Een differentiaalvergelijking is een vergelijking met daarin een afgeleide. Een voorbeeld van een differentiaalvergelijking is dydx=0.01y\frac{dy}{dx} = 0.01y. We weten dat voor y=e0.01xy=e^{0.01x} geldt dat dydx=0.01e0.01x=0.01y\frac{dy}{dx}=0.01e^{0.01x}=0.01y, dus y=e0.01xy=e^{0.01x} is een oplossing. Verder weten we dat voor y=ce0.01xy=ce^{0.01x} geldt dat dydx=0.01ce0.01x=0.01y\frac{dy}{dx} = 0.01ce^{0.01x}=0.01y, dus voor iedere c∈Rc\in\R is y=ce0.01xy=ce^{0.01x} een oplossing. Een manier om differentiaalvergelijkingen op te lossen is "scheiden". Je schrijft de vergelijking dan in de volgende vorm, waarna je kunt integreren: f(x)dx=g(y)dy f(x)dx = g(y)dy Voorbeeld Gegeven is de differentiaalvergelijking dydx=−4xy2\frac{dy}{dx}=-4xy^2 met y(0)=1y(0)=1. Dit geeft: 1y2dy=−4xdx \frac{1}{y^2}dy = -4x dx ∫1y2dy=∫−4xdx \int \frac{1}{y^2} dy = \int -4x dx −1y=−2x2+C -\frac1y = -2x^2 + C y=12x2−C y = \frac1{2x^2 - C} Invullen van y(0)=1y(0) = 1 geeft C=−1C=-1, dus de oplossing is y=12x2+1y = \dfrac1{2x^2+1}. Een andere manier om differentiaalvergelijkingen op te lossen is door te vermenigvuldigen met de integrerende factor. Dit kan als de differentiaalvergelijking van de volgende vorm is: dydx+a(x)y=f(x) \tfrac{dy}{dx} + a(x)y = f(x) Je vermenigvuldigt de hele vergelijking met u=e∫a(x)dxu=e^{\int a(x) dx}. Voorbeeld Gegeven is de differentiaalvergelijking dydx+3x2y=6x2\frac{dy}{dx} + 3x^2y = 6x^2. Laat u=e∫3x2dx=ex3u=e^{\int 3x^2 dx}=e^{x^3}. Als we de hele vergelijking vermenigvuldigen met uu krijgen we: dydxex3+3x2ex3y=6x2ex3 \tfrac{dy}{dx} e^{x^3} + 3x^2 e^{x^3} y = 6x^2 e^{x^3} Nu is de linkerkant van de vergelijking gelijk aan uy′+u′y=(uy)′=(ex3y)′uy'+u'y = (uy)' = (e^{x^3}y)'. We integreren aan beide kanten: ∫(ex3y)′dx=∫6x2ex3dx \int (e^{x^3}y)' dx = \int 6x^2 e^{x^3} dx ex3y=2ex3+C e^{x^3}y = 2e^{x^3} + C y=2+Ce−x3 y = 2 + Ce^{-x^3}
Een existentiële bewering is van de vorm ∃x∈S:P(x)\exists x \in S : P(x). Hier is het genoeg om één geval te noemen. Stelling ∃x∈Z:x3=x2 \exists x \in \Z : x^3 = x^2 Bewijs Aangezien 13=121^3=1^2, heeft het getal 11 de gewenste eigenschap. QED. Bij een existentiëel bewijs is het niet nodig om een expliciet voorbeeld te geven, impliciet kan ook. Stelling ∃a,b∈R\Q:ab∈Q \exists a,b \in \R \backslash \mathbb Q : a^b \in \mathbb Q Bewijs Beschouw het getal (2)2(\sqrt2)^{\sqrt2}. Dit getal is (1) rationaal of (2) irrationaal. (1) Als (2)2(\sqrt2)^{\sqrt2} rationaal is, kiezen