虚数可不是数学家⽤想象构造出来的(虚数真的⼀点都不“虚”)。事实是,虚数对我们⽣活的影响远超过任何只是想象出来的东⻄。虚数在现代世界有着重要作⽤:把电送进家庭、⼯⼚还有⽹络服务器集群,如果没有虚数,那么现代世界将不复存在。同学们在向数学⽼师抱怨学习虚数没什么意义之前,不妨试试放下⼿机,关掉⾳乐,拔掉宽带路由器,要知道,这些东⻄都是需要虚数才能⼯作的。
我们知道如何计算⼀个数的平⽅(⽤它⾃⼰乘⾃⼰),我们还知道负数的平⽅是正数;负负得正,还记得吗?所以(–2) × (–2) = 4。我们还知道平⽅根是平⽅的逆运算。所以4可能的平⽅根是2和–2。虚数就来源于思考–4的平⽅根应该是什么。我们在这⾥发现的,不是什么宇宙深处的奥秘。这个问题真的是⽆意义的吗?如果你算⼀个数的平⽅,⽆论这个数是正数还是负数,结果都是正的,所以你不能对⼀个负数开⽅。
邦⻉利在1572年提出,5 + 中的两项可以被视为两个独⽴的事物,这在他本⼈看来是“疯狂的想法”。“整件事似乎都是诡辩⽽⾮事实,”他说,但他还是进⾏了这样的划分。我们今天仍然这样做,因为它有效。对⾃然界进⾏完全的数学描述要求虚数的存在。邦⻉利的两个不同的东⻄就是我们现在所说的实部和虚部。两者的组合被称为“复数”(这⾥的“复”字就像“军⼯复合体”中那样,指的是实部和虚部的组合,⽽不是复杂或者困难)。
但我们要明确⼀点,如果我们在重温数学的过程中学到了⼀件事,那就是所有数字都是虚构的。它们只是⼀种有助于理解“多少”概念的符号。因此,将“虚数”这个名称应⽤于负数的平⽅根是贬义且⽆益的。也就是说,我们必须承认“虚数”和“实数”间的区别。数学家们所说的实数只是你更加熟悉的数。
请记住,正弦和余弦只是与三⻆形内的⻆度相关的⽐例(⼀个数字除以另⼀个数字),这些⻆度可以表示为π的分数或倍数(以弧度为单位)。
因此,我们在这⾥发现的并不是宇宙深处的谜团,⽽是⼀组清晰且有⽤的关系,这些关系是以各种不同⽅式定义数字的结果。事实上,这些关系不仅是有⽤的,⽽且可以说是⾄关重要的。以它们在科学中的应⽤为例:对⾃然的完整数学描述似乎需要虚数的存在,我们已经⾮常了解的实数是不够的。实数必须与虚数结合起来,形成邦⻉利⾸次创造的“复”数。