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复数、共轭与运算

基础更新于 2026-09-29

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本页集中列出复数四则运算、共轭法则和模长法则,给出证明、非零条件及模长不等式的全部等号情形。几何轨迹另见复平面、模与轨迹。

复数的定义、相等与分类

在实数范围内,方程 x2=−1x^2=-1 没有解。引入一个满足 i2=−1i^2=-1 的新数 ii,称为虚数单位。形如

z=a+bi(a,b∈R)z=a+bi\qquad(a,b\in\mathbb R)

的数称为复数,全体复数组成复数集 C\mathbb C。这种写法称为复数的代数形式。其中,实数 aa 称为 zz 的实部,实数 bb 称为 zz 的虚部,分别记作 Re⁡z\operatorname{Re}z 和 Im⁡z\operatorname{Im}z。例如 z=2−3iz=2-3i 的实部是 22,虚部是 −3-3。

两个复数相等,当且仅当它们的实部、虚部分别相等:

a+bi=c+di  ⟺  a=c 且 b=d(a,b,c,d∈R).a+bi=c+di\iff a=c\text{ 且 }b=d \qquad(a,b,c,d\in\mathbb R).

特别地,a+bi=0a+bi=0 当且仅当 a=b=0a=b=0。这一规则可以把一个复数方程转化为两个实数方程。

  • 当 b=0b=0 时,z=az=a 是实数,所以实数集是复数集的子集。
  • 当 b≠0b\ne0 时,zz 是非实复数,也称虚数。
  • 当 a=0a=0 且 b≠0b\ne0 时,z=biz=bi 称为纯虚数。按此约定,零不是纯虚数。

复数还可对应平面点 (a,b)(a,b),从而具有几何表示。点、向量与距离的解释见复平面、模与轨迹;三角形式及辐角见三角形式、乘方与单位根。

加法、减法与乘法

设 z=a+bi,w=c+diz=a+bi,w=c+di,其中 a,b,c,d∈Ra,b,c,d\in\mathbb R。加减法分别对实部和虚部运算:

z+w=(a+c)+(b+d)i,z−w=(a−c)+(b−d)i.z+w=(a+c)+(b+d)i,\qquad z-w=(a-c)+(b-d)i.

乘法遵循分配律,并使用 i2=−1i^2=-1:

zw=(a+bi)(c+di)=ac+adi+bci+bdi2=(ac−bd)+(ad+bc)i.\begin{aligned} zw&=(a+bi)(c+di)\\ &=ac+adi+bci+bdi^2\\ &=(ac-bd)+(ad+bc)i. \end{aligned}

复数的加法和乘法分别满足交换律、结合律;乘法对加法满足分配律。对任意 z,w,u∈Cz,w,u\in\mathbb C,具体为

z+w=w+z,(z+w)+u=z+(w+u),z+w=w+z,\quad(z+w)+u=z+(w+u), zw=wz,(zw)u=z(wu),z(w+u)=zw+zu.zw=wz,\quad(zw)u=z(wu),\quad z(w+u)=zw+zu.

减法和除法不满足交换律,不能将上述性质笼统称作“四则运算都可交换”。

共轭复数与模的定义

若 z=a+biz=a+bi,则称 a−bia-bi 为 zz 的共轭复数,记作 zˉ\bar z。取共轭保持实部不变,将虚部变为其相反数;几何上对应关于实轴的对称。

复数 zz 对应的点到原点的距离称为 zz 的模,记作 ∣z∣|z|。由平面距离公式,

zˉ=a−bi,∣z∣=a2+b2.\bar z=a-bi,\qquad |z|=\sqrt{a^2+b^2}.

共轭复数仍是复数,模则是非负实数。由乘法公式可得

zzˉ=(a+bi)(a−bi)=a2+b2=∣z∣2.z\bar z=(a+bi)(a-bi)=a^2+b^2=|z|^2.

