Resumo nº1 – Unidade imaginária e forma algébrica

📐 Matemática A · 12.º ano🌀 Tema 1 · Números complexos
📘

Resumo nº1

Unidade imaginária e forma algébrica

⏱ ≈ 35 min de estudo🎬 Animação🕹️ Simulador🧩 Laboratório🎓 Atividade para a aula✅ Quiz
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🎯 No fim deste resumo deves ser capaz de

  • explicar porque é que foi preciso «inventar» números cujo quadrado é negativo;
  • usar a unidade imaginária $i$, definida por $i^{2}=-1$;
  • escrever um número complexo na forma algébrica $z=a+bi$ e identificar a parte real $\operatorname{Re}(z)=a$ e a parte imaginária $\operatorname{Im}(z)=b$;
  • distinguir números reais, imaginários e imaginários puros;
  • resolver em $\mathbb{C}$ equações do 2.º grau que não têm soluções reais.

💡 Ideia principal

Em $\mathbb{R}$ nenhum número tem quadrado negativo. Junta-se aos reais um número novo, $i$, com $i^{2}=-1$. Os números da forma $a+bi$, com $a,b\in\mathbb{R}$, são os números complexos. Formam o conjunto $\mathbb{C}$, que contém $\mathbb{R}$, e neles todas as equações do 2.º grau têm solução.

1Porque é que foram precisos novos números?

A equação $x^{2}+1=0$ não tem soluções reais: para qualquer $x\in\mathbb{R}$, $x^{2}\geq 0$, logo $x^{2}+1\geq 1>0$. O mesmo acontece com todas as equações do 2.º grau de binómio discriminante negativo, como $x^{2}-2x+5=0$ (aqui $\Delta=4-20=-16<0$).

📜 Um pouco de história

No século XVI, os matemáticos italianos encontraram «raízes quadradas de números negativos» ao resolver problemas. Cardano (1545) quis dividir 10 em duas partes cujo produto fosse 40 e chegou a $5+\sqrt{-15}$ e $5-\sqrt{-15}$. Bombelli (1572) mostrou que, ao calcular com estas expressões como se fossem números, se obtinha a solução real $x=4$ da equação $x^{3}=15x+4$.

Durante muito tempo chamaram-lhes números «impossíveis» ou «imaginários» (nome dado por Descartes, 1637). Euler introduziu o símbolo $i$ (1777) e Gauss deu-lhes o nome de números complexos (1831) e representou-os como pontos de um plano.

2A unidade imaginária $i$

📏 Definição

A unidade imaginária é um número, representado por $i$, tal que

$$i^{2}=-1.$$

Continuamos a usar as regras habituais do cálculo (propriedades comutativa, associativa e distributiva). Por exemplo: $(3i)^{2}=3^{2}\times i^{2}=9\times(-1)=-9$, e por isso $3i$ e $-3i$ são as duas raízes quadradas de $-9$ em $\mathbb{C}$.

🎬 Animação

Multiplicar por $i$ é rodar $90^{\circ}$

Começa no ponto que representa o número $1$. Cada vez que multiplicas por $i$, o ponto roda $90^{\circ}$ (um quarto de volta) em torno da origem, no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio. Duas rotações dão meia volta: $i\times i=i^{2}=-1$.

Número obtido1
Produto feito1
Rotação total0°

3Números complexos na forma algébrica

📏 Forma algébrica

Um número complexo é um número da forma

$$z=a+bi,\qquad a\in\mathbb{R},\ b\in\mathbb{R}.$$

Esta é a forma algébrica de $z$. O número real $a$ é a parte real, $\operatorname{Re}(z)=a$, e o número real $b$ é a parte imaginária, $\operatorname{Im}(z)=b$. O conjunto dos números complexos representa-se por $\mathbb{C}$.

⚠️ A parte imaginária é o número real $b$, sem o $i$: se $z=3-2i$, então $\operatorname{Im}(z)=-2$ (e não $-2i$).

Se $z=a+bi$ ($a,b\in\mathbb{R}$)…$z$ chama-se…Exemplos
$b=0$número real$7$, $\;-\sqrt{3}$, $\;0$
$b\neq 0$número imaginário$2-i$, $\;\pi+i$, $\;5i$
$a=0$ e $b\neq 0$imaginário puro$5i$, $\;-\dfrac{i}{2}$, $\;\sqrt{2}\,i$

Como cada número real $a$ se escreve $a=a+0i$, temos $\mathbb{N}\subset\mathbb{Z}\subset\mathbb{Q}\subset\mathbb{R}\subset\mathbb{C}$. O número $0=0+0i$ é real e não é imaginário puro.

