ARTIGO ORIGINAL
MORAIS, Cláudio Marcelo [1]
MORAIS, Cláudio Marcelo. A unidade imaginária descrita como uma ambiguidade algébrica. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 09, Ed. 03, Vol. 01, pp. 05-28. Março de 2024. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/matematica/unidade-imaginaria, DOI: 10.32749/nucleodoconhecimento.com.br/matematica/unidade-imaginaria
Um número complexo é formado por uma parte real e uma parte imaginária, sendo esta última composta por um número real multiplicado pela unidade imaginária “i“, definida como a raiz quadrada de
Palavras-chave: Números imaginários, Números complexos, Plano complexo, Funções polinomiais.
Desde o seu surgimento na segunda metade do século XVI até hoje, os números complexos foram importantes não só para a matemática, mas também permitiu a cientistas e engenheiros (Cayemitte, 2000) inúmeras aplicações que ajudaram a impulsionar o desenvolvimento científico e tecnológico. Particularmente, em Física, estudos recentes, Renou et al. (2021) e Li et al. (2022), têm demonstrado que os números complexos são mesmo indispensáveis para expressar a teoria quântica padrão. Porém, antes do estabelecimento formal do sistema dos números complexos, os números imaginários eram vistos com certa desconfiança pelos matemáticos e foram inicialmente tratados apenas com um truque algébrico conveniente para solucionar equações cúbicas onde era necessário lidar com raízes quadradas de números negativos. A origem dos números complexos está ligada ao matemático italiano Rafael Bombelli (1526-1572), cujo trabalho (Bombelli, 1572) demonstrou que a manipulação de
Dado um vetor
Fig. 1: (a) Vetor
Considere os planos xy e αγ no espaço euclidiano tridimensional. O plano xy será usado para traçarmos a curva de uma equação qualquer do segundo grau, enquanto o plano αγ, doravante denominado “plano escalar”, será usado para representarmos os termos dessa equação através de retângulos escalares e seus vetores associados. Para isso, vamos considerar a função polinomial quadrática
onde p e q são números reais. Fazendo
Fig. 2: (a) Diagrama para a função quadrática; (b) Representação da função
Na seção anterior vimos que a variável x origina os dois lados de um retângulo escalar quadrado, referente ao termo quadrático, quando representada no plano escalar. Portanto, nesse plano, x ocupa duas dimensões, a saber, uma no eixo α e outra no eixo γ. Assim, para qualquer x, temos
Ainda que a variável x apresente valores numericamente iguais nesses dois eixos, ocorre uma ambiguidade à medida que ela representa simultaneamente as duas componentes complementares do mesmo vetor.
Fig. 3: (a) Caso em que há uma raiz em cada quadrante ímpar; (b) Cada quadrado tem lados com comprimento igual à raiz quadrada do produto das componentes; (c) As raízes de
Vejamos agora como os valores complementares de x vistos no plano escalar correspondem ao valor único que essa variável apresenta no plano xy. Observe na figura 3b que cada lado do quadrado formado pela variável x tem comprimento igual a
Como exemplo, vamos fazer o mesmo desenvolvimento para as raízes
Logo, a ambiguidade que a variável x exibe no primeiro e no terceiro quadrantes do plano escalar é redutível ao valor unívoco observado no plano xy.
Antes de prosseguirmos, vamos fazer uma simplificação na notação vista em (3). Desse ponto em diante, vamos definir a seguinte notação:
Chamaremos essa forma de ‘notação conjunta’. As expressões (4) e (5), respectivamente, podem ser escritas nas seguintes formas conjuntas:
Igualando x nos dois lados de cada identidade em (8), temos:
Vamos considerar as posições relativas em que as componentes escalares aparecem em cada lado da equivalência vista em (7) como uma ordem canônica a ser seguida. Obviamente, para qualquer x real, haverá sempre a uma combinação de componentes
De acordo com o que foi visto até aqui, as raízes positivas das equações do segundo grau nos permitem formar retângulos no primeiro quadrante do plano escalar, enquanto as raízes negativas fazem o mesmo no terceiro quadrante. Entretanto, esses diagramas ainda não nos permitem representar raízes na forma de números complexos ou mesmo imaginários puros, uma vez que os eixos α e γ são reais. Daí, poderíamos nos indagar quanto aos segundo e quarto quadrantes desse plano: teriam eles alguma relação com os números complexos? Para respondermos a essa pergunta vamos partir das raízes de
Fig. 4: (a)Mudança de quadrante girando os vetores em 90°; (b) As mesmas relações vistas para os quadrantes impares; (c) Retângulos escalares e suas raízes
Então, caso a raiz da equação esteja no segundo quadrante do plano escalar, teremos α e γ iguais a
Para aplicarmos a (10) e a (11) a condição de ambiguidade do termo quadrático expressa por (3), vamos substituir os valores reais de α e γ vistos na figura 4a, obtendo:
Porém, diferentemente do que foi feito na seção 3.1, não é mais possível aplicar a lei idempotente da conjunção para atribuir um valor único à variável x, ou seja, nos quadrantes pares, as componentes escalares apresentam uma ambiguidade não redutível. Isso significa que existem combinações de componentes no plano escalar para as quais não está associando nenhum número real no plano xy. Todavia, sabemos que a solução
Aplicando a notação conjunta a (14) e (15), teremos:
Finalmente, eliminando x em (16) e em (17) respectivamente, teremos:
Portanto, observe que a figura que obtivemos em 4a, ao girarmos em 90° as raízes de
A regra para multiplicar um número real pela unidade imaginária pode ser entendida como a multiplicação desse real por um vetor
Todavia, em notação conjunta,
Fazendo k variar de
A operação de somar dois reais,
Um número complexo pode ser descrito de maneira sucinta como um número real somado a um múltiplo da unidade imaginária. Assim, sendo a e b dois números reais e i a unidade imaginária, um número complexo pode ser representado algebricamente como
Vejamos alguns exemplos:
Portanto, no plano escalar, um número complexo representa a soma de um vetor de um quadrante ímpar com um vetor de um quadrante par. Note também que temos duas maneiras para fazer a representação conjunta de um número complexo : a forma vista em (21) será chamada de forma conjunta analítica e a forma vista em (22) será chamada de forma conjunta sintética.
