虚数単位（i）とは｜定義・性質・例と応用をわかりやすく解説

数学では、虚数単位（i）とは、方程式で表現できるが、実際の生活では物理的に存在し得ない値を指す数のことである。虚数単位の数学的定義は、i = - 1 {\displaystyle i={\sqrt {-1}}}である。これは、i × i = i 2 = -1 {\displaystyle itimes i=i^{2}=-1} という性質を持っています。

私が作られた理由は、多項式の方程式、x 2 + 1 = 0 {\displaystyle x^{2}+1=0}に答えるためだった。この問題は、通常、x 2 {displaystyle x^{2}}の値が-1と等しくなければならないので、解答はない。この問題は解けるが、-1の平方根は実生活ではどんな物の物理量でも表現できない。

虚数単位 i の基本的な性質

• 定義：i は i^2 = −1 を満たす数として定義されます。これにより x^2 + 1 = 0 の解が得られます。
• 二つの平方根：−1 の平方根は ±i の2つがあります。どちらも i^2 = (−i)^2 = −1 を満たします。
• 累乗の循環：i の累乗は周期 4 を持ちます。具体的には i^1 = i、i^2 = −1、i^3 = −i、i^4 = 1、以降はこれが繰り返されます。
• 演算規則：複素数の足し算・掛け算は実数の場合と同様に分配法則などが成り立ちます。例えば (a+bi)(c+di) = (ac−bd) + (ad+bc)i です。

複素数と複素平面

虚数単位 i を用いると、任意の複素数は a + bi（a, b は実数）の形で表せます。ここで a を実部、b を虚部と呼びます。複素数は複素平面（ガウス平面）上の点やベクトルとして扱うことができ、実軸が実部、虚軸が虚部を表します。

複素数の掛け算は幾何学的に表すと「回転と拡大」を表します。特に i を掛けることは原点まわりに 90°（π/2 ラジアン）の反時計回りの回転を表します。

共役と絶対値（ノルム）

• 複素共役：z = a + bi に対して共役を \u0332{z̅} = a − bi と表します。掛け算 z z̅ = a^2 + b^2 は常に非負の実数です。
• 絶対値（大きさ）：|z| = √(a^2 + b^2) はベクトルの長さで、z z̅ = |z|^2 という関係が成り立ちます。

極形式とオイラーの公式

複素数は極形式でも表せます。z = r(cos θ + i sin θ) と表すと、オイラーの公式 e^{iθ} = cos θ + i sin θ を用いて z = r e^{iθ} と書けます。この表現はフーリエ解析や信号処理で非常に重要です。

簡単な例と計算

• 方程式 x^2 + 1 = 0 の解は x = i, x = −i です。
• i^3 = i^2 · i = (−1) · i = −i。
• (1 + i)^2 = 1 + 2i + i^2 = 1 + 2i − 1 = 2i。
• 複素数の除法： (a+bi)/(c+di) = ((a+bi)(c−di))/(c^2+d^2) として実部・虚部を求めます。

実用的な応用例

• 電気工学：交流回路の解析で位相を含む信号を扱うために虚数（工学分野では j と表記されることが多い）が使われます。
• 信号処理・フーリエ変換：複素指数関数を使って周波数成分を表現します。これにより周期信号の解析やフィルタ設計が行いやすくなります。
• 制御理論：伝達関数の極と零点の位置は系の安定性・応答に直結し、複素平面上での解析が重要です。
• 量子力学：波動関数や確率振幅は一般に複素数を用いて表されます。
• 数学：代数的には複素数体は実数体の拡大であり、多くの多項式方程式を解くための基盤になります（代数学の基本定理：複素係数の多項式は複素数の範囲で必ず根を持ちます）。

補足・注意点

• 「虚数」という名前は誤解を招くことがありますが、虚数は数学的に厳密に定義された数であり、実世界の物理量を直接表現しないからといって「非実在」という意味ではありません。数体系として非常に有効です。
• 工学では i と表すと電流と混同するため、虚数単位は通常 j と書かれることがあります（例：交流回路解析）。
• i の導入により、方程式の解の存在が拡張され、解析や線形代数、微分方程式など多くの分野で理論と計算が豊かになります。

質問と回答

Q:虚数単位とは何ですか?

Q:虚数単位はどのように使うのですか?

Q:虚数は何に使うのですか?

Q:虚数を現実の物で表すことはできる?

Q:虚数単位はどこから来たのですか?

Q:虚数単位は実数の一部か?

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