Курсовая работа на тему «Дуальные и двойные числа»

1 Определение дуальных и двойных чисел.

1.1 Дуальные числа.

1.2 Двойные числа.

2 Дуальные числа как ориентированные прямые плоскости.

2.1 Двойные числа как ориентированные прямые плоскости Лобачевского.

Заключение число модуль сопряженный.

Список используемой литературы.

 

Введение

 

В настоящее время различные виды комплексных чисел изучаются довольно интенсивно. С учением о комплексных числах связаны важные, не решённые до сегодняшнего дня задачи, над которыми работают учёные во многих странах.

Все системы самых общих комплексных чисел фактически сводятся к следующим трём различным системам: обыкновенные комплексные числа, дуальные числа, двойные числа.

Обыкновенные комплексные числа тесно связаны с вопросом о решении уравнений второй и высших степеней, они играют основную роль в алгебре и во многих разделах математического анализа. Дуальные же и двойные числа не имеют никакого отношения к теории квадратных уравнений с вещественными коэффициентами и вообще сравнительно мало связаны с алгеброй. Основные применения эти числа находят в геометрии (некоторые применения эти системы комплексных чисел находят также в теории чисел).

Основные применения двойных чисел относятся к неевклидовой геометрии Лобачевского и к некоторым другим геометриям, отличным от привычной геометрии Евклида (например, к так называемой псевдоевклидовой геометрии, играющей фундаментальную роль в физической теории относительности).

В данной работе исследуются дуальные и двойные числа, а также применение этих чисел.

 

1 Определение дуальных и двойных чисел

1.1 Дуальные числа

Сложение, вычитание и умножение дуальных чисел определяется формулами:

Последняя из этих формул показывает, что произведение дуального числа  на другое число  будет вещественным лишь в том случае, когда ; если , то последнее равенство можно записать в виде . Вещественным, в частности, является произведение чисел  и

Число  называют сопряжённым числу  (и обратно,  сопряжено ); корень квадратный  из произведения  (совпадающий с полусуммой  сопряжённых чисел  и ) называют модулем дуального числа  и обозначают через  (отметим, что модуль дуального числа может быть и отрицательным). Сумма  двух сопряжённых чисел является вещественной; разность  является числом чисто мнимым (т.е. отличается от  лишь вещественным множителем). Заметим ещё, что, в полной аналогии с обыкновенными комплексными числами, дуальное число  тогда и только тогда совпадает со своим сопряжённым , когда оно является вещественным. Также и справедливые для комплексных чисел формулы (3)

полностью остаются в силе для дуальных чисел.

Правило деления на дуальное число  мы теперь можем записать так:

Отсюда видно, что для возможности деления на дуальное число  необходимо, чтобы модуль  этого числа был отличен от нуля; при этом, в противоположность обыкновенным комплексным числам, дуальное число нулевого модуля само может быть отличным от нуля. В тех случаях, когда невозможность деления на числа нулевого модуля явится для нас затруднением, мы будем считать, что частные  и  являются числами новой природы, которые условимся обозначать через  и ; введём также в рассмотрение всевозможные числа вида , где  вещественно. Тогда любое дуальное число будет иметь обратное:

Правила действий над символом  определяются следующими формулами:

здесь — произвольное число, причём в среднем равенстве , а во втором и в двух последних ( в этих формулах может быть и числом вида ); правила действий над числами  определяются так:

тогда для расширенного (введением чисел , ) множества дуальных чисел сохраняет силу равенство  и все правила (3).

Число  нулевого модуля можно характеризовать тем, что существует отличное от нуля дуальное число , равное , произведение которого на число  равняется нулю:

. (7)

Поэтому эти числа называют делителями нуля.

Дуальные числа ненулевого модуля  можно также записать в форме, близкой к тригонометрической форме комплексного числа:

Здесь  есть модуль числа , а отношение  называется аргументом этого числа и обозначается через Arg z (r может быть произвольным вещественным числом, отличным от нуля; — произвольным вещественным числом). Очевидно, что вещественные числа  характеризуются равенством нулю их аргумента; сопряжённые дуальные числа  и  имеют одинаковый модуль r и противоположные аргументы  и .

Форма (8) записи дуальных чисел очень удобна в тех случаях, когда эти числа приходится перемножать или делить. Действительно,

следовательно, модуль произведения двух дуальных чисел равен произведению модулей сомножителей[1], а аргумент произведения — сумме аргументов. Отсюда вытекает, что модуль частного двух дуальных чисел равен частному модулей этих чисел, а аргумент частного – разности соответствующих аргументов:

Наконец, из этих правил выводятся также и законы, позволяющие возвышать дуальное число в любую степень и извлекать из него корень:

(из последней формулы вытекает, что корень нечётной степени из дуального числа при  определяется однозначно; корень же чётной степени не существует, если r<0, и имеет два значения, если r>0[2]).

