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复数可以在复平面(complex plane)上表示,复平面横纵坐标分别为实部和虚部,下图就是复数 $2+3i$ 在复平面上的表示。
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- ![ 复平面] ( https://blog.mengqi.life/images/complex/complex-plane.png )
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+ ![ 复平面] ( https://blog.mengqi.life/images/complex/complex-plane.webp )
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我们可以发现,这个复平面和实数空间的直角坐标系类似。那可不可以用极坐标的方法表示复数呢?
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例如,复数 $4+3i$ 的复平面直角坐标表示是$(4, 3)$,原点指向该点的向量长度 $r=\sqrt{ 3 ^ 2 + 4 ^ 2 } =5$,向量的角度 $\theta = arctan(\frac{ 3 }{ 4 } )$。
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- ![ 复数的极坐标表示] ( https://blog.mengqi.life/images/complex/complex-polar-plane.png )
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+ ![ 复数的极坐标表示] ( https://blog.mengqi.life/images/complex/complex-polar-plane.webp )
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这里,复数极坐标表示的长度 $r$ 也被称为「强度(magnitude)」,角度 $\theta$ 也被称为「相位(phase)」。
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### 2.1 由复数极坐标得到直角坐标
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上面我们用复数的直角坐标计算出了极坐标,那么是不是也可以由极坐标推出直角坐标呢?我们还是从复平面中来看:
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- ![ 复数两种表示形式之间的转换 ] ( https://blog.mengqi.life/images/complex/complex-polar-transform.png )
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+ ![ 复数两种表示形式之间的转换 ] ( https://blog.mengqi.life/images/complex/complex-polar-transform.webp )
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从上图可以看出,当我们有复数极坐标 $(r, \theta)$ 时,我们可以得到其直角坐标 $(r \cos(\theta), r \sin(\theta))$,即该复数为 $r\cos\theta + r* i\sin\theta$。
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实数波我们比较熟悉,就是 $\sin\theta$ 或 $\cos\theta$ 形式。而复数波则是由 $e^{ i \theta } $ 来定义,实数波和复数波的示意图如下:
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- ![ 实数波和复数波示意 ] ( https://blog.mengqi.life/images/complex/real-wave-complex-wave.png )
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+ ![ 实数波和复数波示意 ] ( https://blog.mengqi.life/images/complex/real-wave-complex-wave.webp )
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从示意图中,可以看出,当俯视复数波时,观察到的投影即是一个实数波,即是 $e^{ i \theta } =\cos\theta + i* \sin\theta$ 的实部:$\cos\theta$;当从左侧侧视复数波时,得到的投影即是其虚部:$\sin\theta$。
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