复数的意义——复数产生历史概述
如果说自然数是来源于对数量的刻画,有理数是来源于对比列的刻画,无理数是来源于对长度的刻画,那么,复数就完全是人为制造,是在现实生活中找不到实际背景的。复数被写成a+bi的形式,其a和b为实数,i被称为虚数,满足i2=-1,这是方程x2=-1的解。显然,问题出在虚数上,因为我们在乘法那一讲已经证明了:一个正数乘一个正数为正数,一个负数乘一个负数也是正数,因此,一个数自乘之后必然为正数,不管这个数是正数还是负数。也正因为如此,古希腊学者丢番图虽然知道一元二次方程有两个根,但其中有一个为虚数时,他宁可认为这个方程是不可解的。一直到16世纪,数学家们普遍认可丢番图这种处理虚数的办法。
虽然问题是求二次方程的解所引发的,可是迫使人们认真对待复数的却是因为求三次方程的解。意大利数学家卡尔丹在他1545年出版的著作《重要的艺术》中讨论了求解三次方程的代数方法。他的工作是在韦达之前,当时还没有抽象出代数方程的一般表达式,他分13种情况对三次方程进行了详细的讨论,给出了13种解题的公式,现在称这些公式为卡尔丹公式。在求解公式中一个让人十分尴尬的情况出现了:即便三个根都是实根,但是在用公式求解的时候会出现复数,比如,对于方程16+x2+x3=24x(当时不允许方程的一边为零),容易验证x=4是方程的一个根,于是,这个方程就等价于(x-4)(x2+5x-4)=0,检验其中的二次方程就可以知道其余两个根也都是实数,这样,这个三次方程的三个根都是实根。但是,直接用卡尔丹公式计算时会出现复数,那么,这样的方程是有解还是无解呢?
虚数的名称是笛卡尔给出的,他不能接受复根,于是,在他1637年出版的《几何》这本书中解释复根时说“但它们始终是虚的”。在数学发展史上,欧拉是第一个使用符号i来表示√-1的,并写在他1777年提交给圣彼得堡科学院的论文中,这篇论文直到1794年才发表,那是在欧拉逝世后11年。但是,欧拉并没有确切地掌握复数运算,在他1770年出版地《代数》一书中认为√-1·√-4=√-1X(-4)=√4=2,其中理由是√a·√b=√ab。
有了虚数的符号,就可以定义复数了,用C表示复数的集合。与实数不同,在复数集合中不存在大小关系,也就是说两个复数之间不能比较大小。回想我们最初的定义:数字是那些能够由小到大进行排列的符号,在这个意义上,复数确实不是数字。这并不以外,因为任何数对(包括向量)都不能在通常意义下比较大小。但是,复数集合却包含实数集合,因为只需要在复数中令虚数i前面的系数为0就可以了。对复数可以定义运算。