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I numeri complessi ampliano l'insieme dei numeri reali introducendo l'unità immaginaria « i », definita dalla relazione i² = −1, e rendono risolubile ogni equazione algebrica. Studieremo la forma algebrica, la rappresentazione nel piano di Argand-Gauss e le forme trigonometrica ed esponenziale, fino alla formula di De Moivre, alle radici n-esime e al teorema fondamentale dell'algebra. È un argomento valutabile all'Esame di Stato, soprattutto nei quesiti della seconda prova e nel colloquio del Liceo Scientifico.
4 sezioni~19 min di lettura3 competenzeLivello Base 1 · Standard 1 · Approfondimento 2Verificato · 07/2026
livello base
Per tutti gli indirizzi: padroneggiare la forma algebrica, le operazioni fondamentali e la rappresentazione nel piano di Gauss, con il modulo e il coniugato.
livello avanzato
Per il Liceo Scientifico e l'opzione Scienze Applicate: forma trigonometrica ed esponenziale, formula di De Moivre, radici n-esime e collegamento con il teorema fondamentale dell'algebra, anche in contesti di seconda prova.
Profondità di lettura: Approfondimento
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Numero complesso, coniugato e modulo nel piano
Unità immaginaria
Proprietà fondamentale che definisce « i » e da cui discendono tutte le regole di calcolo.
Prodotto
Si applica la distributiva e si sostituisce i^2 = -1; il termine -bd proviene da bi \cdot di.
Divisione
Moltiplicando per il coniugato del denominatore si ottiene un denominatore reale.
Modulo e coniugato
Il prodotto di un numero per il suo coniugato è il quadrato del modulo, sempre reale e non negativo.
Calcola il quoziente (3 + 2i)/(1 − 4i) ed esprimi il risultato nella forma a + bi.
Il coniugato di 1 − 4i è 1 + 4i. Si moltiplicano numeratore e denominatore.
Si usa z \cdot \bar{z} = |z|^2 con a = 1, b = -4.
Con la distributiva e i^2 = -1: 3 + 12i + 2i + 8i^2 = 3 + 14i - 8 = -5 + 14i.
Si divide ciascuna parte per 17.
Risultato: Il quoziente vale −5/17 + (14/17)i.
Errori frequenti
Approfondimento
Sul piano rigoroso, i numeri complessi si costruiscono senza inventare un simbolo misterioso: si definisce «ℂ» come l'insieme delle coppie ordinate di reali «(a, b)» dotato di due operazioni. La somma è componente per componente, «(a, b) + (c, d) = (a + c, b + d)»; il prodotto è «(a, b)·(c, d) = (ac − bd, ad + bc)». Con queste regole «(0, 1)·(0, 1) = (0·0 − 1·1, 0·1 + 1·0) = (−1, 0)»: la coppia «(0, 1)», che chiamiamo «i», ha per quadrato «(−1, 0)», cioè il reale «−1». Identificando «(a, 0)» con il reale «a» e scrivendo «(0, b) = b·i», ogni coppia si scrive nella familiare forma algebrica «a + bi», e le operazioni sopra definite si riottengono trattando «i» come simbolo con «i² = −1». Da questa costruzione seguono le proprietà del coniugato «z̄ = a − bi» e del modulo «|z| = √(a² + b²)»: il prodotto «z·z̄ = (a + bi)(a − bi) = a² − (bi)² = a² + b² = |z|²» è sempre reale e non negativo. È questa identità a fondare la divisione: «z/w = z·w̄/|w|²», che rende reale il denominatore moltiplicando per il coniugato, esattamente come la razionalizzazione trasforma «1/√2» in «√2/2».
Ripasso attivo
Dato z = 3 + 2i e w = 1 − 4i, calcola z + w, z · w e il quoziente z/w, esprimendo il risultato in forma algebrica a + bi.
Richiamo attivo
Ricorda i punti chiave — poi rivela.
Fonti: Indicazioni Nazionali per i Licei (DPR 89/2010, DM 211/2010) — Obiettivi Specifici di Apprendimento (Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM))
Somma di z e w con la regola del parallelogramma
Modulo
Distanza del punto (a, b) dall'origine, per il teorema di Pitagora.
Distanza
Distanza tra i punti che rappresentano i due numeri complessi.
