켤레복소수 - 실험 도서관

복소수 $z = a + bi$ 에서 $a$ 는 실수부, $b$ 는 허수부, 그리고 $i$ 는 허수 단위로 정의된다. 이때, 복소수 $z$ 의 켤레복소수는 복소수의 허수부의 부호를 반대로 바꾼 값으로 정의된다.

켤레복소수는 다음과 같이 표현된다.

$\bar{z} = a - bi$

여기서 $\bar{z}$ 는 $z$ 의 켤레복소수를 나타낸다. 실수부 $a$ 는 변하지 않고, 허수부 $b$ 의 부호만 바뀌게 된다.

켤레복소수는 여러 가지 유용한 성질을 가지고 있다. 이 성질들은 복소수 연산과 해석에 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 대표적인 성질들은 다음과 같다.

켤레복소수의 덧셈 성질: 두 복소수 $z_1 = a_1 + b_1 i$ 와 $z_2 = a_2 + b_2 i$ 가 있을 때, 이들의 켤레복소수를 더한 값은 다음과 같이 표현된다.

$\overline{z_1 + z_2} = \overline{(a_1 + b_1 i) + (a_2 + b_2 i)} = (a_1 + a_2) - (b_1 + b_2) i = \bar{z_1} + \bar{z_2}$

즉, 두 복소수의 합의 켤레복소수는 각각의 복소수의 켤레복소수를 더한 것과 같다.

$\overline{z_1 \cdot z_2} = \overline{(a_1 + b_1 i) \cdot (a_2 + b_2 i)} = (a_1 a_2 - b_1 b_2) - (a_1 b_2 + a_2 b_1)i = \bar{z_1} \cdot \bar{z_2}$

즉, 두 복소수의 곱의 켤레복소수는 각각의 복소수의 켤레복소수를 곱한 것과 동일한다.

켤레복소수는 복소수의 나눗셈에서도 중요한 역할을 한다. 복소수 $z_1 = a_1 + b_1 i$ 와 $z_2 = a_2 + b_2 i$ 가 있을 때, 이들의 나눗셈은 일반적으로 다음과 같은 형태를 취한다.

$\frac{z_1}{z_2} = \frac{(a_1 + b_1 i)}{(a_2 + b_2 i)}$

복소수의 나눗셈은 $z_2$ 의 분모에서 허수부를 없애기 위해 켤레복소수를 곱하는 방식으로 진행된다. 즉, 분자와 분모에 $\bar{z_2}$ 를 곱하여 다음과 같이 계산할 수 있다.

$\frac{z_1}{z_2} = \frac{(a_1 + b_1 i)(a_2 - b_2 i)}{(a_2 + b_2 i)(a_2 - b_2 i)} = \frac{(a_1 a_2 + b_1 b_2) + (b_1 a_2 - a_1 b_2) i}{a_2^2 + b_2^2}$

이 계산을 통해 분모에서 허수부가 사라지고, 나눗셈이 실수부와 허수부로 나누어져 처리된다.

복소수 $z = a + b i$ 의 절댓값(모듈러스, modulus)은 다음과 같이 정의된다.

$|z| = \sqrt{a^2 + b^2}$

이때, 복소수의 절댓값은 켤레복소수를 사용하여 표현할 수 있다. 즉, $z$ 와 그 켤레복소수 $\bar{z}$ 의 곱은 항상 실수가 되며, 이는 복소수의 절댓값 제곱에 해당한다.

$z \cdot \bar{z} = (a + b i)(a - b i) = a^2 + b^2 = |z|^2$

따라서, 복소수와 그 켤레복소수를 곱하면 복소수의 절댓값의 제곱을 얻을 수 있다.

복소수 $z = a + b i$ 에서, 켤레복소수는 실수에 대해 다음과 같은 흥미로운 관계를 갖는다.

$z = a + 0i \quad \text{이고} \quad \bar{z} = a - 0i = a$

즉, 실수의 경우 켤레복소수는 자기 자신과 동일한다. 이는 실수부만 존재하고 허수부가 없는 복소수의 특징을 반영한다.

$z + \bar{z} = (a + b i) + (a - b i) = 2a$

이는 복소수에서 실수부가 서로 더해지고 허수부는 상쇄되기 때문이다. 따라서 복소수와 그 켤레복소수의 합은 실수로 표현된다.

$z - \bar{z} = (a + b i) - (a - b i) = 2b i$

이 경우 실수부는 상쇄되고, 허수부만 남아 순수한 허수가 된다.

복소함수에서도 켤레복소수는 중요한 역할을 한다. 함수 $f(z)$ 의 켤레복소수는 다음과 같이 정의된다.

$\overline{f(z)} = f(\bar{z})$

이는 복소수 $z$ 에 대해 정의된 함수에서, 함수값의 켤레복소수는 입력값의 켤레복소수에 대응한다는 것을 의미한다. 이 성질은 복소함수의 대칭성이나 정적분 등의 과정에서 매우 유용하게 쓰이다.