we a=b=2a=b=\sqrt2. Dan is aba^b rationaal. (2) Als (2)2(\sqrt2)^{\sqrt2} irrationaal is, kiezen we a=(2)2a=(\sqrt2)^{\sqrt2} en b=2b=\sqrt2. Dan is ab=((2)2)2=(2)2=2∈Qa^b = \left((\sqrt2)^{\sqrt2}\right)^{\sqrt2} = (\sqrt2)^2 = 2 \in \mathbb Q. QED. Als AA een verzameling is, zeggen we dat x∈Ax \in A uniek wordt bepaald door een eigenschap P(x)P(x) precies als ∀a,b∈A:(P(a)∧P(b)) ⟹ a=b\forall a,b \in A : (P(a) \land P(b)) \implies a = b. Stelling Voor elke x∈Rx\in\R met x>0x>0 bestaat er een unieke y∈Ry\in\R zodat y>0y>0 en y2=xy^2=x. Bewijs We bewijzen (1) dat zo'n yy bestaat en (2) dat die yy uniek is. (1) Kies y=xy=\sqrt x. Dan geldt y2=xy^2=x, zoals gewenst. (2) Laat x∈Rx\in\R met x>0x>0. Stel dat y,y′∈Ry,y'\in\R met y,y′>0y,y'>0 voldoen aan y2=xy^2=x en y′2=xy'^2=x. Dan geldt y2=y′2y^2=y'^2. En omdat y,y′>0y,y'>0 geldt ook dat y=y′y=y'. Voor het weerleggen van een existentiële bewering bewijzen we dat de negatie waar is. Stelling Bewijs dat ¬(∃n∈Z:2∣n3−n+1)\lnot \big( \exists n \in \Z : 2 | n^3-n+1 \big) . Bewijs We bewijzen dat ∀n∈Z:2∤n3−n+1\forall n \in \Z : 2 \nmid n^3-n+1, waarbij we de gevallen onderscheiden (1) 2∣n2|n en (2) 2∤n2 \nmid n. (1) We nemen aan dat 2∣n2|n. Dan bestaat er een k∈Zk\in\Z zodat n=2kn=2k. Invullen geeft n3−n+1=(2k)3−2k+1=8k3−2k+1=2(4k3−k)+1n^3-n+1=(2k)^3-2k+1=8k^3-2k+1=2(4k^3-k)+1. Omdat 4k3−k∈Z4k^3-k\in\Z, geldt dat 2(4k3−k)+1=n3−n+12(4k^3-k)+1=n^3-n+1 oneven is. (2) We nemen aan dat 2∤n2 \nmid n. Dan bestaat er een k∈Zk\in\Z zodat n=2k+1n=2k+1. Invullen geeft n3−n+1=(2k+1)3−(2k+1)+1=8k3+2k2+4k+1=2(4k3+k2+2k)+1n^3-n+1=(2k+1)^3-(2k+1)+1=8k^3+2k^2+4k+1=2(4k^3+k^2+2k)+1. Omdat 4k3+k2+2k∈Z4k^3+k^2+2k\in\Z, geldt dat 2(4k3+k2+2k)+1=n3−n+12(4k^3+k^2+2k)+1=n^3-n+1 oneven is. QED. Voor x∈Rx\in\R is de ceiling van xx, notatie ⌈x⌉\lceil x \rceil, het kleinste gehele getal a∈Za\in\Z zodat x≤ax \le a. Voorbeelden ⌈2.9⌉=3,⌈−1.5⌉=−1,⌈4⌉=4 \lceil 2.9 \rceil = 3, \quad \lceil -1.5 \rceil = -1, \quad \lceil 4 \rceil = 4 Laat A⊆RA \subseteq \R. Een element x∈Ax \in A is een kleinste element of minimum van AA als ∀y∈A:y≥x\forall y \in A : y \ge x. Opmerking: een kleinste element hoeft niet te bestaan. De verzameling Z\Z bijvoorbeeld heeft geen kleinste element. Stelling Een kleinste element is uniek. Bewijs Laat x,y∈Ax,y\in A kleinste elementen zijn van AA. Omdat xx een kleinste element is, geldt y≥xy \ge x. Maar omdat yy een kleinste element is, geldt ook x≥yx \ge y. Hieruit volgt dus