除法:用共轭将分母化为实数

设除数 w=c+di≠0w=c+di\ne0。这表示 c,dc,d 不同时为零,因而 c2+d2>0c^2+d^2>0。分子、分母同乘 wˉ=c−di\bar w=c-di,便有

zw=(a+bi)(c−di)(c+di)(c−di)=(ac+bd)+(bc−ad)ic2+d2=ac+bdc2+d2+bc−adc2+d2i.\begin{aligned} \frac zw &=\frac{(a+bi)(c-di)}{(c+di)(c-di)}\\ &=\frac{(ac+bd)+(bc-ad)i}{c^2+d^2}\\ &=\frac{ac+bd}{c^2+d^2}+\frac{bc-ad}{c^2+d^2}i. \end{aligned}

这样做的目的是把分母化成非零实数,进而读出商的实部与虚部。用共轭与模的记号可简写为 z/w=zwˉ/∣w∣2z/w=z\bar w/|w|^2。

共轭运算法则总表

设 z,w∈Cz,w\in\mathbb C。分别对和、差、积、商取共轭,有以下四条规则:

z+w‾=zˉ+wˉ,z−w‾=zˉ−wˉ,\overline{z+w}=\bar z+\bar w,\qquad \overline{z-w}=\bar z-\bar w, zw‾=zˉwˉ,(zw)‾=zˉwˉ(w≠0).\overline{zw}=\bar z\bar w,\qquad \overline{\left(\frac zw\right)}=\frac{\bar z}{\bar w}\quad(w\ne0).

由上述法则反复使用,还得到

z1+⋯+zn‾=zˉ1+⋯+zˉn,z1⋯zn‾=zˉ1⋯zˉn,\overline{z_1+\cdots+z_n}=\bar z_1+\cdots+\bar z_n,\qquad \overline{z_1\cdots z_n}=\bar z_1\cdots\bar z_n, zn‾=(zˉ)n(n∈N+),1z‾=1zˉ(z≠0).\overline{z^n}=(\bar z)^n\quad(n\in\mathbb N_+),\qquad \overline{\frac1z}=\frac1{\bar z}\quad(z\ne0).

整数幂公式对负整数也成立,但须 z≠0z\ne0;n=0n=0 时也按 z≠0z\ne0 使用,以避免 000^0。若 λ∈R\lambda\in\mathbb R,则 λz‾=λzˉ\overline{\lambda z}=\lambda\bar z;若系数是复数,则它也必须取共轭,例如 iz‾=−izˉ\overline{iz}=-i\bar z。

与实虚部、模的联系是

zˉ‾=z,∣zˉ∣=∣z∣,zzˉ=∣z∣2,\overline{\bar z}=z,\qquad |\bar z|=|z|,\qquad z\bar z=|z|^2, z+zˉ=2Re⁡z,z−zˉ=2iIm⁡z.z+\bar z=2\operatorname{Re}z,\qquad z-\bar z=2i\operatorname{Im}z.

所以 z≠0z\ne0 时有 1/z=zˉ/∣z∣21/z=\bar z/|z|^2。特别地,∣z∣=1|z|=1 当且仅当 zˉ=1/z\bar z=1/z;其中写出 1/z1/z 已要求 z≠0z\ne0。

为什么共轭保持四则运算

设 z=a+bi,w=c+diz=a+bi,w=c+di。由定义,

z+w‾=(a+c)−(b+d)i=(a−bi)+(c−di)=zˉ+wˉ,\overline{z+w}=(a+c)-(b+d)i=(a-bi)+(c-di)=\bar z+\bar w, z−w‾=(a−c)−(b−d)i=(a−bi)−(c−di)=zˉ−wˉ.\overline{z-w}=(a-c)-(b-d)i=(a-bi)-(c-di)=\bar z-\bar w.

对乘法,分别计算两边:

zw‾=(ac−bd)−(ad+bc)i,\overline{zw}=(ac-bd)-(ad+bc)i, zˉwˉ=(a−bi)(c−di)=(ac−bd)−(ad+bc)i.\bar z\bar w=(a-bi)(c-di)=(ac-bd)-(ad+bc)i.

