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数学の教科書《フーリエ変換の理解を目的とした関数解析入門》  作者: リョーシリキガク


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複素数平面

■ 複素数ってなに?


まずは「複素数」そのものを説明します。


複素数は、次のような形の数です:


z = a + bi

• a は 実数部分

• b は 虚数部分

• i は 虚数単位で、i^2 = -1


1+8i、5、3.14…、2i などを含む数のグループや範囲のようなものです。今まで考えていた数(実数)に加えて、iが含まれる数たちも合わせて複素数と呼ぶわけなので、複素数とされる数に必ずしもiが入ってるわけではないのですが、なんとなくi(虚数単位)と関係している!というイメージです。



■ 複素数を「図で表す」には?


普通の数(実数)なら、数直線(1次元)で表せます。

たとえば「5」は、右へ5の位置に点を打てばOK。


しかし複素数は実数と虚数がセットになってるので、

横軸(実数)+縦軸(虚数)=2次元の平面が必要になります。



■ 複素数平面(ガウス平面)

• 横軸:実数部分(a)

• 縦軸:虚数部分(b)


たとえば:

• 3 + 4i → 横に3、縦に4の場所に点を打つ

• -2 + i → 左に2、上に1の場所に点を打つ


これを 座標 (a, b) のように考えられるんです。



■ 複素数平面のいいところ


• 大きさ(絶対値):

|z| = √{a^2 + b^2}

→ 原点からの距離になります。

• 角度(偏角):

θ = b/a

→ x軸(実軸)からの傾き。


※虚部÷実部が、原点からの傾きになる。


このように、原点からの距離と傾き(x軸からの回転)を文字で表せ、回転や拡大縮小の操作なども計算で表せるようになります。


数直線上で、-1倍という操作が、180度回転させることだというイメージはつきやすいと思います。5という点が右に5の位置なら、-5は左に5、ということです。

複素数平面を考えると、iをかける、というのは2回その操作をすると180度回転すること、つまり90度回転させることなのです。

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