dat x=yx=y. QED. Een verzameling SS is gewelordend als elke niet-lege deelverzameling van SS een kleinste element heeft. Per axioma nemen we aan dat N\N gewelordend is. Stelling Laat P(n)P(n) een open bewering zijn met domein N\N. Als (1) P(1)P(1) is waar, en (2) P(k) ⟹ P(k+1)P(k) \implies P(k+1) is waar voor alle k∈Nk\in\N, dan is P(n)P(n) waar voor alle n∈Nn\in\N. Bewijs We bewijzen dit met contradictie. Neem aan dat (1) en (2) allebei waar zijn, maar er een a∈Na\in\N bestaat zodat P(a)P(a) niet waar is. We beschouwen de verzameling S={n∈N:¬P(n)}S=\{ n \in \N : \lnot P(n) \}. Omdat er een a∈Na\in\N bestaat waarvoor P(a)P(a) niet waar is, geldt S≠∅S \neq \emptyset. Omdat N\N gewelordend is heeft SS een kleinste element s∈Ss \in S. Omdat 1∉S1 \notin S vanwege (1), geldt s≥2s \ge 2, en dus geldt s−1∈Ns-1\in\N. Omdat ss het kleinste element is van SS, geldt dat s−1∉Ss-1 \notin S en dus geldt P(s−1)P(s-1) is waar. Maar dan is P(s)P(s) waar vanwege (2), en geldt dus s∉Ss \notin S. Dit is een contradictie. QED. Stelling ∀n∈N:1+2+...+n=12n(n+1) \forall n \in \N : 1 + 2 + ... + n = \tfrac12n(n+1) Bewijs Met inductie op nn, bewijzen we (1) 1=12(1)(1+1)1 = \tfrac12(1)(1+1) en (2) 1+2+...+k=12k(k+1) ⟹ 1+2+...+k+(k+1)=12(k+1)(k+2)1 + 2 + ... + k = \tfrac12k(k+1) \implies 1 + 2 + ... + k + (k+1) = \tfrac12(k+1)(k+2) voor elke k∈Nk\in\N. (1) Er geldt 12(1)(1+1)=12⋅2=1\tfrac12(1)(1+1) = \tfrac12 \cdot 2 = 1. (2) Neem aan dat 1+2+...+k=12k(k+1)1 + 2 + ... + k = \tfrac12k(k+1) voor elke k∈Nk\in\N. Tel nu aan beide kanten k+1k+1 op: 1+2+...+k+(k+1)=12k(k+1)+(k+1)=(k+1)(12k+1)=12(k+1)(k+2) \begin{aligned} 1 + 2 + ... + k + (k+1) &= \tfrac12k(k+1) + (k+1) \\ &= (k+1)(\tfrac12k+1) \\ &= \tfrac12(k+1)(k+2) \end{aligned} Hiermee is de inductie voltooid. QED. Bij inductie hoef je niet bij n=1n=1 te beginnen. Je kan bij ieder natuurlijk getal beginnen. Stelling Voor elke n∈Nn\in\N met n≥5n\ge5, geldt 2n>n22^n>n^2. Bewijs Met inductie op nn, bewijzen we (1) 25>522^5>5^2 en (2) 2k>k2 ⟹ 2k+1>(k+1)22^k>k^2 \implies 2^{k+1}>(k+1)^2 voor elke k∈Nk\in\N met k≥5k\ge5. (1) Er geldt 25=32>25=522^5 = 32 > 25 = 5^2. (2) Neem aan dat 2k>k22^k>k^2 voor elke k∈Nk\in\N met k≥5k\ge5. Dan geldt: 2k+1=2⋅2k>IH2k2=k2+k2=k2+kk≥k2+5k=k2+2k+3k>k2+2k+1=(k+1)2 \begin{aligned} 2^{k+1} &= 2 \cdot 2^k \stackrel{IH}{>} 2k^2 = k^2 + k^2 = k^2 + kk \ge k^2 + 5k \\ &= k^2 + 2k + 3k > k^2 + 2k + 1 = (k+1)^2 \end{aligned} Hiermee is de inductie voltooid. QED.