所以乘法公式成立。对除法,令 q=z/wq=z/w,于是 qw=zqw=z。取共轭并用刚证明的乘法公式,得 qˉwˉ=zˉ\bar q\bar w=\bar z。w≠0w\ne0 保证 wˉ≠0\bar w\ne0,故可除得 qˉ=zˉ/wˉ\bar q=\bar z/\bar w。这样没有把待证的除法性质当作已知。

其余基本联系直接由定义验证:(a+bi)(a−bi)=a2+b2=∣z∣2(a+bi)(a-bi)=a^2+b^2=|z|^2;两次共轭把虚部符号改回;∣a−bi∣=a2+(−b)2=∣z∣|a-bi|=\sqrt{a^2+(-b)^2}=|z|。

实虚部、特殊复数与分量估计

由 z=a+bi,zˉ=a−biz=a+bi,\bar z=a-bi,相加和相减分别得到

Re⁡z=z+zˉ2,Im⁡z=z−zˉ2i.\operatorname{Re}z=\frac{z+\bar z}{2},\qquad \operatorname{Im}z=\frac{z-\bar z}{2i}.

因此

z∈R  ⟺  z=zˉ,z 为纯虚数  ⟺  z=−zˉ 且 z≠0.z\in\mathbb R\iff z=\bar z,\qquad z\text{ 为纯虚数}\iff z=-\bar z\text{ 且 }z\ne0.

本手册的纯虚数排除零。z=−zˉz=-\bar z 单独只说明实部为零,还包括 z=0z=0。

分量与模之间有

max⁡{∣a∣,∣b∣}≤∣z∣≤∣a∣+∣b∣.\max\{|a|,|b|\}\le |z|\le |a|+|b|.

左边由 a2≤a2+b2,b2≤a2+b2a^2\le a^2+b^2,b^2\le a^2+b^2 开方而得;右边由 (∣a∣+∣b∣)2=a2+b2+2∣ab∣≥∣z∣2(|a|+|b|)^2=a^2+b^2+2|ab|\ge |z|^2 得到。两处等号各自都当且仅当 ab=0ab=0,即至少一个分量为零。

模长运算法则总表

设 z,w∈Cz,w\in\mathbb C。模是非负实数,因此可以比较大小。

非负性、共轭与实倍数

∣z∣≥0,∣z∣=0  ⟺  z=0,∣−z∣=∣zˉ∣=∣z∣,|z|\ge0,\qquad |z|=0\iff z=0,\qquad |-z|=|\bar z|=|z|, ∣λz∣=∣λ∣ ∣z∣(λ∈R).|\lambda z|=|\lambda|\,|z|\quad(\lambda\in\mathbb R).

乘除与乘方

∣zw∣=∣z∣ ∣w∣,∣zw∣=∣z∣∣w∣(w≠0),|zw|=|z|\,|w|,\qquad \left|\frac zw\right|=\frac{|z|}{|w|}\quad(w\ne0), ∣z1⋯zn∣=∣z1∣⋯∣zn∣,∣zn∣=∣z∣n(n∈N+).|z_1\cdots z_n|=|z_1|\cdots|z_n|,\qquad |z^n|=|z|^n\quad(n\in\mathbb N_+).

负整数幂也成立,但须 z≠0z\ne0;特别地 ∣1/z∣=1/∣z∣|1/z|=1/|z|。不要将整数幂规则不加说明地推广到多值的复数分数次幂。

加减:两组双边不等式

∣∣z∣−∣w∣∣≤∣z+w∣≤∣z∣+∣w∣,\bigl||z|-|w|\bigr|\le |z+w|\le |z|+|w|, ∣∣z∣−∣w∣∣≤∣z−w∣≤∣z∣+∣w∣.\bigl||z|-|w|\bigr|\le |z-w|\le |z|+|w|.

模长不保持加减等式。例如 z=1,w=iz=1,w=i 时,∣z+w∣=2<2=∣z∣+∣w∣|z+w|=\sqrt2<2=|z|+|w|,同时 ∣z−w∣=2≠0=∣z∣−∣w∣|z-w|=\sqrt2\ne0=|z|-|w|。

平方展开与平行四边形恒等式

∣z+w∣2=∣z∣2+∣w∣2+2Re⁡(zwˉ),|z+w|^2=|z|^2+|w|^2+2\operatorname{Re}(z\bar w), ∣z−w∣2=∣z∣2+∣w∣2−2Re⁡(zwˉ),|z-w|^2=|z|^2+|w|^2-2\operatorname{Re}(z\bar w), ∣z+w∣2+∣z−w∣2=2∣z∣2+2∣w∣2.|z+w|^2+|z-w|^2=2|z|^2+2|w|^2.

