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  • 天南海北学业专栏
  • 复数坐标系的继续拓展——全复数坐标系,以及一个二次函数和一个椭圆方程的全复数图像

在上一篇文章里,笔者阐述了复数坐标系的概念,即使用空间坐标系上的点 P(x,y,z)(x,y,zR)P(x, y, z) (x, y, z \in R) 来表示由一个复数和一个实数组成的数组 (x+zi,y)(x+zi, y), 并由此探讨复数函数中自变量和因变量的影响。
但是复数坐标系也有其缺陷,它限定了因变量只能是实数而非复数,限制了对于复数函数的全面探究。我们希望能够有这个一个坐标系,来表示由两个复数组成的数组 (x+zi,y+ui)(uR)(x+zi, y+ui) (u \in R).
我们可以绘制两个空间坐标系,第一个空间坐标系中的点 P(x,y,z)P(x, y, z) 用来表示因变量的实部随自变量的变化,我们称其为实复数坐标系。第二个空间坐标系中的点 P(x,u,z)P(x, u, z) 用来表示因变量的虚部随自变量的变化,我们称其为虚复数坐标系。实复数坐标系和虚复数坐标系并称为全复数坐标系。
现在,笔者将复数坐标系拓展到全复数坐标系。全复数坐标系相比复数坐标系能够更加全面的研究复数函数中因变量随自变量的变化。

所谓 v=f(w)(w,vC)v = f(w) (w, v \in C) 的全复数图像,即在全复数坐标系中所有满足方程 v=f(w)v = f(w) 成立的点的集合。
接下来,笔者将阐述函数 v=w2+3w6v = w^2 + 3w - 6 和图像 w2+v2=24w^2 + v^2 = 24 的全复数图像绘制过程,来使各位读者更为直观地理解全复数函数图像的意义。

为了绘制出函数 v=w2+3w6v = w^2+3w-6 的全复数图像,首先必须求解方程 v=w2+3w6v = w^2+3w-6 在复数范围内的解。
w=x+ziw = x+zi, v=y+uiv = y+ui, 则有 y+ui=(x+zi)2+3(x+zi)6y+ui = (x+zi)^2+3(x+zi)-6.

(x2z2+3xy6)+(2xz+3zu)i=0(x^2-z^2+3x-y-6)+(2xz+3z-u)i = 0
由上式可得
{x2z2+3xy6=02xz+3zu=0\left\{\begin{aligned} x^2-z^2+3x-y-6 = 0 \\ 2xz+3z-u = 0 \end{aligned}\right.

则函数 v=w2+3w6v = w^2+3w-6 的实复数图像,相当于空间坐标系中 x2z2+3xy6=0x^2-z^2+3x-y-6 = 0 的图像;函数的虚复数图像,相当于空间坐标系中 2xz+3zy=02xz+3z-y = 0 的图像。
使用数学软件分别绘制,有:

(巧合的是,它们都是双曲抛物面)

图像 w2+v2=24w^2 + v^2 = 24 的绘制也是同理。
做和上文相同的代换,则有 (x+zi)2+(y+ui)2=24(x+zi)^2+(y+ui)^2 = 24

(x2z2+y2u2)+(2xz2yu)i=0(x^2-z^2+y^2-u^2)+(2xz-2yu)i = 0

由上式可得
{x2z2+y2u2=02xz2yu=0\left\{\begin{aligned} x^2-z^2+y^2-u^2 = 0 \\ 2xz-2yu = 0 \end{aligned}\right.

2xz2yu=02xz-2yu = 0 可以得到 u=xzyu = \frac{xz}{y}y=xzuy = \frac{xz}{u}.
u=xzyu = \frac{xz}{y} 代入 x2z2+y2u2=0x^2-z^2+y^2-u^2 = 0, 有
x2z2+y2x2z2y2=24x^2 - z^2 + y^2 - \frac{x^2z^2}{y^2} = 24

y4+x2y2x2z2y2z224=0y^4 + x^2y^2 - x^2z^2 - y^2z^2 - 24 = 0

y=xzuy = \frac{xz}{u} 代入 x2z2+y2u2=0x^2-z^2+y^2-u^2 = 0, 容易得到类似的结果
u4+x2u2+x2z4u2z224=0-u^4+x^2u^2+x^2z^4-u^2z^2-24 = 0

则函数 w2+v2=24w^2 + v^2 = 24 的实复数图像,相当于空间坐标系中 y4+x2y2x2z2y2z224=0y^4 + x^2y^2 - x^2z^2 - y^2z^2 - 24 = 0 的图像;函数的虚复数图像,相当于空间坐标系中 y4+x2y2+x2z4y2z224=0-y^4+x^2y^2+x^2z^4-y^2z^2-24 = 0 的图像。
很遗憾,笔者的Wolfram Mathematica 12无法绘制出它们的图像。读者中若有能够成功绘制出这两个图像的,希望能联系笔者,笔者将不胜感激。

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