Voor sommige functies is het handig om de logaritme te differentiëren in plaats van de functie zelf. Dit is vooral handig als de functie ff de vorm heeft van f(x)=g(x)h(x)f(x) = g(x)h(x) of f(x)=g(x)h(x)f(x) = g(x)^{h(x)}. In deze gevallen bepaal je eerst de logaritme van de functie, en bereken je daarna de afgeleide via: f′(x)=f(x)⋅ddx(log(f(x)) f'(x) = f(x) \cdot \tfrac{d}{dx} \big(\log(f(x)\big) Voorbeeld Gegeven is f(x)=(6x+1)5(x4−3)6f(x) = (6x+1)^5(x^4-3)^6. Dan is log(f(x))=5log(6x+1)+6log(x4−3)\log(f(x)) = 5\log(6x+1) + 6\log(x^4-3). Dit geeft: f′(x)=(6x+1)5(x4−3)6(306x+1+24x3x4−3) f'(x) = (6x+1)^5(x^4-3)^6 \left( \frac{30}{6x+1} + \dfrac{24x^3}{x^4-3} \right)
Voordat we beginnen, voeren we nieuwe notatie in. Met f(k)(x)f^{(k)}(x) schrijven we de kk-de afgeleide van f(x)f(x), dus f(1)(x)=f′(x)f^{(1)}(x)=f'(x), f(2)=f′′(x)f^{(2)}=f''(x), f(3)(x)=f′′′(x)f^{(3)}(x)=f'''(x), enzovoorts. Verder stellen we de "nulde afgeleide" gelijk aan f(x)f(x): f(0)=f(x)f^{(0)}=f(x). Van een functie f(x)f(x) willen we de raaklijn P1(x)P_1(x) opstellen op het punt x=ax=a. We krijgen dan: P1(x)=f(a)+f′(a)(x−a) P_1(x) = f(a) + f'(a)(x-a) Deze raaklijn heet een linearisering van f(x)f(x) in het steunpunt aa. Zo'n linearisering voldoet aan twee eisen: P1(a)=f(a) P_1(a) = f(a) , dus P1P_1 en ff hebben dezelfde waarde op x=ax=a P1′(a)=f′(a) P_1'(a) = f'(a) , dus P1P_1 en ff hebben dezelfde helling op x=ax=a Voor een tweedegraads benadering P2(x)P_2(x) van f(x)f(x) gaan we nog een eis toevoegen: P2′′(a)=f′′(a) P_2''(a) = f''(a) , dus P2P_2 en ff hebben dezelfde kromming op x=ax=a Het functievoorschrift van P2P_2 ziet er dan zo uit: P2(x)=f(a)+f′(a)(x−a)+12f′′(a)(x−a)2 P_2(x) = f(a) + f'(a)(x-a) + \tfrac12f''(a)(x-a)^2 Taylorbenadering van orde nn Voor betere benaderingen kunnen we voor een steeds hogere nn een functie Pn(x)P_n(x) opstellen. In het algemeen geldt: Pn(x)=f(a)+f′(a)(x−a)+f′′(a)2!(x−a)2+f′′′(a)3!(x−a)3+...+fn(a)n!(x−a)n=∑k=0nf(k)(a)k!(x−a)k \begin{aligned} P_n(x) &= f(a) + f'(a)(x-a) + \tfrac{f''(a)}{2!}(x-a)^2 + \tfrac{f'''(a)}{3!}(x-a)^3 + ... + \tfrac{f^{n}(a)}{n!}(x-a)^n \\ &= \sum_{k=0}^n \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k \end{aligned} We kunnen een taylorbenadering opstellen met n→∞n\to\infty. Dan krijgen we: Pn(x)=f(a)+f′(a)(x−a)+f′′(a)2!(x−a)2+f′′′(a)3!(x−a)3+...=∑k=0∞f(k)(a)k!(x−a)k \begin{aligned} P_n(x) &= f(a) + f'(a)(x-a) + \tfrac{f''(a)}{2!}(x-a)^2 + \tfrac{f'''(a)}{3!}(x-a)^3 + ... \\ &= \sum_{k=0}^\infty \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k \end{aligned} Nu kunnen we formules opstellen voor "standaardsommen": ex=∑n=0∞xnn!=1+x+x22!+x33!+... e^x = \sum_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!} = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + ... log(x+1)=∑n=1∞(−1)n+1xnn=x−x22+x33−... \log(x+1) = \sum_{n=1}^\infty (-1)^{n+1} \frac{x^n}n = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - ... 11−x=∑n=0∞xn=1+x+x2+x3+... voor ∣x∣<1 \frac1{1-x} = \sum_{n=0}^\infty x^n = 1 + x + x^2 + x^3 + ... \quad \text{ voor } |x| < 1 sin(x)=∑n=0∞(−1)n(2n+1)!x2n+1=x−x33!+x55!−... \sin(x) = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n+1)!} x^{2n+1} = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - ... cos(x)=∑n=0∞(−1)n(2n)!x2n=1−x22!+x44!−... \cos(x) = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n)!} x^{2n} = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - ...
