Imaginära tal är tal som byggs med hjälp av den imaginära enheten i, där i definieras så att {\displaystyle i^{2}=-1}. En imaginär enhet kan ses som en symbolisk kvadratrot av −1; eftersom inga verkliga tal har denna egenskap införs i som ett nytt begrepp i talens system. Mängden av rena imaginära tal (tal som kan skrivas som bi där b är reellt och a = 0) betecknas ibland med symbolen {\displaystyle \mathbb {I} }.

Grundläggande tolkning och geometrisk bild

Ett enkelt sätt att föreställa sig imaginära tal är genom en tvådimensionell koordinatbild: en axel för reella tal (horisontell) och en axel för imaginära tal (vertikal). Ett rent reellt tal som 1 ligger ett steg österut; ett rent imaginärt tal som i ligger ett steg norrut. I denna tolkning motsvarar multiplikation med i en rotation med 90 grader moturs: om du börjar gå österut och multiplicerar din rörelse med i så går du istället norrut.

Aritmetiska regler (kortfattat)

  • Addition: (a + bi) + (c + di) = (a + c) + (b + d)i.
  • Subtraktion: (a + bi) − (c + di) = (a − c) + (b − d)i.
  • Multiplikation: (a + bi)(c + di) = (ac − bd) + (ad + bc)i. Särskilt gäller (bi)(di) = −bd (eftersom i² = −1).
  • Potenser: i² = −1, i³ = −i, i⁴ = 1 och potenserna upprepar sig periodiskt med period 4.
  • Konjugat: Det komplexa konjugatet till a + bi är a − bi. Produkten (a + bi)(a − bi) = a² + b² är alltid ett icke-negativt reellt tal.
  • Modul (absolutvärde): |a + bi| = sqrt(a² + b²), det geometriska avståndet till origo.

Exempel

Att ta kvadratroten av ett negativt tal blir naturligt med imaginära tal: sqrt(−9) = 3i, eftersom (3i)² = 9i² = 9(−1) = −9. Kvadratiska ekvationer som x² + 1 = 0 får rötterna x = ±i.

Ett par räkneexempel:

  • (2 + 3i) + (1 − 4i) = 3 − i.
  • (1 + 2i)(3 + 4i) = 3 + 4i + 6i + 8i² = (3 − 8) + 10i = −5 + 10i.

Kopplingen till komplexa tal

Imaginära tal används tillsammans med reella tal för att bilda komplexa tal av formen a + bi, där a och b är reella tal. Reella och imaginära delar ger tillsammans en komplett tvådimensionell beskrivning av komplexa tal. Många algebraiska satser, till exempel att varje polynom av grad n (med komplexa koefficienter) har exakt n rötter när man räknar multiplicitet, kräver tillgång till komplexa tal — detta kallas algebraisk slutenhet.

Polär form och Euler

Varje icke-noll komplex tal kan också skrivas i polär form r e^{iθ} = r(cos θ + i sin θ), där r är modulus och θ argument (vinkel). Eulerformeln e^{iθ} = cos θ + i sin θ visar det direkt och används brett i analys, signalbehandling och fysik.

Tillämpningar

Imaginära och komplexa tal förekommer i många tillämpningar inom naturvetenskap och teknik. Exempel:

  • Inom elektroteknik används ofta j i stället för i för att beteckna den imaginära enheten (för att undvika förväxling med symbolen för ström). Complexa impedanser, fasförskjutningar och analys av växelströmskretsar bygger på komplex aritmetik.
  • Flera områden i fysiken, till exempel kvantfysik och högenergifysik, använder imaginära tal i grundläggande ekvationer (t.ex. Schrödinger-ekvationen innehåller en faktor i).
  • Signalbehandling, kontrollteori, vibrationsanalys, vågfenomen och differentialekvationer använder komplexa tal för att förenkla beräkningar och förstå vågrörelser och svängningar.

Historisk anmärkning och terminologi

Begreppet "imaginärt" myntades historiskt som ett sätt att uttrycka skepsis, men idag betraktas i som lika legitimt som andra typer av tal. Precis som negativa tal eller rationella tal utvidgar talbegreppet för att lösa specifika problem (t.ex. subtraktion eller uppdelning), utvidgar imaginära tal talfältet så att man kan lösa rotproblem som annars inte har reella lösningar.

Sammanfattning

Imaginära tal introducerar en ny riktning till talinjen; tillsammans med reella tal bildar de komplexa tal som ger ett kraftfullt verktyg för analys, geometri och tillämpningar i vetenskap och teknik. Grundregeln i allt detta är {\displaystyle i^{2}=-1}, och från den följer alla de aritmetiska och geometriska egenskaper som gör imaginära tal så användbara.