1.2 Двойные числа

В полной аналогии со всем изложенным выше назовём двойные числа  и  сопряжёнными, если они имеют вид

Сумма и произведение  сопряжённых двойных чисел вещественны; корень квадратный из числа , знак которого совпадает со знаком большего по абсолютной величине из вещественных чисел a и b, называется модулем числа  и обозначается через . Легко проверить, что для двойных чисел остаются в силе все формулы (3); кроме того, ясно, что равенство  характеризует вещественные числа , а равенство  — чисто мнимые числа .

Сложение, вычитание, умножение и деление двойных чисел определяются формулами

Отсюда следует, что и здесь деление на  возможно лишь в тех случаях, когда . Двойные числа , модуль которых равен нулю, называются делителями нуля (заметим, что ). В некоторых случаях оказывается удобным считать частные ,  и  числами новой природы; при этом оказывается необходимым ещё расширить понятие двойного числа, введя дополнительно произведения  и  новых чисел  и  на всевозможные вещественные числа c и частные  и . Правила действия над символами , , ,  и  определяются формулами (5) и рядом соотношений, родственных (6), например:

 

что обеспечит выполнение для расширенного указанным образом множества двойных чисел равенства  и всех соотношений (3).

Двойные числа ненулевого модуля можно также записать в форме, аналогичной форме (8) записи дуальных чисел. Пусть  — модуль  двойного числа; далее

 

Из определения модуля следует, что  и что большая (по абсолютной величине) из дробей  и  положительна. Отсюда вытекает, что

Форма (15) записи двойных чисел очень удобна в тех случаях, когда приходится перемножать два или несколько двойных чисел. Действительно, из формул сложения гиперболических функций следует, что

Таким образом, модуль произведения двух двойных чисел равен произведению модулей сомножителей, а аргумент произведения – сумме аргументов; при этом произведение имеет первую или вторую из форм (15) в зависимости от того, имеют ли сомножители одну и ту же или разные формы. Из формул (16) сразу вытекают правила деления двойных чисел:

 

Из формул (16) получаются также правила, позволяющие возводить двойное число в любую целую положительную степень n и извлекать из него корень степени n:

2 Дуальные числа как ориентированные прямые плоскости

Две ориентированные прямые будем называть параллельными лишь в том случае, если они параллельны в обычном смысле и направления этих прямых совпадают (рис. 1, а); параллельные прямые противоположных направлений будем называть противопараллельными (рис. 1, б).

Рисунок – 1

Под расстоянием от прямой a до не пересекающей её прямой b будем понимать ориентированное расстояние {a,b} от a до b, т.е. ориентированное расстояние от произвольной точки прямой a до прямой b; очевидно, что {a,b}=—{b,a}, если a и b параллельны, и {a,b}={b,a}, если a и b противопараллельны.

Полярные координаты точек плоскости определяются заданием некоторой точки O (полюса системы координат) и проходящей через O ориентированной прямой o (полярной оси); координатами точки M служат расстояние r=OM этой точки от полюса и угол ={o,m}, образованный с o ориентированной прямой m, соединяющей O и M. Аналогично этому можно определить полярные координаты ориентированных прямых плоскости, для задания которых надо также указать некоторую ориентированную прямую o (полярную ось) и лежащую на o точку O (полюс); координатами прямой l служат угол ={o,l}, образованный l с полярной осью o, и ориентированное расстояние s={O,L} от O до точки L пересечения l и o (рис. 2,а). Очевидно, что координата s ориентированной прямой l может иметь любое значение, заключённое между  и ; координата  – любое значение, заключённое между 0 и 2. Естественно считать, что =0 для прямых, параллельных полярной оси o, и = для прямых, противопараллельных o; если прямая не пересекает оси o, то координаты s она не имеет (можно считать, что в этом случае ).

 

Рисунок — 2

Условимся сопоставлять ориентированной прямой l с полярными координатами  и s дуальное число

При этом параллельным o прямым, для которых =0, естественно относить числа нулевого модуля, т.е. делители нуля . Чтобы установить точное соответствие между параллельными o прямыми и делителями нуля, заметим, что расстояние d={O,l} не параллельной o прямой l от полюса O равно

(20)

(рис. 2, а). Чтобы формула (20) сохранила силу и для параллельной o прямой m, отстоящей от o на расстоянии {o,m}=d, то этой прямой нужно сопоставить число

(т.е. , где u=0 и ).

