৩. জটিল সংখ্যা (Complex Numbers)

জটিল সংখ্যা (Complex Numbers) হলো বীজগাণিতিক সমীকরণ সমাধানের ক্ষেত্রে উদ্ভূত একটি সংখ্যা ব্যবস্থা যা বাস্তব সংখ্যার ধারণাকে সম্প্রসারিত করে। \(x^2 + 1 = 0\) এর মতো সমীকরণের সমাধান বের করতে গিয়ে আমরা কাল্পনিক একক \(i\) এর সন্ধান পাই। এই অধ্যায়ে আমরা জটিল সংখ্যার আলজেবরিক গঠন, আর্গ্যান্ড চিত্রে জ্যামিতিক অবস্থান, পরমান ও নতি নির্ণয় এবং বিভিন্ন ক্রিয়ার জ্যামিতিক ব্যাখ্যা নিয়ে আলোচনা করব।

জটিল সংখ্যার সংজ্ঞা ও বীজগাণিতিক রূপ

মৌলিক সংজ্ঞা

যদি \(a\) ও \(b\) বাস্তব সংখ্যা এবং \(i = \sqrt{-1}\) (কাল্পনিক একক) হয়, তবে \(z = a + ib\) আকারের সংখ্যাকে জটিল সংখ্যা (Complex Number) বলা হয়। এখানে:

  • \(a = \text{Re}(z)\) বলে বাস্তব অংশ (Real Part)
  • \(b = \text{Im}(z)\) বলে কাল্পনিক অংশ (Imaginary Part)

কাল্পনিক একক \(i\) এর ধর্ম

\[i = \sqrt{-1} \quad \text{অর্থাৎ} \quad i^2 = -1\]

\(i\) এর ঘাতের পর্যায়ক্রম:

  • \(i^1 = i\)
  • \(i^2 = -1\)
  • \(i^3 = -i\)
  • \(i^4 = 1\)
  • সাধারণতঃ \(i^{4n} = 1\), \(i^{4n+1} = i\), \(i^{4n+2} = -1\), \(i^{4n+3} = -i\)

জটিল সংখ্যার প্রকারভেদ

শ্রেণী শর্ত উদাহরণ
বাস্তব সংখ্যা \(\text{Im}(z) = 0\) অর্থাৎ \(b = 0\) \(5\), \(-3\), \(\sqrt{2}\)
শुद्ध কাল্পনিক সংখ্যা \(\text{Re}(z) = 0\) অর্থাৎ \(a = 0\), \(b \neq 0\) \(3i\), \(-2i\)
শূন্য সংখ্যা \(a = 0\) এবং \(b = 0\) \(0 + 0i = 0\)
অ-বাস্তব জটিল সংখ্যা \(\text{Im}(z) \neq 0\) \(3 + 4i\), \(1 - i\)
💡 মনে রাখুন: দুটি জটিল সংখ্যা \(a + ib\) ও \(c + id\) সমান হবে তখনই এবং কেবল তখনই যখন \(a = c\) এবং \(b = d\) (অর্থাৎ বাস্তব ও কাল্পনিক অংশ পৃথকভাবে সমান)।

জ্যামিতিক প্রতিরূপ: আর্গ্যান্ড চিত্র (Argand Diagram)

জটিল সংখ্যাকে জ্যামিতিকভাবে প্রকাশ করতে আমরা আর্গ্যান্ড তল (Argand Plane বা Complex Plane) ব্যবহার করি। এটি একটি দ্বিমাত্রিক স্থানাঙ্ক ব্যবস্থা যেখানে:

  • অনুভূমিক অক্ষ (X-axis): বাস্তব অক্ষ (Real Axis), যা বাস্তব সংখ্যাকে প্রকাশ করে।
  • উলম্ব অক্ষ (Y-axis): কাল্পনিক অক্ষ (Imaginary Axis), যা \(i\) গুণিতককে প্রকাশ করে।

বিন্দুর স্থানাঙ্ক

জটিল সংখ্যা \(z = x + iy\) কে আর্গ্যান্ড তলের বিন্দু \(P(x, y)\) হিসেবে বা অদিবিন্দু \(\vec{OP}\) হিসেবে প্রকাশ করা যায়।

জটিল সংখ্যা \(z = x + iy\) ↔ বিন্দু \((x, y)\) ↔ সদিক রাশি \(\vec{OP} = (x, y)\)