Disuguaglianza triangolare
Un lato di un triangolo non supera la somma degli altri due.
Dati z = 2 + 3i e w = −1 + i, calcola la distanza |z − w| nel piano di Gauss.
Si sottraggono parte reale e parte immaginaria.
La distanza è il modulo della differenza.
3^2 + 2^2 = 9 + 4 = 13.
Risultato: La distanza tra i due punti è √13 ≈ 3.61.
Errori frequenti
Approfondimento
La disuguaglianza triangolare «|z + w| ≤ |z| + |w|», geometricamente ovvia poiché un lato di un triangolo non supera la somma degli altri due, si dimostra con eleganza sfruttando modulo e coniugato. Si parte dal quadrato del modulo, che evita le radici: «|z + w|² = (z + w)(z̄ + w̄) = z z̄ + w w̄ + (z w̄ + z̄ w) = |z|² + |w|² + 2 Re(z w̄)», poiché «z w̄» e il suo coniugato «z̄ w» sommano al doppio della parte reale. Ora, per ogni numero complesso vale «Re(ζ) ≤ |ζ|», e «|z w̄| = |z||w̄| = |z||w|», dunque «2 Re(z w̄) ≤ 2|z||w|». Sostituendo, «|z + w|² ≤ |z|² + |w|² + 2|z||w| = (|z| + |w|)²»; estraendo la radice, i moduli sono non negativi, si ottiene «|z + w| ≤ |z| + |w|». L'uguaglianza vale quando «z» e «w» hanno lo stesso argomento, cioè quando i vettori sono allineati e concordi. Poiché «|z − w|» è la distanza tra i punti che rappresentano «z» e «w», questa disuguaglianza esprime rigorosamente che nel piano di Gauss la geometria dei numeri complessi coincide con la geometria euclidea usuale, e giustifica la lettura di «|z − z₀| = r» come circonferenza di centro «z₀» e raggio «r».
Ripasso attivo
Rappresenta nel piano di Gauss i numeri z = 2 + 3i e w = −1 + i, costruisci graficamente z + w e calcola la distanza |z − w|.
Richiamo attivo
Ricorda i punti chiave — poi rivela.
Fonti: Indicazioni Nazionali per i Licei (DPR 89/2010, DM 211/2010) — Obiettivi Specifici di Apprendimento (Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM))
Modulo r e argomento θ nel piano complesso
Forme polari
Forma trigonometrica ed esponenziale con r = |z| e \theta = \arg(z).
Prodotto
I moduli si moltiplicano, gli argomenti si sommano: dilatazione e rotazione.
Formula di Eulero
Collega l'esponenziale complesso alle funzioni goniometriche.
Identità di Eulero
Caso particolare per \theta = \pi che lega e, i, \pi, 1 e 0.
Scrivi z = −1 + i in forma trigonometrica ed esponenziale, indicando modulo e argomento principale.
Con a = -1 e b = 1.
a < 0 e b > 0: il punto sta nel secondo quadrante, quindi l'argomento è compreso tra \pi/2 e \pi.
Poiché |a| = |b|, l'angolo di riferimento è \pi/4; nel secondo quadrante l'argomento principale è \pi - \pi/4.
Si sostituiscono r e \theta nelle due forme.
Risultato: z = √2 (cos 3π/4 + i sin 3π/4) = √2 · e^(i·3π/4).
Errori frequenti
Approfondimento
La regola i moduli si moltiplicano, gli argomenti si sommano si dimostra con le formule di addizione della goniometria, e da essa nasce l'interpretazione del prodotto come rotazione. Siano «z₁ = r₁(cos θ₁ + i sin θ₁)» e «z₂ = r₂(cos θ₂ + i sin θ₂)». Moltiplicando e raccogliendo «r₁r₂»: «z₁z₂ = r₁r₂[(cos θ₁ cos θ₂ − sin θ₁ sin θ₂) + i(sin θ₁ cos θ₂ + cos θ₁ sin θ₂)]». Le due parentesi sono esattamente «cos(θ₁ + θ₂)» e «sin(θ₁ + θ₂)» per le formule di addizione, dunque «z₁z₂ = r₁r₂[cos(θ₁ + θ₂) + i sin(θ₁ + θ₂)]». Moltiplicare per «z₂» significa quindi dilatare di «r₂» e ruotare di «θ₂»: in particolare moltiplicare per «i», di modulo 1 e argomento «π/2», è una rotazione di «90°». La forma esponenziale rende tutto trasparente: la formula di Eulero «e^(iθ) = cos θ + i sin θ», coerente con lo sviluppo in serie e con «d/dθ [cos θ + i sin θ] = i(cos θ + i sin θ)», trasforma il prodotto nella regola delle potenze «e^(iθ₁)·e^(iθ₂) = e^(i(θ₁+θ₂))». Da essa l'identità di Eulero «e^(iπ) + 1 = 0» lega le cinque costanti fondamentali «0, 1, e, i, π» in un'unica relazione.
