⁠(real part)⁠와 허수부⁠(imaginary part)⁠가 모두 정수⁠(integer)⁠인 복소수 m+nim + ni(m>n>0m > n > 0)를 제곱하면 크기는 제곱되고 각도는 두 배가 됩니다. 계산하면 (m+ni)2=(m2−n2)+2mn i(m + ni)^2 = (m^2 - n^2) + 2mn\,i이고 그 크기는 m2+n2m^2 + n^2이니, 세 정수 m2−n2, 2mn, m2+n2m^2 - n^2,\ 2mn,\ m^2 + n^2가 직각삼각형⁠(right triangle)⁠의 세 변, 곧 피타고라스 세 쌍⁠(Pythagorean triples)⁠이 됩니다. 예를 들어 (2+i)2=3+4i(2 + i)^2 = 3 + 4i에서 3, 4, 5가 나옵니다.

극형식의 각도를 편각⁠(argument)⁠이라고도 합니다. 복소함수⁠(complex function)⁠ f에 대해 z가 닫힌 곡선을 따라 반시계 방향으로 한 바퀴 돌 때 f(z)의 편각이 몇 바퀴 도는지 세면, 그 곡선 안에 있는 영점⁠(zero)⁠의 개수에서 극의 개수를 뺀 값이 나옵니다(겹친 영점과 극⁠(zeros and poles)⁠은 겹친 만큼 셉니다). 단, f가 곡선 안에서 영점과 극 말고는 매끄러운(복소 미분⁠(differentiation)⁠ 가능한) 함수⁠(function)⁠이고, 곡선 위에는 영점도 극도 없어야 합니다. 이를 편각 원리라 합니다. 크기와 각도를 따로 떼어 보는 극형식 덕분에 보이는 일입니다.

편각에는 까다로운 점도 있습니다. 편각을 원점을 도는 고리 위 전체에서 끊기지 않게 하나로 정할 수는 없습니다. 조각마다는 정할 수 있는데 전체로는 붙지 않는 이 현상이 층과 그 코호몰로지⁠(cohomology)⁠를 설명하는 대표적인 예입니다.

이 개념이 나오는 큰 생각표현 바꾸기

이 개념이 나오는 긴 글

미분에서 회전까지 · 4편 · 오일러 공식 원을 그리는 지수함수 지수함수에 허수를 넣으면 원이 된다. 가장 유명한 등식은 어디서 왔을까? 미분에서 회전까지 · 5편 · 복소수와 행렬 곱셈은 회전이다 복소수를 곱하는 일과 행렬로 평면을 돌리는 일은 같은 일이다. 삼각함수 원에서 파동으로 별의 위치를 재던 현의 표가 사인이 되고, 열의 흐름을 풀던 푸리에가 모든 파동을 사인으로 쪼갰다.

이 개념 위에 세워진 것

이 개념을 언급하는 페이지

이 페이지가 가리키는 개념