দূরত্ব ও দিক

মূলবিন্দু \(O\) থেকে বিন্দু \(P(x,y)\) পর্যন্ত দূরত্ব হলো \(z\) এর পরমান (Modulus) এবং ধনাত্মক বাস্তব অক্ষের সাথে \(\vec{OP}\) এর উৎপন্ন কোণকে নতি বা আর্গুমেন্ট (Argument) বলে।

পরমান (Modulus) ও নতি (Argument)

পরমান বা মডুলাস (|z|)

জটিল সংখ্যা \(z = x + iy\) এর পরমান:

\[|z| = r = \sqrt{x^2 + y^2}\]

এটি মূলবিন্দু থেকে বিন্দু \((x,y)\) এর দূরত্ব নির্দেশ করে এবং সর্বদা অঋণাত্মক (\(|z| \geq 0\))।

নতি বা আর্গুমেন্ট (arg z বা amp z)

জটিল সংখ্যা \(z = x + iy\) এর নতি হলো ধনাত্মক বাস্তব অক্ষের সাথে \(\vec{OP}\) এর উৎপন্ন কোণ \(\theta\):

\[\tan\theta = \frac{y}{x} \quad (x \neq 0)\]

বা \(\theta = \tan^{-1}\left(\frac{y}{x}\right)\)

প্রধান নতি (Principal Value)

একটি জটিল সংখ্যার অসংখ্য নতি আছে কেননা কোণের পর্যায়বৃত্তিত্ব (\(2\pi\) যোগ করলে একই অবস্থান)। তবে \(-\pi < \theta \leq \pi\) বা \(0 \leq \theta < 2\pi\) এর মধ্যে থাকা নতিকে প্রধান নতি বলে, যা \(\text{Arg } z\) (বড় হাতের A) দ্বারা সূচিত হয়।

চতুর্ভাগ অনুযায়ী নতি নির্ণয়

চতুর্ভাগ শর্ত পরমান নতি \(\theta\)
১ম \(x > 0, y > 0\) \(\sqrt{x^2+y^2}\) \(\tan^{-1}(y/x)\)
২য় \(x < 0, y > 0\) \(\sqrt{x^2+y^2}\) \(\pi - \tan^{-1}(|y/x|)\)
৩য় \(x < 0, y < 0\) \(\sqrt{x^2+y^2}\) \(-\pi + \tan^{-1}(|y/x|)\) বা \(\pi + \tan^{-1}(y/x)\)
৪র্থ \(x > 0, y < 0\) \(\sqrt{x^2+y^2}\) \(-\tan^{-1}(|y/x|)\)

উদাহরণ:

\(z = -1 + i\) এর পরমান ও প্রধান নতি নির্ণয় করো।

সমাধান:

এখানে \(x = -1\), \(y = 1\) (২য় চতুর্ভাগ)

পরমান: \(|z| = \sqrt{(-1)^2 + 1^2} = \sqrt{2}\)

নতি: \(\tan^{-1}\left|\frac{1}{-1}\right| = \tan^{-1}(1) = \frac{\pi}{4}\)

২য় চতুর্ভাগ হওয়ায়: \(\theta = \pi - \frac{\pi}{4} = \frac{3\pi}{4}\)

অনুবন্ধী জটিল সংখ্যা (Conjugate Complex Number)

সংজ্ঞা

\(z = x + iy\) এর অনুবন্ধী (Complex Conjugate) হলো \(\bar{z} = x - iy\)। এটি বাস্তব অক্ষের সাপেক্ষে \(z\) এর প্রতিবিম্ব।

অনুবন্ধীর বৈশিষ্ট্যসমূহ

মৌলিক ধর্ম

  • \(\overline{\bar{z}} = z\)
  • \(z + \bar{z} = 2\text{Re}(z) = 2x\) (বাস্তব)
  • \(z - \bar{z} = 2i\text{Im}(z) = 2iy\) (কাল্পনিক)
  • \(z \cdot \bar{z} = |z|^2 = x^2 + y^2\) (বাস্তব ও অঋণাত্মক)

