6、什麼是虛數?

  大多數人最為熟悉的數有兩種,即正數(+5,+17.5)和負數(-5,-17.5)。負數是在中世紀出現的,它用來處理3-5這類問題。從古代人看來,要從三個蘋果中減去五個蘋果似乎是不可能的。但是,中世紀的商人卻已經清楚地認識到欠款的概念。「請你給我五個蘋果,可是我只有三個蘋果的錢,這樣我還欠你兩個蘋果的錢。」這就等於說:(+3)-(+5)=(-2)。
  正數及負數可以根據某些嚴格的規則彼此相乘。正數乘正數,其乘積為正。正數乘負數,其乘積為負。最重要的是,負數乘負數,其乘積為正。
  因此,(+1)×(+1)=(+1);(+1)×(-1)=(-1);(-1)×(-1)=(+1)。
  現在假定我們自問:什麼數自乘將會得出+1?或者用數學語言來說,+1的平方根是多少?
  這一問題有兩個答案。一個答案是+1,因為(+1)×(+1)=(+1);另一個答案則是-1,因為(-1)×(-1)=(+1)。數學家是用√ ̄(+1)=±1來表示這一答案的。(碧聲註:(+1)在根號下)
  現在讓我們進一步提出這樣一個問題:-1的平方根是多少?
  對於這個問題,我們感到有點為難。答案不是+1,因為+1的自乘是+1;答案也不是-1,因為-1的自乘同樣是+1。當然,(+1)×(-1)=(-1),但這是兩個不同的數的相乘,而不是一個數的自乘。
  這樣,我們可以創造出一個數,並給它一個專門的符號,譬如說#1,而且給它以如下的定義:#1是自乘時會得出-1的數,即(#1)×(#1)=(-1)。當這種想法剛提出來時,數學家都把這種數稱為「虛數」,這只是因為這種數在他們所習慣的數系中並不存在。實際上,這種數一點也不比普通的「實數」更為虛幻。這種所謂「虛數」具有一些嚴格限定的屬性,而且和一般實數一樣,也很容易處理。
  但是,正因為數學家感到這種數多少有點虛幻,所以給這種數一個專門的符號「i」(imaginary)。我們可以把正虛數寫為(+i),把負虛數寫為(-i),而把+1看作是一個正實數,把(-1)看作是一個負實數。因此我們可以說√ ̄(-1)=±i。
  實數系統可以完全和虛數系統對應。正如有+5,-17.32,+3/10等實數一樣,我們也可以有+5i,-17.32i,+3i/10等虛數。
  我們甚至還可以在作圖時把虛數系統畫出來。
  假如你用一條以0點作為中點的直線來表示一個正實數系統,那麼,位於0點某一側的是正實數,位於0點另一側的就是負實數。
  這樣,當你通過0點再作一條與該直線直角相交的直線時,你便可以沿第二條直線把虛數系統表示出來。第二條直線上0點的一側的數是正虛數,0點另一側的數是負虛數。這樣一來,同時使用這兩種數系,就可以在這個平面上把所有的數都表示出來。例如(+2)+(+3i)或(+3)+(-2i)。這些數就是「複數」。
  數學家和物理學家發現,把一個平面上的所有各點同數字系統彼此聯繫起來是非常有用的。如果沒有所謂虛數,他們就無法做到這一點了。
《你知道嗎--現代科學中的100個問題》