两条平方展开式相加,混合项抵消,得到最后一式。几何上它说明平行四边形两条对角线的平方和等于四条边的平方和。

模的乘除、加减界与完整取等条件

乘除

利用共轭的乘法性质,

∣zw∣2=(zw)zw‾=zzˉ wwˉ=∣z∣2∣w∣2.|zw|^2=(zw)\overline{zw}=z\bar z\,w\bar w=|z|^2|w|^2.

两边均非负,取非负平方根得 ∣zw∣=∣z∣∣w∣|zw|=|z||w|。若 w≠0w\ne0,在 z=(z/w)wz=(z/w)w 两边取模,得 ∣z∣=∣z/w∣∣w∣|z|=|z/w||w|,除以正数 ∣w∣|w| 得商的模公式。

加减界

先展开

∣z±w∣2=(z±w)(zˉ±wˉ)=∣z∣2+∣w∣2±(zwˉ+zˉw)=∣z∣2+∣w∣2±2Re⁡(zwˉ).\begin{aligned} |z\pm w|^2 &=(z\pm w)(\bar z\pm\bar w)\\ &=|z|^2+|w|^2\pm(z\bar w+\bar zw)\\ &=|z|^2+|w|^2\pm2\operatorname{Re}(z\bar w). \end{aligned}

对任意复数 u=p+qiu=p+qi,有 −∣u∣≤p≤∣u∣-|u|\le p\le|u|,因为 ∣u∣2−p2=q2≥0|u|^2-p^2=q^2\ge0。取 u=zwˉu=z\bar w,再用模的乘法性质,得

−∣z∣∣w∣≤Re⁡(zwˉ)≤∣z∣∣w∣.-|z||w|\le\operatorname{Re}(z\bar w)\le|z||w|.

代回平方展开式,两个符号都满足

(∣z∣−∣w∣)2≤∣z±w∣2≤(∣z∣+∣w∣)2.(|z|-|w|)^2\le|z\pm w|^2\le(|z|+|w|)^2.

各量非负,开平方得到总表中的两组不等式;左端必须是绝对值 ∣∣z∣−∣w∣∣\bigl||z|-|w|\bigr|。

四种等号不能混同

“同向”指两个非零复数对应的向量方向相同,“反向”指方向相反。

等号 代数充要条件 几何含义(两者均非零时)
∣z+w∣=∣z∣+∣w∣\vert z+w\vert =\vert z\vert +\vert w\vert zwˉz\bar w 为非负实数 同向
∣z+w∣=∣∣z∣−∣w∣∣\vert z+w\vert =\bigl\vert \vert z\vert -\vert w\vert \bigr\vert zwˉz\bar w 为非正实数 反向
∣z−w∣=∣z∣+∣w∣\vert z-w\vert =\vert z\vert +\vert w\vert zwˉz\bar w 为非正实数 反向
∣z−w∣=∣∣z∣−∣w∣∣\vert z-w\vert =\bigl\vert \vert z\vert -\vert w\vert \bigr\vert zwˉz\bar w 为非负实数 同向

表中的模长竖线在正文数学中表示取模。若 z=0z=0 或 w=0w=0,四个等号全部成立,代数条件也统一涵盖该情形。

理由是:Re⁡u=∣u∣\operatorname{Re}u=|u| 当且仅当 uu 为非负实数,Re⁡u=−∣u∣\operatorname{Re}u=-|u| 当且仅当 uu 为非正实数;对照展开式的正负号即可。若 w≠0w\ne0,又有 zwˉ=(z/w)∣w∣2z\bar w=(z/w)|w|^2,所以 zwˉz\bar w 的实数正负正好表示 z/wz/w 的正负。

运算规律的统一记忆与查阅

前面各节的规则可以归纳为:共轭与四则运算可交换;模长与乘除可交换,与加减构成模长不等式。

这里“可交换”说的是两个操作的先后次序。例如,先相加再取共轭,与先分别取共轭再相加,所得结果相同。它不表示减法、除法满足交换律。

操作 相加或相减 相乘 相除(w≠0w\ne0)
取共轭 z±w‾=zˉ±wˉ\overline{z\pm w}=\bar z\pm\bar w zw‾=zˉwˉ\overline{zw}=\bar z\bar w z/w‾=zˉ/wˉ\overline{z/w}=\bar z/\bar w
取模 ∣∣z∣−∣w∣∣≤∣z±w∣≤∣z∣+∣w∣\bigl\vert\vert z\vert-\vert w\vert\bigr\vert\le\vert z\pm w\vert\le\vert z\vert+\vert w\vert ∣zw∣=∣z∣∣w∣\vert zw\vert=\vert z\vert\vert w\vert ∣z/w∣=∣z∣/∣w∣\vert z/w\vert=\vert z\vert/\vert w\vert