ক্রিয়াসমূহে

  • \(\overline{z_1 + z_2} = \bar{z}_1 + \bar{z}_2\)
  • \(\overline{z_1 - z_2} = \bar{z}_1 - \bar{z}_2\)
  • \(\overline{z_1 \cdot z_2} = \bar{z}_1 \cdot \bar{z}_2\)
  • \(\overline{\left(\frac{z_1}{z_2}\right)} = \frac{\bar{z}_1}{\bar{z}_2}\) (\(z_2 \neq 0\))

পরমান সংক্রান্ত গুরুত্বপূর্ণ সূত্র

  • \(|z| = |\bar{z}|\)
  • \(|z_1 \cdot z_2| = |z_1| \cdot |z_2|\)
  • \(\left|\frac{z_1}{z_2}\right| = \frac{|z_1|}{|z_2|}\)
  • \(|z_1 + z_2|^2 + |z_1 - z_2|^2 = 2(|z_1|^2 + |z_2|^2)\) (সমান্তরাল চতুর্ভুজের সূত্র)
  • \(|z_1 + z_2| \leq |z_1| + |z_2|\) (ত্রিভুজ অসমতা)

ক্রিয়াসমূহের জ্যামিতিক প্রতিরূপ

১. যোগ ও বিয়োগ (Addition and Subtraction)

জটিল সংখ্যার যোগ-বিয়োগ সদিক রাশির (ভেক্টরের) যোগ-বিয়োগের নিয়ম অনুসরণ করে।

যদি \(z_1 = x_1 + iy_1\) ও \(z_2 = x_2 + iy_2\) হয়:

\[z_1 + z_2 = (x_1+x_2) + i(y_1+y_2)\]

জ্যামিতিকভাবে, এটি সমান্তরাল চতুর্ভুজের সূত্র অনুসারে হয়।

  • যোগ: \(z_1\) ও \(z_2\) কে সদিক রেখা হিসেবে অঙ্কন করে সমান্তরাল চতুর্ভুজ গঠন করলে কর্ণটি হবে \(z_1 + z_2\)
  • বিয়োগ: \(z_1 - z_2\) হলো \(z_1\) ও \(z_2\) এর শীর্ষবিন্দু যোগ করে \(z_2\) থেকে \(z_1\) এর দিকে নির্দেশক রেখা।

২. গুণন (Multiplication)

আলজেবরিকভাবে: \((x_1+iy_1)(x_2+iy_2) = (x_1x_2-y_1y_2) + i(x_1y_2+x_2y_1)\)

জ্যামিতিকভাবে, গুণন দুটি কাজ করে:

  1. স্কেলিং: পরমানগুলো গুণ হয়: \(|z_1z_2| = |z_1||z_2|\)
  2. ঘূর্ণন: নতিগুলো যোগ হয়: \(\arg(z_1z_2) = \arg(z_1) + \arg(z_2)\)

৩. ভাগ (Division)

জ্যামিতিকভাবে, ভাগনের পরমান ভাগ করা হয় এবং নতি বিয়োগ করা হয়:

  • \(\left|\frac{z_1}{z_2}\right| = \frac{|z_1|}{|z_2|}\)
  • \(\arg\left(\frac{z_1}{z_2}\right) = \arg(z_1) - \arg(z_2)\)

মেরু রূপ (Polar Form) ও জ্যামিতিক তাৎপর্য

\(z = x + iy = r(\cos\theta + i\sin\theta) = r\text{cis}\theta = re^{i\theta}\) (অয়লারের সূত্র)

এই রূপে গুণন ও ভাগ বিশেষ সহজ হয়ে যায়:

  • \(z_1z_2 = r_1r_2[\cos(\theta_1+\theta_2) + i\sin(\theta_1+\theta_2)]\)
  • \(\frac{z_1}{z_2} = \frac{r_1}{r_2}[\cos(\theta_1-\theta_2) + i\sin(\theta_1-\theta_2)]\)

জ্যামিতিক ব্যাখ্যা:

\(z\) কে \(i\) দ্বারা গুণ করলে কী হয়?