 

Двум пересекающим o прямым l и l, отличающимся только направлением и, следовательно, имеющим полярные координаты () и (), отвечают дуальные числа

 

Считая, что это соотношение сохраняет силу и для прямых, не пересекающих o, условимся относить противопараллельной o прямой m, отстоящей от o на расстоянии {o,m}=d, число

(заметим, что если расстояние {o,m} от o до параллельной o прямой m, совпадающей по положению на плоскости с прямой m, равно d, то d=-d). Прямой o, отличающейся только направлением от полярной оси o (противооси), мы сопоставим число .

Тем самым мы устанавливаем полное соответствие между ориентированными прямыми плоскости и дуальными числами, включая сюда также и числа вида w, где w0 вещественно, и число .

Очевидно, что вещественным числам  отвечают проходящие через полюс O прямые; числам модуля 1 – перпендикулярные o прямые; чисто мнимым числам v (числам нулевого модуля) и числам бесконечного модуля w отвечают параллельные и противопараллельные оси o прямые. Сопряжённым числам  и  отвечают прямые симметричные относительно полюса O; противоположным числам  и  – прямые, симметричные относительно полярной оси o (т.е. прямые, пересекающие o в одной и той же точке L и образующие с o равные углы {o,z}={—z,o}; см. рис. 2, б); числам z и  отвечают прямые, отличающиеся только направлением. Таким образом, равенства

(а),  (б), (в)  (21)

можно понимать как записи определённых преобразований в множестве ориентированных прямых плоскости: симметрии относительно точки O, симметрии относительно прямой o и переориентации (изменения направления всех прямых плоскости на противоположное).

Выясним теперь, как записываются с помощью дуальных чисел произвольные движения (к числу которых отнесём и переориентацию, также не меняющую расстояний между точками плоскости).

Рисунок – 3

Параллельный перенос вдоль o на расстояние t переводит прямую, которой отвечает дуальное число

Параллельный перенос на расстояние t в направлении, перпендикулярном o, переводит прямую

Отсюда вытекает, что произвольный параллельный перенос, т.е. перенос на расстояние t в направлении o и на расстояние t в направлении lo, записывается формулой

Перейдём теперь к вращениям плоскости. Очевидно, что поворот вокруг O на угол  переводит прямую  в прямую , где  (рис. 4). Таким образом,

Наконец, самое общее движение представляет собой поворот (25) вокруг O на некоторый угол , причём это вращение может сопровождаться ещё параллельным переносом (33):

Возможно, также, что исходное движение представляет собой симметрию (21б) относительно прямой o, сопровождаемую преобразованием (36а) (вращением вокруг O и параллельным переносом):

Наконец, движение может представлять собой переориентацию (21в),

Найдём теперь ориентированное расстояние d={[],[]} между точками [] и [] пересечения определённой прямой  с двумя другими прямыми  и  (рис. 5, б). Очевидно, что расстояние d между точками пересечения прямой o с прямыми  и  равно

Условием того, что прямые ,  и  пересекаются в одной точке, является равенство нулю расстояния между точками пересечения  и  с , т.е., в силу формулы (28), вещественность отношения .

Найдём теперь условие того, что четыре ориентированные точки , ,  и  принадлежат одной ориентированной окружности. При этом под ориентированной окружностью мы здесь понимаем совокупность всех ориентированных прямых l, ориентированное расстояние {O,l} которых от данной точки O (центра окружности) имеет фиксированное значение r. Число r называется радиусом окружности; таким образом, радиус ориентированной окружности может быть как положительным, так и отрицательным. Из определения ориентированного расстояния {O,l} от точки O до прямой l следует, что радиус ориентированной окружности будет положительным, если направление обхода противоположно направлению вращения часовой стрелки, и отрицательным в противном случае.

Можно показать, что четыре ориентированные прямые , ,  и  в том и только в том случае принадлежат одной ориентированной окружности или проходят через одну точку, если

Чтобы убедиться в этом, рассмотрим рис. 33, на котором изображены четыре ориентированные касательные , ,  и  ориентированной окружности S, касающиеся S соответственно в точках M, N, P и Q; точки [], [], [] и [] обозначены через A, B, C и D. При этом, очевидно, имеем

{A,B}{C,D}={A,P}{P,B}{C,Q}{Q,D}

и

{D,A}{B,C}={D,M}{M,A}{B,N}{N,C}

В силу известного свойства касательных к окружности

{A,P}={M,A}, {P,B}={B,N}, {C,Q}={N,C}, {Q,D}={D,M},

значит, во всех случаях выполняется условие (31)

{A,B}{C,D}={D,A}{B,C}.