🧩 Laboratório · arrasta e larga

Real, imaginário puro ou imaginário não puro?

Arrasta cada número para a caixa certa. Se for preciso, escreve-o primeiro na forma $a+bi$.

Real ($b=0$)
Imaginário puro ($a=0,\ b\neq0$)
Imaginário não puro ($a\neq0,\ b\neq0$)

📋 O meu registo
CartãoOnde o pusestePorquê

4Equações do 2.º grau em $\mathbb{C}$

📏 Raízes quadradas de um número negativo

Se $k>0$, o número $-k$ tem, em $\mathbb{C}$, duas raízes quadradas: $\sqrt{k}\,i$ e $-\sqrt{k}\,i$, porque

$$\left(\pm\sqrt{k}\,i\right)^{2}=\left(\sqrt{k}\right)^{2}i^{2}=k\times(-1)=-k.$$

Assim, na fórmula resolvente, quando $\Delta=b^{2}-4ac<0$:

$$ax^{2}+bx+c=0\iff x=\frac{-b\pm\sqrt{-\Delta}\;i}{2a}.$$

As duas soluções são $\dfrac{-b}{2a}+\dfrac{\sqrt{-\Delta}}{2a}\,i$ e $\dfrac{-b}{2a}-\dfrac{\sqrt{-\Delta}}{2a}\,i$: têm a mesma parte real e partes imaginárias simétricas (são conjugadas, como vais ver no Resumo nº2).

🕹️ Simulador

Equação $ax^{2}+bx+c=0$: parábola e soluções em $\mathbb{C}$

Mexe nos coeficientes. Quando a parábola não toca no eixo $Ox$, o discriminante é negativo e não há soluções reais, mas há duas soluções complexas, representadas no plano à direita.

Discriminante Δ—
Soluções—
Tipo de soluções—

5Exemplos resolvidos

✍️ Exemplo resolvido 1

Indica a parte real e a parte imaginária de cada número complexo: $z_1=-5+\sqrt{2}\,i$, $\;z_2=\dfrac{3-4i}{2}$, $\;z_3=7i$, $\;z_4=-\pi$.

Resolução
1
$z_1=-5+\sqrt{2}\,i$ já está na forma $a+bi$: $\operatorname{Re}(z_1)=-5$ e $\operatorname{Im}(z_1)=\sqrt{2}$.
2
Escreve-se $z_2$ na forma $a+bi$, dividindo cada parcela por $2$: $z_2=\dfrac{3}{2}-\dfrac{4}{2}\,i=\dfrac{3}{2}-2i$. Logo $\operatorname{Re}(z_2)=\dfrac{3}{2}$ e $\operatorname{Im}(z_2)=-2$.
3
$z_3=0+7i$: $\operatorname{Re}(z_3)=0$ e $\operatorname{Im}(z_3)=7$ (imaginário puro).
4
$z_4=-\pi+0i$: $\operatorname{Re}(z_4)=-\pi$ e $\operatorname{Im}(z_4)=0$ (número real).
✅ $\operatorname{Re}(z_1)=-5,\ \operatorname{Im}(z_1)=\sqrt{2}$; $\;\operatorname{Re}(z_2)=\dfrac{3}{2},\ \operatorname{Im}(z_2)=-2$; $\;\operatorname{Re}(z_3)=0,\ \operatorname{Im}(z_3)=7$; $\;\operatorname{Re}(z_4)=-\pi,\ \operatorname{Im}(z_4)=0$.

✍️ Exemplo resolvido 2

Resolve, em $\mathbb{C}$, a equação $x^{2}-4x+13=0$. Apresenta as soluções na forma algébrica.