De afgeleide van een functie ff, notatie f′f', in een punt aa is de helling van de functie op dat punt. Voor de afgeleide gelden twee definities: f′(a)=limh→0f(a+h)−f(a)h f'(a) = \lim_{h\to0} \dfrac{f(a+h)-f(a)}h f′(a)=limx→af(x)−f(a)x−a f'(a) = \lim_{x \to a} \dfrac{f(x)-f(a)}{x-a} Voor de afgeleide van f(x)f(x) worden verschillende notaties gebruikt, zoals f′(x),dfdx,ddxff'(x), \dfrac{df}{dx}, \dfrac d{dx}f. Functie gg heet een primitieve van ff als g′(x)=f(x)g'(x)=f(x). Bij het integreren bereken je de oppervlakte onder de grafiek. Een bepaalde integraal geeft een oppervlakte, een onbepaalde integraal geeft een functie met een integratieconstante c∈Rc\in\R. Zo is bijvoorbeeld ∫052xdx=[12x2]05=12(5)2−12(0)2=1212 \int_0^5 2x dx = \left[\frac12x^2\right]_0^5 = \frac12(5)^2 - \frac12(0)^2 = 12\frac12 . Als F(x)F(x) een primitieve is van f(x)f(x), dan geldt: ∫abf(x)dx=F(b)−F(a) \int_a^b f(x)dx = F(b) - F(a)
Met een limiet kun je waardes van een functie vinden op plekken die niet in zijn domein liggen. De functie f(x)f(x) gaat naar de limiet bb voor xx gaat naar aa, als het mogelijk is om f(x)f(x) willekeurig dicht bij bb te krijgen door xx maar dicht genoeg bij aa te kiezen. We schrijven dan: limx→af(x)=b \lim_{x \to a} f(x) = b Soms is het handig om naar de limiet vanaf maar één zijde te kijken, namelijk voor x<ax<a of x>ax>a. Daarom zijn er: De linkerlimiet, notatie limx↑af(x) \lim_{x \uparrow a} f(x) De rechterlimiet, notatie limx↓af(x) \lim_{x \downarrow a} f(x) Alleen als limx↑af(x)=limx↓af(x) \lim_{x \uparrow a} f(x) = \lim_{x \downarrow a} f(x) geldt dat de limiet limx→af(x) \lim_{x \to a} f(x) bestaat. Stel limx→af(x)=α \lim_{x \to a} f(x) = \alpha en limx→ag(x)=β \lim_{x \to a} g(x) = \beta voor α,β∈R \alpha, \beta \in \R , dan gelden de volgende regels: limx→a(f(x)+g(x))=α+β \lim_{x \to a}\big( f(x) + g(x) \big) = \alpha + \beta limx→a(f(x)⋅g(x))=α⋅β \lim_{x \to a}\big( f(x) \cdot g(x) \big) = \alpha \cdot \beta limx→af(x)g(x)=αβ \lim_{x \to a} \dfrac{f(x)}{g(x)} = \dfrac \alpha \beta , mits β≠0 \beta \neq 0 limx→af(g(x))=limx→βf(x) \lim_{x \to a} f(g(x)) = \lim_{x \to \beta} f(x) Dit zijn enkele technieken om een limiet te vinden. Het onder en boven delen door een gemeenschappelijke factor. Voorbeeld limx→1x2+x−2x2−x=limx→1(x+2)(x−1)x(x−1)=limx→1x+2x=31=3 \lim_{x \to 1} \frac{x^2 + x - 2}{x^2 - x} = \lim_{x \to 1} \frac{(x+2)(x-1)}{x(x-1)} = \lim_{x \to 1} \frac{x+2}x = \frac31 = 3 Het onder en boven delen door de hoogste macht. Dit werkt vooral goed als het een limiet naar ±∞\pm \infty is. Voorbeeld