Ripasso attivo
Scrivi z = −1 + i in forma trigonometrica ed esponenziale, determinando modulo e argomento principale.
Richiamo attivo
Ricorda i punti chiave — poi rivela.
Fonti: Indicazioni Nazionali per i Licei (DPR 89/2010, DM 211/2010) — Obiettivi Specifici di Apprendimento (Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM))
Le tre radici cubiche di 8 sui vertici di un triangolo equilatero
Formula di De Moivre
Il modulo si eleva alla n, l'argomento si moltiplica per n.
Radici n-esime
Le n radici di un numero di modulo \rho e argomento \varphi, vertici di un poligono regolare.
Teorema fondamentale dell'algebra
In C ogni polinomio di grado n si fattorizza in n fattori lineari (radici con molteplicità).
Determina le tre soluzioni dell'equazione z³ = 8 in forma trigonometrica e algebrica.
8 è reale positivo: modulo \rho = 8, argomento \varphi = 0.
Con n = 3 il modulo delle radici è \sqrt[3]{8} = 2 e gli argomenti sono 2k\pi/3.
cos 0 = 1, sin 0 = 0.
cos(2\pi/3) = -1/2, sin(2\pi/3) = \sqrt{3}/2.
cos(4\pi/3) = -1/2, sin(4\pi/3) = -\sqrt{3}/2.
Risultato: Le tre radici sono 2, −1 + i√3 e −1 − i√3, vertici di un triangolo equilatero inscritto nella circonferenza di raggio 2.
Errori frequenti
Approfondimento
La formula di De Moivre «[r(cos θ + i sin θ)]ⁿ = rⁿ(cos nθ + i sin nθ)» si dimostra per induzione dalla regola del prodotto. Base «n = 1»: identità. Passo: supposta vera per «n», si moltiplica per un ulteriore fattore e, sommando gli argomenti, «zⁿ⁺¹ = rⁿ(cos nθ + i sin nθ)·r(cos θ + i sin θ) = rⁿ⁺¹(cos(n+1)θ + i sin(n+1)θ)». Letta all'inverso, la formula fornisce le radici «n»-esime di un numero «w = ρ(cos φ + i sin φ) ≠ 0»: cercando «z = s(cos ψ + i sin ψ)» con «zⁿ = w», si impone «sⁿ = ρ» e «nψ = φ + 2kπ», da cui «s = ρ^(1/n)», radice reale positiva, e «ψ = (φ + 2kπ)/n». Al variare di «k = 0, 1, …, n−1» si ottengono esattamente «n» valori distinti, perché per «k ≥ n» gli argomenti si ripetono modulo «2π», disposti sui vertici di un poligono regolare di «n» lati inscritto nella circonferenza di raggio «ρ^(1/n)». Questo esaurisce le soluzioni di «zⁿ = w», in perfetto accordo con il teorema fondamentale dell'algebra, secondo cui un polinomio di grado «n» ha esattamente «n» radici complesse contate con la loro molteplicità: è la ragione profonda per cui si introducono i numeri complessi.
Ripasso attivo
Determina le tre radici cubiche di 8 (cioè le soluzioni di z³ = 8) in forma trigonometrica e algebrica, e rappresentale nel piano di Gauss.
Richiamo attivo
Ricorda i punti chiave — poi rivela.
Fonti: Indicazioni Nazionali per i Licei (DPR 89/2010, DM 211/2010) — Obiettivi Specifici di Apprendimento (Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM)) · Esame di Stato del secondo ciclo — quadri di riferimento e griglie di valutazione (Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM))
Riferimenti e fonti