Resolução
1
Identificam-se os coeficientes: $a=1$, $b=-4$, $c=13$.
2
Calcula-se o binómio discriminante: $\Delta=b^{2}-4ac=(-4)^{2}-4\times1\times13=16-52=-36$.
3
Como $\Delta<0$, não há soluções reais. Em $\mathbb{C}$, as raízes quadradas de $-36$ são $\pm 6i$, porque $(\pm6i)^{2}=36\,i^{2}=-36$.
4
Aplica-se a fórmula resolvente: $$x=\frac{-(-4)\pm 6i}{2\times1}=\frac{4\pm6i}{2}\iff x=2+3i\ \vee\ x=2-3i.$$
5
Verificação (para $x=2+3i$): $(2+3i)^{2}-4(2+3i)+13=4+12i+9i^{2}-8-12i+13=4-9-8+13+(12-12)i=0$. ✔
✅ O conjunto-solução é $\{2-3i,\ 2+3i\}$.

✍️ Exemplo resolvido 3

Determina o número real $k$ de modo que $z=(k^{2}-9)+(k+3)\,i$ seja um imaginário puro.

Resolução
1
$z$ já está na forma algébrica, com $\operatorname{Re}(z)=k^{2}-9$ e $\operatorname{Im}(z)=k+3$ (ambos reais, porque $k\in\mathbb{R}$).
2
$z$ é imaginário puro se e só se $\operatorname{Re}(z)=0$ e $\operatorname{Im}(z)\neq0$.
3
$\operatorname{Re}(z)=0\iff k^{2}-9=0\iff k^{2}=9\iff k=3\ \vee\ k=-3$.
4
$\operatorname{Im}(z)\neq0\iff k+3\neq0\iff k\neq-3$. Portanto, $k=-3$ não serve (daria $z=0$, que não é imaginário puro).
5
Verificação: para $k=3$, $z=(9-9)+(3+3)i=6i$, que é imaginário puro. ✔
✅ $k=3$

✍️ Exemplo resolvido 4

Resolve, em $\mathbb{C}$, a equação $2x^{2}+2x+5=0$.

Resolução
1
$a=2$, $b=2$, $c=5$; $\;\Delta=2^{2}-4\times2\times5=4-40=-36<0$.
2
As raízes quadradas de $-36$ em $\mathbb{C}$ são $\pm6i$.
3
$$x=\frac{-2\pm6i}{2\times2}=\frac{-2\pm6i}{4}\iff x=-\frac{1}{2}+\frac{3}{2}\,i\ \vee\ x=-\frac{1}{2}-\frac{3}{2}\,i.$$
✅ O conjunto-solução é $\left\{-\dfrac{1}{2}-\dfrac{3}{2}\,i,\ -\dfrac{1}{2}+\dfrac{3}{2}\,i\right\}$.

⚠️ Erros frequentes

  • ❌ «$\operatorname{Im}(3-2i)=-2i$.»
    ✅ A parte imaginária é um número real: $\operatorname{Im}(3-2i)=-2$.
  • ❌ «$0$ é imaginário puro, porque a parte real é $0$.»
    ✅ Um imaginário puro tem parte real nula e parte imaginária diferente de zero. $0$ é real.
  • ❌ «$\sqrt{-4}\times\sqrt{-9}=\sqrt{36}=6$.»
    ✅ A regra $\sqrt{a}\times\sqrt{b}=\sqrt{ab}$ só vale para $a,b\geq0$. Com $2i$ e $3i$: $2i\times3i=6i^{2}=-6$.
  • ❌ «$x^{2}=-9$ é impossível.»
    ✅ É impossível em $\mathbb{R}$, mas em $\mathbb{C}$ tem as soluções $3i$ e $-3i$.
  • ❌ «$i=\sqrt{-1}$, logo $i^{2}=\sqrt{(-1)^{2}}=1$.»
    ✅ Define-se $i$ por $i^{2}=-1$; não se aplicam a $i$ as regras dos radicais de números reais.

🔑 Palavras-chave

Unidade imaginária — $i$, com $i^{2}=-1$Forma algébrica — $z=a+bi$, $a,b\in\mathbb{R}$Parte real — $\operatorname{Re}(z)=a$Parte imaginária — $\operatorname{Im}(z)=b$Imaginário puro — $a=0$ e $b\neq0$$\mathbb{C}$ — conjunto dos números complexos, $\mathbb{R}\subset\mathbb{C}$

✅ Verifica se percebeste

Clica na opção que achas correta. Vês logo se acertaste e porquê.

➡️ A seguir

No Resumo nº2 vais aprender a igualdade de números complexos, o conjugado, o módulo e as operações na forma algébrica (adição, multiplicação, divisão e potências de $i$).

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