完整的共轭规则见共轭运算法则总表,模的性质见模长运算法则总表,四种模长等号情形及证明见模的运算证明。这些等号条件包括某个复数为零的情形,使用时不能只记非零向量的“同向、反向”。

整数幂由反复乘法得到;负整数幂须底数非零。本手册不把这些规律推广为任意实指数的复数乘方规则。

算例:除法与含共轭的方程

1+2i2−i=(1+2i)(2+i)5=i.\frac{1+2i}{2-i}=\frac{(1+2i)(2+i)}5=i.

解 z+2zˉ=3+iz+2\bar z=3+i,设 z=a+biz=a+bi,得 3a−bi=3+i3a-bi=3+i,所以 a=1,b=−1a=1,b=-1,z=1−iz=1-i。

例:用共轭把复数除法化为实分母

计算 (3+4i)/(1−2i)(3+4i)/(1-2i),分子分母同乘 1+2i1+2i:

3+4i1−2i=(3+4i)(1+2i)1+4=−5+10i5=−1+2i.\frac{3+4i}{1-2i}=\frac{(3+4i)(1+2i)}{1+4}=\frac{-5+10i}{5}=-1+2i.

虚部为实数 22,不是 2i2i。结果的模为 5\sqrt5,也可用商的模检验:∣3+4i∣/∣1−2i∣=5/5=5|3+4i|/|1-2i|=5/\sqrt5=\sqrt5。

一般非零复数 zz 满足 1/z=z‾/∣z∣21/z=\overline z/|z|^2。分母的非零条件不可省略。

例:实部与虚部分开列方程

设 z=x+yiz=x+yi,x,y∈Rx,y\in\mathbb R,满足 z+2z‾=3+4iz+2\overline z=3+4i。左边为 3x−yi3x-yi,比较实部与虚部得 3x=3,−y=43x=3,-y=4,所以 z=1−4iz=1-4i。

求 i2026i^{2026} 可先利用 i4=1i^4=1:2026=4×506+22026=4\times506+2,故 i2026=−1i^{2026}=-1。只有整数次幂可这样按余数归类,不能把任意实指数也直接作同样处理。

例:只知道模长时,加减能确定什么

设 ∣z∣=3,∣w∣=2|z|=3,|w|=2。乘除可以确定准确值:∣zw∣=6|zw|=6、∣z/w∣=3/2|z/w|=3/2。加减只先得到

1≤∣z+w∣≤5,1≤∣z−w∣≤5.1\le|z+w|\le5,\qquad1\le|z-w|\le5.

取 z=3,w=2z=3,w=2,和的模为 55,差的模为 11;取 z=3,w=−2z=3,w=-2,和的模为 11,差的模为 55。两个范围端点均可达到,但同一组非零 z,wz,w 不能让和、差的模同时为 55,因为

∣z+w∣2+∣z−w∣2=2⋅9+2⋅4=26.|z+w|^2+|z-w|^2=2\cdot9+2\cdot4=26.

这同时说明:不等式的取等条件,以及多个结论的同时可达性,都要检查。

易错点与使用顺序

  • 复数本身不沿用实数的大小关系;∣z∣|z|、Re⁡z\operatorname{Re}z 和 Im⁡z\operatorname{Im}z 是实数,可以比较大小。
  • 共轭穿过四则运算时,要对每个复数系数一并取共轭;iz‾=−izˉ\overline{iz}=-i\bar z。
  • zzˉ=∣z∣2z\bar z=|z|^2 对全部复数成立;zˉ=1/z\bar z=1/z 只在 ∣z∣=1|z|=1 时成立。
  • 模的乘除给等式,模的加减通常只给上下界;任何除法先检查分母非零。
  • 求模的最值时,写出界后还须检查等号配置是否满足题目其余条件。

关联阅读

先修:代数运算、恒等式与因式分解。

同主题:复平面、模与轨迹。

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