 

Дуальное число  естественно называть двойным отношением четырёх прямых , ,  и ; обозначать его будем символом W(,,,). Таким образом, условием того, что четыре прямые , ,  и  принадлежат одной ориентированной окружности (ненулевого радиуса или окружности радиуса нуль – точке), является вещественность двойного отношения W(,,,)= этих четырёх прямых.

 

2.1 Двойные числа как ориентированные прямые плоскости Лобачевского

В полной аналогии с пунктом 2.1 ориентированным прямым плоскости Лобачевского можно сопоставить двойные числа. А именно, введём, как в пункте 2.1, полярную систему координат для прямых и отнесём каждой пересекающей полярную ось o ориентированной прямой l, имеющей полярные координаты , s, двойное число

Прямые, параллельные оси o, можно рассматривать как предельный случай пересекающих o прямых, отвечающий равенству нулю угла , или как предельный случай расходящихся с o прямых, отвечающий равенству нулю расстояний d. Так как из формул (37) и (37а) следует, что , соответственно , то естественно отнести параллельным o прямым, направленным в ту же сторону, что и o, делители нуля, т.е. числа вида . При этом прямым, параллельным o в положительном или отрицательном направлении, отвечают числа , для которых  или , т.к. из (37) и (37а) вытекает, что соотношение  равносильно равенству  или , а соотношение  – равенству  или . Из формул неевклидовой тригонометрии следует, что ориентированное расстояние p={O,l} от полюса O до пересекающей o прямой l (рис. 6), отвечающей двойному числу , находится из соотношения

Поэтому двум параллельным o прямым n и n‘, удалённым от O на расстояние {O, n}={O, n‘}=p, надо отнести  числа  (где ), для которых , т.е. числа

Наконец, исходя из соотношения , связывающего двойные числа z и z, отвечающие пересекающим ось o или расходящимся с o прямым, отличающимся одна от другой лишь направлением, сопоставим противопараллельным o прямым n и n (т.е. прямым, параллельным o и противоположно направленным), удалённым от O на расстояние {O, n}={O, n}=p, числа

где  и  – числа, обратные делителям нуля: ,  (если n и n – две прямые, отличающиеся только направлением, то p={O, n}=–{O, n}=–p). Полярной оси o и противооси o (т.е. прямой, отличающейся от o только направлением) сопоставим числа 0 и ∞.

Пока у нас не отвечают никаким прямым такие двойные числа z, что  (т.к.  и  ни при каком d).

Чтобы распространить соответствие между прямыми плоскости Лобачевского и двойными числами на все числа, введём в рассмотрение бесконечно удалённые прямые плоскости Лобачевского, которые можно представить, как касательные к абсолюту  модели Клейна (рис. 7). Эти прямые не имеют ориентации.

Такая прямая k, не параллельная o (т.е. отличная от касательных к  в точках пересечения  с o), характеризуется тем, что d={k,o}=; при этом следует считать, что d=, если отвечающая k бесконечно удалённая точка S плоскости Лобачевского расположена справа от o, и d=– в противном случае. Общим перпендикуляром k и o естественно считать прямую SQ, перпендикулярную o; при этом величина s‘={O,Q} может принимать любое значение и соответственно этому каждому двойному числу , такому, что , можно сопоставить определённую бесконечно удалённую прямую k. Бесконечно удалённым прямым i и i, параллельным o (рис. 7), сопоставим числа  и .

Таким образом, установлено взаимно однозначное соответствие между множеством ориентированных и бесконечно удалённых прямых плоскости Лобачевского и множеством двойных чисел (дополненным числами , , ,  и ). При этом прямые l, пересекающие полярную ось o, отвечают двойным числам , для которых , т.е. числам, изображаемым на (u,v)‑плоскости точками области, помеченной на рис. 8 цифрой I. Прямые m, расходящиеся с o и направленные в ту же сторону, что и o, от общего перпендикуляра o и m, отвечают числам z, для которых , т.е. числам, изображаемым на рис. 8 точками области II. Расходящиеся с o прямые m, направленные в противоположную по сравнению с o сторону от общего перпендикуляра m и o, отвечают числам z, для которых , т.е. числам, изображаемым точками области III. Наконец, параллельные o прямые n отвечают числам нулевого модуля, изображаемым двумя прямыми , а противопараллельные o прямые n отвечают числам ,  (эти числа не имеют изображений на (u,v)‑плоскости); бесконечно удалённые прямые k отвечают таким числам z, что , т.е. числам, изображаемым точками гиперболы , и ещё двум числам , .

