Komplexe Zahlen – Darstellung, Addition und Subtraktion

Hallo. Ich bin Giuliano. Und ich möchte dir heute etwas über die komplexen Zahlen erklären und zwar einmal die Darstellungsweise und die Additions- und Subtraktionsregeln dazu. Die komplexen Zahlen sind eine Zahlenmenge. Bevor wir zu den komplexen Zahlen kommen möchte ich mit dir nochmal die bekannten Zahlenmengen wiederholen. Da gibt es einmal die natürlichen Zahlen, die schreibt mit einem „N“. Die braucht man zum Beispiel dazu um eine Personenanzahl oder irgendwelche Objekte abzuzählen, dazu gehört eben eins, zwei, drei, vier und so weiter. Dann gibt es die ganzen Zahlen. Das kommen die negativen Zahlen hinzu, die ihr zum Beispiel bei Temperaturen kennt oder zum Beispiel auf eurem Konto, wenn ihr Minus auf dem Konto habt. Dann gibt es noch die Bruchzahlen, beziehungsweise die, ja Kommazahlen kann man die auch nennen. Die findet ihr wenn ihr zum Beispiel eine Pizza bestellt in der Familie und die teilen müsst habt ihr zum Beispiel ein Drittel, Null Komma Periode Drei von der Pizza. Diese Zahlen nennt man rationale Zahlen, mit einem „Q“ gekennzeichnet. Dann gibt es noch die reellen Zahlen, das heißt, dass sind diejenige Zahlen, die rational sind und irrational, wie zum Beispiel hier unten seht ihr das an dem schönen Beispiel an euren Pizza. Wenn ihr den Radius „Z“ nimmt und die Höhe „A“ könnt ihr das Volumen dieser Pizza berechnen, das eben mit der Formel „Pizza“ berechnet werden kann und diese Zahl „π“ ist eben eine irrationale Zahl. Und nun gibt es aber noch weitere Zahlen und die heißen eben komplexe Zahlen, das heißt man erweitert die Menge der reellen Zahlen um weitere Zahlen und dann kommen die komplexen Zahlen ins Spiel. Das Ursprungsproblem ist folgendes: x²=-1 um das zu lösen, habt ihr bestimmt alle schon kennengelernt, muss man die Wurzel ziehen und dann hat man eben die √-1 und das ist, da gibt es keine reelle Zahl für dieses „x“, die das lösen kann. Deshalb muss man nun eine Zahl einführen und die nennt man „i“. Das ist die sogenannte „imaginäre Einheit“, die imaginäre Einheit „i“. Und die ist definiert als i²=-1. Ok. Nun möchte euch zeigen wie die komplexe Zahl, oder allgemeiner, eine komplexe Zahl definiert ist und das sieht wie folgt aus. Also eine komplexe Zahl, die nenne ich „z“, also eine komplexe Zahl „z“ ist: z=a+i×b, dabei sind „a“ und „b“ reelle Zahlen, das ist ganz wichtig dabei. Diesen Teil „b“ hier hinten vor dem „i“, den nennt man Imaginärteil von „z“, Imaginärteil, so und den Teil, beziehungsweise die reelle Zahl „a“ davor, die nennt man Realteil von „z“. Und die kann man auch in einem Koordinatensystem, in der sogenannten Gauß´schen Ebene zeichnen. Das möchte ich euch jetzt einmal hier zeigen. Man kann nämlich diese komplexe Zahl auch als (a,b) schreiben und damit einen Punkt in einem Koordinatensystem haben, das habe ich euch schon mal hier vorbereitet. Und wir beschriften die x-Achse mit „Realteil“ von „z“, kurz abgekürzt mit „Re“ und die y-Achse mit „Imaginärteil“, dann kann man die Koordinaten, beziehungsweise die Zahlen „a“ und „b“ hier eben abtragen. Dazu nehmen wir einmal die Höhe „b“ und einmal, in dem