湯川学が言ってた「虚数解」を理解しよう ! !
1.2次方程式の虚数解のイメージ化
一般に実係数の2次方程式 f(x)=0の実数解は,xy平面上におけるy=f(x) のグラフとx軸との共有点のx座標である。しかし,虚数解のときのその実態はわかりにくい。虚数解を実数解のようにイメージ化する方法を考えてみよう。
具体的に次の関数を例にとって考えてみる。
y=x2-2x+5・・・①
y=(x-1)2+4 より,xが実数のときグラフはfig_1_1のようになる。
このとき,方程式
x2-2x+5=0・・・②
は実数解を持たない。解はx=1±2i という虚数解になる。
それではxを虚数解と考えx=u+vi (u,v は実数) としてみると,
y=(u+vi)2-2(u+vi)+5
=u2+2uvi-v2-2u-2vi+5
=(u2-v2-2u+5)+2v(u-1)i・・・③
yが実数になる場合を考えると,
2v(u-1)=0 ∴ v=0 または u=1・・・④
このとき,yの実数部分 Real y は,
Real y=u2-v2-2u+5・・・⑤
となる。
ここまでを図示してみる。x=u+vi は u,vを両座標軸にとった平面(複素平面)上の点 (u,v) で表わされる。
そして,その原点Oでこの平面に垂直に実平面を立てた空間を考え,その3次元空間で y=f(x)=f(u,v) のグラフを考えれば良いことになる。 (fig_1_2参照)
⑤のReal y=u2-v2-2u+5 のグラフはfig_1_3のようになる。
ここで,④の2つの場合を考えてみよう。
(1) v=0のとき (xが実数のとき)
⑤より Real y=u2-2u+5 となり,x=u+vi=u だから
Real y=u2-2u+5= x2-2x+5
これはfig_1_1で示されているものと同じ実数解を持つ場合である。
このことを別な角度からイメージ化すると次のようになる。先ほどの3次元空間上の
曲面 Real y=u2-v2-2u+5 と平面v=0
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