Очевидно, что как и в случае евклидовой плоскости, соотношения

(а),  (б), (в) (21)

выражают симметрию относительно точки O, симметрию относительно прямой o и переориентацию (изменение направлений всех прямых на обратное). Произвольные движения, как можно показать, выражаются здесь теми же формулами, что и в евклидовом случае:

, или , или , или ;

только в качестве переменных z‘, z и коэффициентов P, Q здесь фигурируют не дуальные, а двойные числа, в связи с чем следует дополнительно потребовать, чтобы выражение  было положительно (если P и Q – дуальные числа, то последнее условие выполняется автоматически, т.к. произведения  и  не могут быть отрицательны). Также и ориентированный угол {z, z} между прямыми z и z и ориентированное расстояние d={[ z z],[ z z]} между точками пересечения прямых z и z с прямой z определяются формулами (27) и (28):

Из (28) следует, что условием того, что три прямые z, z и z пересекаются в одной точке, является вещественность отношения . Отсюда вытекает, что уравнение точки неевклидовой геометрии Лобачевского имеет вид:

При таком понимании термина цикл мы получаем, что необходимым и достаточным условием того, что четыре ориентированные прямые z, z, z и z плоскости Лобачевского принадлежат одному циклу, является вещественность двойного отношения  этих четырёх прямых. Отсюда снова вытекает, что уравнение каждого цикла можно записать в форме:

, A и C – чисто мнимые. (35)

Чтобы решить, является ли цикл (35) окружностью, предельной линией, эквидистантой, параллельным пучком или пучком постоянного наклона, надо выяснить, сколько общих прямых имеет этот цикл с бесконечно удалённой окружностью (абсолютом)  (т.е. сколько решений имеет система , ) и будет ли вещественным или мнимым угол (27) между двумя соседними прямыми цикла. Воспользовавшись этим, получаем

  Заключение число модуль сопряженный

В нашей работе мы определили операции сложения, вычитания и умножения для дуальных чисел, дали определение модуля и сопряжённого числа, вывели правило деления на дуальное число, расширив множество дуальных чисел, ввели определение делителя нуля, представили запись дуального числа в форме, близкой к тригонометрической форме комплексного числа, и вывели законы, позволяющие возводить дуальное число в любую целую положительную степень n и извлекать из него корень степени n. Аналогичным образом определили двойные числа и действия над ними. Введя на плоскости полярную систему координат, установили полное соответствие между ориентированными прямыми плоскости и дуальными числами, с помощью дуальных чисел записали все виды движений, нашли условие того, что четыре ориентированные точки принадлежат одной ориентированной окружности, и, пользуясь этим условием, вывели уравнение ориентированной окружности. В полной аналогии с изложенным выше установили взаимно однозначное соответствие между множеством ориентированных и бесконечно удалённых прямых плоскости Лобачевского и множеством двойных чисел и вывели формулы для записи движений. Также мы дали определение цикла множества ориентированных и бесконечно удалённых прямых плоскости Лобачевского и получили необходимое и достаточное условие принадлежности одному циклу четырёх прямых плоскости Лобачевского.

Эти результаты могут быть приложены к доказательству многих теорем евклидовой геометрии и неевклидовой геометрии Лобачевского. При этом использование дуальных и двойных чисел во многом упрощает доказательство различных теорем.

 

Список используемой литературы

1. Демин, А. Ю. Информатика. Лабораторный практикум : учебное пособие для среднего профессионального образования / А. Ю. Демин, В. А. Дорофеев. — Москва : Издательство Юрайт, 2019. — 133 с.
2. Зимин, В. П. Информатика. Лабораторный практикум в 2 ч. Часть 1 : учебное пособие для среднего профессионального образования / В. П. Зимин. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2019. — 126 с.
3. Кедрова Г. Е.Информатика для гуманитариев : учебник и практикум для среднего профессионального образования / Г. Е. Кедрова [и др.] ; под редакцией Г. Е. Кедровой. — Москва : Издательство Юрайт, 2019. — 439 с.
4. Новожилов, О. П. Информатика в 2 ч. Часть 1 : учебник для среднего профессионального образования / О. П. Новожилов. — 3-е изд., перераб. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2019. — 320 с.
5. Петров, П.К. Информационные технологии в физической культуре и спорте: Учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования / П.К. Петров. — М.: ИЦ Академия, 2013. — 288 c.