limx→∞2x3+2x+45x3−3x2+1=limx→∞2+2x2+4x35−3x+1x3=2+0+05+0+0=25 \lim_{x \to \infty} \frac{2x^3+2x+4}{5x^3-3x^2+1} = \lim_{x \to \infty} \frac{2+\frac2{x^2}+\frac4{x^3}}{5-\frac3x+\frac1{x^3}} = \frac{2 + 0 + 0}{5 + 0 + 0} = \frac25 Door onder en boven te vermenigvuldigen met het geconjugeerde kun je van wortels in de teller of noemer afkomen. Voorbeeld limx→0x2+9−3x2⋅t2+9+3t2+9+3=limx→0t2+9−9t2(t2+9+3)=limx→01t2+9+3=16 \lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{x^2+9}-3}{x^2} \cdot \frac{\sqrt{t^2+9}+3}{\sqrt{t^2+9}+3} = \lim_{x \to 0} \frac{t^2+9-9}{t^2(\sqrt{t^2+9}+3)} = \lim_{x \to 0} \frac1{\sqrt{t^2+9}+3} = \frac16 Als voor elke xx geldt dat g(x)≤f(x)≤h(x)g(x) \le f(x) \le h(x) en limx→ag(x)=limx→ah(x)=L\lim_{x \to a} g(x) = \lim_{x \to a} h(x) = L, dan is ook limx→af(x)=L \lim_{x \to a} f(x) = L . De insluitstelling kun je meestal gebruiken bij sinus of cosinus. Voorbeeld Omdat −1≤sin(1x)≤1-1\le\sin(\frac1x)\le1, geldt dat −x≤xsin(1x)≤x-x\le x\sin(\frac1x)\le x. En omdat limx→0x=limx→0−x=0\lim_{x \to 0} x = \lim_{x \to 0} -x = 0, geldt ook limx→0xsin(1x)=0\lim_{x \to 0} x\sin(\frac1x) = 0. Een functie f(x)f(x) is continu in aa als limx→af(x)\lim_{x \to a} f(x) bestaat en gelijk is aan f(a)f(a). Een functie is continu als het op ieder punt uit zijn domein continu is.
De complexe getallen, aangegeven met C\Complex, is een getalverzameling. Het volgt dezelfde algebra met dezelfde regels als R\R, met de toevoeging dat i2=−1i^2=-1. Een complex getal zz wordt dan geschreven als a+bia+bi, waarbij a,b∈Ra,b\in\R. In dit geval heet aa het reële deel van zz, notatie Re(z)\text{Re}(z). En bb heet het imaginaire deel van zz, notatie Im(z)\text{Im}(z). In het complexe vlak kan ieder complex getal getekend worden. De verticale as is voor het imaginaire deel, de horizontale as voor het reële deel. Van een complex getal z=a+biz=a+bi is de modulus, notatie ∣z∣|z|, gelijk aan de afstand van zz tot 00. Deze is dan te berekenen met de stelling van Pythagoras: ∣z∣=a2+b2 |z| = \sqrt{a^2 + b^2} Het argument van zz, notatie arg(z)\arg(z), is de hoek die zz maakt t.o.v. de oorsprong. We spreken af dat −π≤arg(z)≤π-\pi \leq \arg(z) \leq \pi. Met goniometrie kan worden gevonden dat: tan(arg(z))=ba \tan(\arg(z)) = \frac ba De complex geconjugeerde van zz, notatie z‾=a+bi‾\overline z = \overline{a+bi}, is gelijk aan a−bia-bi. Er geldt dus Re(z‾)=Re(z)\text{Re}(\overline z) = \text{Re}(z), Im(z‾)=−Im(z)\text{Im}(\overline z) = -\text{Im}(z) en ∣z‾∣=∣z∣|\overline z| = |z|. Als voor een complex getal z≠0z \neq 0 