Falle hier, die Breite „a“. Das heißt wir gehen ungefähr bis hier hin. Das heißt hier ist „a“, so und hier ist „b“ und hier landen wir bei einem Punkt „z“. Man kann „z“ auch als Zeiger darstellen. So. Ok. Und wenn wir das kennen gelernt haben, beziehungsweise die komplexen Zahlen definiert haben, kommen wir jetzt zu den ersten Rechenoperationen, die man mit diesen Zahlen durchführen kann und das einfachste ist eben die Addition und Subtraktion, Also Plus und Minus, Addition und Subtraktion. Dafür nehme ich mir zwei Beispiele und zeige euch direkt die Darstellungsform in der Gauß´sche Ebene, schreibe ich hier nochmal kurz an. Gauß´sche Ebene beziehungsweise Gauß´sche Zahlenebene, Zahleneben. So. Ok. So. Wir nehmen uns also das Beispiel, ich nenne die jetzt einfach „z₁“ und „z₂“, unserer beiden komplexen Zahlen „z₁“ gleich da nehmen wir 4+3i und als zweites Beispiel 2+2i. Die zeichne ich dir erstmal ein, um nochmal die Darstellung in der Gauß´schen Ebene zu üben. Das heißt wir gehen einmal hier vier Realteil von „z“, vier und drei nach oben, das ist also ungefähr hier „z₁“ und wir nehmen einmal „z₂“, das bei zwei, zwei liegt und das ist hier, hier ist „z₂“. Und hier haben wir natürlich den Imaginärteil dazu. Dann kann man diese hier auch wieder verbinden, das heißt ich mache das mal hier. Ihr macht das zuhause natürlich mit einem Geodreieck oder Lineal, das benutze ich gleich auch. So. Zack. Ok. Das heißt wir haben hier einmal die beiden Zeiger „z₁“ und „z₂“. Jetzt wollen wir die beiden Zahlen miteinander addieren, z₁+z₂. Das heißt (4+3i)+(2+2i), das geht folgendermaßen: Wir addieren ganz einfach den Realteil, das hier in dem Falle 4+2 und wir addieren ganz einfach den Imaginärteil, das heißt (3+2)i. Also vom Prinzip her ganz einfach, das heißt was kommt da raus? 6+5i. Das wollen wir uns auch kurz einzeichnen. Und dieses „z“ was wir jetzt erhalten haben, das nenne ich „z₃. So. Ok. Das heißt wir gehen sechs in Realteilrichtung und fünf in Imaginärteilrichung, hier ist dann also „z₃“. Ich nehme mir nun ein Geodreieck zu Hilfe und werde das ungefähr einzeichnen jetzt hier. Ok. Ja das ist jetzt ungefähr dieser Zeiger. Ok „z₃“, sehr schön. Und nun wollen wir noch die Subtraktion durchführen anhand dieser beiden Beispiele. Also z₁-z₂ = 4+3i und es passiert genau dasselbe wie oben, das heißt wir subtrahieren den Imaginärteil und den Realteil. In dem Fall 4-2+(3-2)i und da kommt jetzt eben ein „z₄“, was ich jetzt einfach so nenne und zwar eben eins, zwei hier vorne. So. Und hier hinten kommt eins raus, also 2+i. Das nenne ich „z₄“ und das möchte ich euch natürlich auch einmal kurz einzeichnen und zwar zwei hier und einen da, das ist hier. „z₄“, da brauche ich gar kein Geodreieck für, das schaffe ich so. Und da können wir auch den Zeiger einzeichnen. Das wollen wir nochmal an einem Rechengesetz auf der rechten Seite hier vorne festhalten. Wir nehmen die allgemeinen komplexen Zahlen „z₁“ = a+bi und „z₂“ = c+di und erhalten, wenn ich diese beiden Zahlen „z₁“ und „z₂“ miteinander addiere oder subtrahiere ganz einfach a+c + (b±d)i. Ja. Ich hoffe ihr habt das alles verstanden und bis zum nächsten Mal. Euer Giuliano.