¿Cuál es el historial de números complejos [i = sqrt (-1)]? ¿Por qué y cómo se usó / definió en primer lugar?

Los números complejos aparecieron por primera vez en Artiss Magnæ , o Gran Arte, de Cardano (1501–1576) , en su discusión sobre ecuaciones cuadráticas y cúbicas.

En otro punto, menciona que el problema de dividir 10 en dos partes para que su producto sea 40 tendría que ser [math] 5 + \ sqrt {-15} [/ math] y [math] 5 – \ sqrt { -15}. [/ Math] Otros pueden haber notado ese tipo de cosas antes.

Cardano no fue más allá en lo que más tarde se denominó números complejos que esa observación, pero unos años más tarde Bombelli (1526-1572) dio varios ejemplos que involucran a estas nuevas bestias. Aquí hay un ejemplo.

Una de las fórmulas cúbicas de Cardano da la solución a la ecuación.

[matemáticas] x ^ 3 = cx + d [/ matemáticas]

como
donde [matemáticas] e = (d / 2) ^ 2 – (c / 3) ^ 3). [/ matemáticas] Bombelli utilizó esto para resolver la ecuación [matemáticas] x ^ 3 = 15x + 4 [/ matemáticas] para obtener la solución

Ahora, la raíz cuadrada de –121 no es un número real; No es positivo, negativo ni cero. Bombelli continuó trabajando con esta expresión hasta que encontró ecuaciones que lo llevaron a la solución 4. Determinó que


y, por lo tanto, la solución x = 4.

Los números complejos se hicieron más aceptados en los próximos siglos, ya que son necesarios en lo que ahora llamamos el Teorema fundamental del álgebra. Dice que si tiene una ecuación polinómica de enésimo grado, entonces hay exactamente n soluciones si cuenta multiplicidades e incluye números complejos.

Supongamos que tienes una ecuación cuadrática

[matemática] ax ^ 2 + bx + c = 0 [/ matemática].

Podemos escribir una fórmula que dé las soluciones a esta ecuación:

[matemáticas] x = \ frac {-b \ pm \ sqrt {b ^ 2 – 4 ac}} {2a} [/ matemáticas]

Por supuesto si
[matemáticas] 4 ac> b ^ 2 [/ matemáticas]

entonces esta fórmula nos haría tomar la raíz cuadrada de un número negativo, pero eso no es un gran problema: en estos casos, la ecuación simplemente no tiene soluciones reales, lo cual es bastante fácil de ver; el gráfico se parece a esto:


Figura : Gráfico de [matemáticas] y = x ^ 2 – 4x + 5 [/ matemáticas] cortesía de WolframAlpha

No es difícil ver que la función siempre tiene un valor positivo, por lo que claramente no puede ser igual a cero. Por otro lado, supongamos que tenemos una ecuación cúbica

[matemáticas] ax ^ 3 + bx ^ 2 + cx + d = 0 [/ matemáticas]

Podemos escribir una fórmula para sus tres raíces:

(Tomé una copia de esta ecuación que no tiene letras extrañas flotando para no tener que explicarlas. Si realmente quieres ver qué está pasando con esta ecuación, te recomiendo leer la función Cúbica en Wikipedia, que explica la derivación de varias maneras diferentes).

Ahora considere [1] lo que sucede cuando intentamos aplicar esta fórmula a algo como

[matemáticas] x ^ 3 – 15x – 4 = 0 [/ matemáticas]

Por inspección, no es demasiado difícil ver que una de las raíces de esta ecuación es [matemáticas] x = 4 [/ matemáticas]. (Revise el teorema de la raíz racional si no lo encuentra obvio). Por otro lado, si aplicamos la fórmula directamente, la solución que aparece es

[matemáticas] \ sqrt [3] {2 + 11i} + \ sqrt [3] {2 – 11i} [/ matemáticas]

De hecho, esto es igual a 4. Pero no importa lo que le hagamos a la fórmula cúbica anterior, no podemos evitar obtener respuestas de este tipo. ¡Para escribir una fórmula que encuentre las soluciones reales de una ecuación con coeficientes reales, debe estar dispuesto a utilizar números complejos! (Wikipedia: Casus irreducibilis)

Históricamente, esto fue lo primero que convenció a la gente de que tenemos que tomarnos en serio los números complejos. Por supuesto, hemos hecho mucho más con ellos desde los años 1500, y la mayoría de las matemáticas modernas son completamente impensables sin ellos. De hecho, puede considerar esencialmente toda la topología y geometría modernas, incluidas las partes que realmente no cuentan con números complejos en el día a día, como consecuencia de la teoría de las funciones abelianas de 1857 en papel de Riemann .

[1] No quería preparar un ejemplo yo mismo, así que tomé este ejemplo de las siguientes notas de Rod Gow del University College Dublin, que también sería un excelente lugar para leer más sobre esto si está interesado. http://mathsa.ucd.ie/courses/mst
(EDITAR: Según la respuesta de David Joyce, aparentemente Gow tomó este ejemplo directamente del documento original de Bombelli sobre el tema).

Ver número complejo