geldt dat r=∣z∣r=|z| en θ=arg(z)\theta=\arg(z), dan geldt ook dat cos(θ)=ar\cos(\theta) = \frac ar en sin(θ)=br\sin(\theta) = \frac br. Hiermee kunnen we zz schrijven als: z=a+bi=rcos(θ)+irsin(θ) z = a + bi = r \cos(\theta) + ir \sin(\theta) De getallen rr en θ\theta heten dan de poolcoördinaten van zz. Complexe ee-machten Voor elk reël getal xx is de complexe exponentiële functie exie^{xi} gelijk aan: exi=cos(x)+isin(x) e^{xi} = \cos(x) + i\sin(x) Hieruit volgt dat het complexe getal z=a+biz=a+bi kan worden geschreven als: z=a+bi=rcos(θ)+irsin(θ)=r(cos(θ)+isin(θ))=reθi z = a + bi = r \cos(\theta) + ir \sin(\theta) = r\big(\cos(\theta)+i\sin(\theta)\big) = re^{\theta i} Voor complexe getallen zz en ww gelden de volgende eigenschappen: z+w‾=z‾+w‾ \overline{z+w} = \overline z + \overline w zw‾=z‾ w‾ \overline{zw} = \overline z \space \overline w z z‾=∣z∣2 z \space \overline z = |z|^2 ∣zw∣=∣z∣∣w∣ |zw| = |z||w| arg(zw)=arg(z)+arg(w) \arg(zw) = \arg(z) + \arg(w) Hier is een voorbeeld-opgave over de macht van een complex getal. Opgave Schrijf (1+i)7(1+i)^7 in de vorm a+bia+bi. Uitwerking We weten dat ∣1+i∣=12+12=2|1+i|=\sqrt{1^2+1^2}=\sqrt2 en arg(1+i)=arctan(11)=14π\arg(1+i)=\arctan(\frac11)=\frac14\pi. Hiermee kunnen we 1+i1+i schrijven als 2e14πi\sqrt2 e^{\frac14\pi i}. Nu geldt: (1+i)7=(2e14πi)7=82e74πi=82e−14πi=82(cos(−14π)+isin(−14π))=82(122−12i2)=8−8i \begin{aligned} (1+i)^7 &= \big(\sqrt2 e^{\frac14\pi i}\big)^7 = 8\sqrt2 e^{\frac74\pi i} = 8\sqrt2 e^{-\frac14\pi i} \\ &= 8\sqrt2 \big(\cos(-\tfrac14\pi) + i\sin(-\tfrac14\pi)\big) \\ &= 8\sqrt2 \big(\tfrac12\sqrt2 - \tfrac12i\sqrt2\big) \\ &= 8-8i \end{aligned} En hier is een voorbeeld-opgave over de complexe oplossingen van een vergelijking. Opgave Vind alle oplossingen voor de vergelijking z6=1z^6=1. Uitwerking Schrijf z=reθiz=re^{\theta i}. We weten ∣z6∣=∣1∣=1|z^6|=|1|=1 en arg(z6)=arg(1)=0\arg(z^6)=\arg(1)=0. Verder weten we dat: arg(z6)=arg((reθi)6)=arg(r6e6θi)=6θ \arg(z^6) = \arg\big((re^{\theta i})^6\big) = \arg\big(r^6e^{6\theta i}\big) = 6\theta Hieruit volgt dat 6θ=0+2kπ6\theta=0+2k\pi voor k∈Zk\in\Z, en dus dat θ=13kπ\theta=\tfrac13k\pi. Hiermee kunnen we ten slotte de oplossingen vinden: e0i=1,e13πi=12+12i3,e23πi=−12+12i3,eπi=−1,e43πi=−12−12i3,e53πi=12−12i3 e^{0i} = 1, \quad\quad e^{\frac13\pi i} = \tfrac12 + \tfrac12i\sqrt3, \quad \quad e^{\frac23\pi i} = -\tfrac12 + \tfrac12i\sqrt3, \\ e^{\pi i} = -1, \quad\quad e^{\frac43\pi i} = -\tfrac12-\tfrac12i\sqrt3, \quad\quad e^{\frac53\pi i} = \tfrac12-\tfrac12i\sqrt3
Gemaakt door Jeroen van Rensen.