师:同学们好,欢迎来到数学课堂。本节课我们一起来学习复数的乘法与除法。首先明确本节课的学习目标:一是掌握复数乘法与除法定义,能够熟练进行复数乘法与除法运算,提升数学运算素养;二是通过类比实数的乘法与除法,推理复数的乘法与除法,培养逻辑推理素养。
下面我们回顾上节课所学知识。两个复数相加,就是实部与实部、虚部与虚部分别相加;两个复数相减,就是实部与实部、虚部与虚部分别相减。同时,我们还学习了复数加法的运算律——交换律和结合律。我们也知道两个复数的和与差仍然是一个复数,复数减法是加法的逆运算,复数的加减法可类比多项式的加减法。
同学们学会了复数的加法与减法,那如何进行复数的乘法运算呢?下面我们就带着这个问题进入本节课的学习。
问题一:通过类比计算多项式((a + bx)×(c + dx)=ac + adx + bcx + bd×x2),思考复数是否也可以相乘,结果如何呢?这个式子是我们初中所学的多项式展开,如果令(x = i)代入上式,可以得到复数((a + bi)×(c + di)=ac + adi + bci + bd×i2)。又因为(i2 = -1),所以复数((a + bi))与((c + di))的乘积可化为复数的标准形式,实部为(ac - bd),虚部为(ad + bc),这就是复数的代数形式。同学们注意,不需要记住这两个复数乘积的结果,但要记住类比多项式展开化简为复数标准形式的方法,这就是我们讲的复数乘法运算。通过以上运算可以发现,两个复数的积仍是一个复数,复数的乘法与多项式的乘法类似,但在运算过程中需要用(i2 = -1)进行化简,然后把实部与虚部分别合并。
问题二:设(Z? = 1 - 2i),(Z? = 3 + 4i),(Z? = -2 + i),请同学们计算以下复数运算,并写出其满足的运算规律。
利用刚刚学习的复数乘法计算,不难发现,这三组运算中每一组的结果都是一致的。第一组为(11 - 8i),第二组为(-20 + 15i),第三组为(11 + 3i)。大家思考,类比实数乘法运算律,能不能写出复数的乘法运算律呢?
由以上三组运算,不难发现,复数的乘法运算也满足交换律、结合律和乘法对加法的分配律。那么我们就可以把乘法运算律由实数范围推广到复数范围。
复数乘法运算律:任意(Z?)、(Z?)、(Z?)属于复数集,有交换律(Z?×Z? = Z?×Z?);结合律((Z?×Z?)×Z? = Z?×(Z?×Z?));乘法对加法的分配律(Z?×(Z? + Z?)=Z?×Z? + Z?×Z?)。类比实数范围内正整数指数幂的运算可得,在复数范围内同样成立。设(Z?)、(Z?)、(Z)属于复数集,且(m)、(n)属于正整数,(Z^m×Z^n = Z^{m + n}),((Z^m)^n = Z^{mn}),((Z?×Z?)^n = Z?^n×Z?^n)。同学们一定要注意,以上三个公式中,(m)、(n)属于正整数,其他范围不属于我们学习范围。
问题三:计算以下复数运算,并写出你所得到的结论。
通过观察不难发现,每一组的两个复数实部相等,虚部互为相反数,那么每一组的乘法运算都满足平方差公式,我们可以口算出结果,第一组为(13),第二组为(13),第三组为(9),第四组为(5)。同学们,由以上(4)组运算,能得到什么结论呢?从以上(4)个运算,可以得到如下结论:如果两个复数实部相等,虚部互为相反数,那么它们的乘积为非负实数,如复数((a + bi)×(a - bi)=a2 + b2)。
当两个复数的实部相等,虚部互为相反数时,这样的两个复数叫做互为共轭复数。通常记复数(z)的共轭复数为(\overline{z})。当复数(z = a + bi)时,共轭复数为(a - bi)。于是我们得到如下两个性质:性质一,(\vert z\vert = \vert\overline{z}\vert);性质二,(z×\overline{z}=a2 + b2 = \vert z\vert2)。
问题四:类比((2 - \sqrt{2})÷(2 + \sqrt{2}) = 3 - 2\sqrt{2}),写出复数的除法。
不难发现这是两个无理数除法运算,主要采用分母有理化进行化简,也就是把分母的无理数转化为有理数的除法运算。那么类比这个方法,可以把两个复数相除,利用共轭复数的性质化简为复数的标准形式。化简如下:复数((a + bi)÷(c + di))改写为分数形式,然后令分子、分母同乘以分母的共轭复数,就可以把分母的复数转化为实数,分子利用复数乘法展开化简,这样就得到了两个复数的商化简为复数的标准形式。同学们一定要注意,不需要记住这两个复数商的形式,但要记住这个类比方法,利用共轭复数性质来化简。由以上化简过程,可以发现复数除法与实数范围内的分母有理化方法类似,可以用分母的共轭复数同乘以分子与分母后再进行计算,这个方法我们称之为分母实数化。
复数除法:复数的除法是乘法的逆运算,满足复数((c + di)×(x + yi) = (a + bi)),其中复数((c + di))不为(0)。等式中的复数((x + yi))叫做复数((a + bi))除以复数((c + di))的商,记作((x + yi)=\frac{a + bi}{c + di}),其中(c + di)不为(0)。同学们,复数的除法是乘法的逆运算,除法运算可以等价转化为乘法运算。
下面通过几个实例来巩固本节课的新知识,请同学们认真看例一的两个小题,拿出草稿纸计算结果。