A mudança de um número escrito na forma algébrica
Por exemplo, o complexo
Vamos agora obter uma fórmula geral para multiplicar dois números quaisquer escritos na forma conjunta sintética. Primeiramente, dados dois números complexos na forma algébrica
Usando a regra de transformação vista em (21), vamos passar apenas o lado direito da igualdade em (24) para a forma conjunta:
Na forma conjunta, o produto de dois complexos pode ser escrito como:
Substituindo
Assim, por comparação direta, obtemos:
Substituindo os valores de (28) em (25), obtemos:
Finalmente, desenvolvendo algebricamente as duas componentes da equação acima e substituindo
Exemplos:
Para obtermos o produto entre um real e um complexo na forma conjunta, basta fazer
Esse resultado concorda com a equação (19) que foi utilizada para gerar um número imaginário qualquer a partir da unidade imaginária.
Uma boa simplificação poderá ser obtida quando tivermos dois imaginários para serem multiplicados. Fazendo
Opcionalmente, podemos eliminar as componentes negativas do resultado obtido fazendo
Exemplos:
Podemos simplificar um pouco a fórmula (29) ao multiplicarmos um complexo por ele mesmo. Fazendo
Exemplos:
O quadrado de um número real pode ser obtido de maneira simplificada fazendo
De forma semelhante, podemos obter o quadrado de um número imaginário tanto na forma
Logo, tanto o quadrado de dois reais quanto o quadrado de dois imaginários podem ser obtidos pelo produto das componentes escalares.
Dado
Finalmente, escrevendo o resultado na forma algébrica, encontramos que:
Esse resultado nos mostra que quando elevamos um complexo ao quadrado, obtemos como resultado o produto das componentes escalares mais uma parcela imaginária, que pode ser descrita como a metade da diferença dos quadrados das componentes. Por isso, se
Exemplo:
Sendo
Vamos agora verificar as soluções gráficas no plano real para as equações do segundo grau com raízes negativas. Para isso, vamos tomar como exemplo a equação
O primeiro passo é escrever essa equação na forma de produtos escalares, semelhante ao que foi visto na seção 2.2 e, em seguida, separar o termo independente, como segue:
O termo independente nada mais é que o produto das duas raízes e seu cálculo já foi visto no exemplo b da seção 6.1. A parte à esquerda da igualdade nos permite obter o diagrama da figura 5a. No diagrama da figura 5b escrevemos
Fig.5: (a) Diagrama para
Na figura 5c podemos ver a combinação de vetores no plano escalar que representam a equação
Substituindo
Nas figuras 6a e 6b estão os diagramas escalares feitos a partir de
Fig.6: (a) Diagrama para
Uma segunda forma de verificarmos as raízes de uma equação do segundo grau sem fazer uso dos números imaginários é simplesmente trocar a forma algébrica pela forma conjunta. Voltando novamente à equação
Da mesma forma, substituindo a segunda raiz na equação dada, temos:
A diferença básica entre os dois métodos de verificação apresentados é que, no primeiro, embora a variável x assuma diferentes valores devido à sua natureza ambígua, cada ocorrência de x na equação corresponde a um valor real e unívoco, seguindo o diagrama usado como referência. Já no segundo método, a própria notação utilizada e as regras de manipulação algébrica apropriadas já trazem em si a natureza ambígua da variável, de modo que toda ocorrência de x sempre possa corresponder ao mesmo par de componentes escalares. Essa segunda forma de trabalhar com os números complexos, como vimos, é completamente equivalente à forma algébrica
Os números complexos podem ser definidos como pares ordenados
Fig.7: (a) Plano no
Assim, o uso do plano escalar para representar números complexos não é uma questão meramente formal, mas uma mudança de paradigma que nos permite compreender os números complexos como parte do plano real. Dessa forma, faz-se desnecessário estabelecer o conjunto dos números complexos
A constante imaginária, embora possa ser operada como número, não é um número propriamente dito, mas uma noção quantitativa ambígua que representa simultaneamente as duas componentes unitárias de um vetor localizado no segundo quadrante de um sistema de coordenadas reais, de forma que não podemos atribuir a i um valor unívoco: tudo o que podemos afirmar é que
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[1] Especialização em Instrumentação e Controle de Processos pelo Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial-SENAI; Habilitação profissional de Técnico em Eletrônica pelo Instituto Monitor S/C Ltda. Graduado em Física pela Universidade Federal de Minas Gerais. ORCID: 0009-0001- 4633-3914. Currículo Lattes: http://lattes.cnpq.br/9333737637565760.
Material recebido: 26 de dezembro de 2023.
Material aprovado pelos pares: 16 de janeiro de 2024.
Material editado aprovado pelos autores: 23 de fevereiro de 2024.
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