複數

複數者，虛實相合之數也。夫實數者，數軸以示，次序自明。若夫虛數，負數方根耳。虛實相合，記曰「${\displaystyle z=a+bi}$」，此複數也（其中${\displaystyle a}$曰「實部」，${\displaystyle b}$曰「虛部」，皆實數也；${\displaystyle i={\sqrt {-1}}}$者虛元也）。聚以成集，記曰「複數域」（${\displaystyle \mathbb {C} }$）。

註︰蓋當今數學之事，誠難僅以文述，而無符號，故凡數學之文，咸有漢字、拉丁字相易之事，以合文言、數學，則無論文理之人，皆可明之也。

複平面

算

問曰：三實四虛（記曰「${\displaystyle 3+4i}$」）者何？

答曰：立一平面，横實縱虛，曰複平面。上有一點（「z」），横三縱四，即數三實四虛也。以極坐標視之，徑五，角千分之九百二十七弧，謂模五，幅角千分之九百二十七（記曰「${\displaystyle 5e^{i0.927}}$」）。模，亦曰絕對值（記曰「${\displaystyle |z|}$」）。

又曰：虛負之同乎角負之，曰軛（記曰「${\displaystyle {\bar {z}}=a-bi=re^{i(-\theta )}}$」）。

欲求模：先合虛實之方，復開方之（記曰「${\displaystyle |z|=r={\sqrt {a^{2}+b^{2}}}}$」）（勾股定理，取${\displaystyle z}$至原心${\displaystyle (0,0)}$之距）。

求幅角：虛除實，求正切之逆（記曰「${\displaystyle \theta =\arctan \left({\frac {b}{a}}\right)}$」）。

複數之四則，算之有法。

欲求和、差：虛實二部，各相加減，得數自明（記曰「${\displaystyle (a\pm bi)+(c\pm di)=(a\pm c)+(b\pm d)i}$」）。

欲求積：實乘實，減虛乘虛，餘為實，虛實互乘，和為虛（記曰「${\displaystyle (a+bi)(c+di)=(ac-bd)+(ad+bc)i}$」）。或模相乘為模，角相加為角（記曰「${\displaystyle (r_{1}e^{i\theta _{1}})(r_{2}e^{i\theta _{2}})=(r_{1}r_{2})e^{i(\theta _{1}+\theta _{2})}}$」）。

是以乘負一開方，同乎逆時轉一直角耳！

數軛相乘，為模之方耳（記曰「${\displaystyle z{\bar {z}}=|z|^{2}}$」）。故倒數為模之方除軛（記曰「${\displaystyle z^{-1}={\frac {\bar {z}}{|z|^{2}}}}$」）。

欲求商：模相除為模，角相減為角（記曰「${\displaystyle {\frac {r_{1}e^{i\theta _{1}}}{r_{2}e^{i\theta _{2}}}}=({\frac {r_{1}}{r_{2}}})e^{i(\theta _{1}-\theta _{2})}}$」）。有模軛求商法，被除者乘除者之倒數也（記曰「${\displaystyle {\frac {z_{1}}{z_{2}}}=z_{1}z_{2}^{-1}={\frac {z_{1}{\overline {z_{2}}}}{|z_{2}|^{2}}}}$^[1]）」。

史

虛數之事，蓋自三次方程之解始。三次方程，當何以解？自古以來，殆無善法。疇人卡爾達諾知其解，然中有一弊，莫之能明。即其解本當為實，然以之算，卻得負數開方^[2]，然負數豈有方根耶？

此事犖繞疇人良久，然雖惑而無有違者。已而百年，笛卡兒方有異議，其病之曰：「負數之根，有若虛幻，非實數耳。」遂有虛數、實數之名。高斯立複平面之說，謂虛實二軸相垂得複平面，以其上任一點示一複數，一一相應，無所缺漏。由是無復惑耳。

性

複數之集，乃域之屬矣。

複數域，乃實數域加元方為負一（「${\displaystyle x^{2}=-1}$」）之偽解，故為實數域之代數引伸。有代數基本定理云：「複多項式，必有複數解。」，故複數域者，實數域之代數閉包也。

複數者，可以代數數之柯西序列定義之。故複數域乃代數數域之拓撲閉包也。

注

1. 即 ${\displaystyle {\frac {a+bi}{c+di}}=\left({\frac {ac+bd}{c^{2}+d^{2}}}\right)+\left({\frac {-ad+bc}{c^{2}+d^{2}}}\right)i}$
2. 方程${\displaystyle x^{3}-15x-4=0}$求解，得${\displaystyle {\sqrt[{3}]{2+{\sqrt {-121}}}}+{\sqrt[{3}]{2-{\sqrt {-121}}}}}$，而此實為四矣。

數系

自然數 | 整數 | 有理數 | 進數 | 實數 | 代數數 | 超越數 | 複數 | 虛數 | 超複數 | 四元數 | 八元數 | 十六元數 | 超實數 | 無窮小 | 非標準實數 | 康威數 | 基數 | 序數