ধরি \(z = r(\cos\theta + i\sin\theta)\) এবং \(i = 1(\cos\frac{\pi}{2} + i\sin\frac{\pi}{2})\)

\(iz = r[\cos(\theta+\frac{\pi}{2}) + i\sin(\theta+\frac{\pi}{2})]\)

অর্থাৎ \(z\) এর মান একই থাকে কিন্তু মূলবিন্দুর সাপেক্ষে ঘড়ির কাঁটার বিপরীতে \(90^\circ\) ঘূর্ণন হয়।

জটিল সংখ্যার গুরুত্বপূর্ণ ধর্মসমূহ

ত্রিভুজ অসমতা (Triangle Inequality)

\[|z_1 + z_2| \leq |z_1| + |z_2|\]

সমানতা তখনই হয় যখন \(z_1\) ও \(z_2\) একই দিকে অবস্থিত (অর্থাৎ \(\arg(z_1) = \arg(z_2)\))।

পরমানের সীমাবদ্ধতা

  • \(|\text{Re}(z)| \leq |z|\) এবং \(|\text{Im}(z)| \leq |z|\)
  • \(|z| = 0 \iff z = 0\)
  • \(z\bar{z} = |z|^2\) ব্যবহার করে ভাগ সরলীকরণ করা যায়।

উদাহরণ:

প্রমাণ করো যে \(\left|\frac{z-1}{z+1}\right| = 1\) হলে \(z\) বাস্তব অক্ষের উপর অবস্থিত।

সমাধান:

\(|z-1| = |z+1|\) (পরমান সমান)

জ্যামিতিক অর্থ: \(z\) থেকে \((1,0)\) ও \((-1,0)\) বিন্দুদ্বয়ের দূরত্ব সমান।

সুতরাং \(z\) হলো \((1,0)\) ও \((-1,0)\) এর মধ্যবর্তী লম্ব সমদ্বিখণ্ডকের উপর, অর্থাৎ কাল্পনিক অক্ষের উপর নয়, বরং \(y\)-অক্ষের সমান্তরাল অর্থাৎ কাল্পনিক অক্ষ নয়—বরং এটি বাস্তব অক্ষের লম্ব বরাবর, কিন্তু মূলবিন্দুতে?

সঠিক ব্যাখ্যা: \((1,0)\) ও \((-1,0)\) এর সমদূরবর্তী বিন্দুরা হলো কাল্পনিক অক্ষের উপর অবস্থিত বিন্দুগুলো। সুতরাং \(\text{Re}(z) = 0\), অর্থাৎ \(z\) শुद्ध কাল্পনিক।

[পাঠকের জন্য অনুশীলনী: যদি \(\left|\frac{z-1}{z+1}\right| = 2\) হতো, তবে কী হতো?]

সংক্ষিপ্ত সারাংশ

  • জটিল সংখ্যা: \(z = x + iy\) যেখানে \(i^2 = -1\); \(x = \text{Re}(z)\), \(y = \text{Im}(z)\)
  • আর্গ্যান্ড চিত্র: জটিল সংখ্যাকে বিন্দু \((x,y)\) বা সদিক রাশি হিসেবে প্রকাশ
  • পরমান: \(|z| = \sqrt{x^2+y^2}\) (মূলবিন্দু থেকে দূরত্ব)
  • নতি: \(\theta = \tan^{-1}(y/x)\); চতুর্ভাগ অনুযায়ী সামঞ্জস্য করতে হবে; প্রধান মান \(-\pi < \theta \leq \pi\)
  • অনুবন্ধী: \(\bar{z} = x - iy\); \(z\bar{z} = |z|^2\) (বাস্তব); \(|z| = |\bar{z}|\)
  • যোগ-বিয়োগ: ভেক্টরের নিয়মে (সমান্তরাল চতুর্ভুজ সূত্র)
  • গুণন-ভাগ: পরমান গুণ/ভাগ, নতি যোগ/বিয়োগ হয়; \(i\) দ্বারা গুণ = \(90^\circ\) ঘূর্ণন
  • মেরু রূপ: \(z = r(\cos\theta + i\sin\theta)\) যেখানে \(r = |z|\), \(\theta = \arg(z)\)
📌 পরীক্ষার টিপস: নতি নির্ণয়ের সময় অবশ্যই চতুর্ভাগ চিহ্নিত করুন—শুধু \(\tan^{-1}(y/x)\) দিলে ভুল হবে। অনুবন্ধী দিয়ে ভাগ সরলীকরণ করতে \(\frac{z_1}{z_2} = \frac{z_1\bar{z}_2}{|z_2|^2}\) সূত্র ব্যবহার করুন। জ্যামিতিক ব্যাখ্যার সমস্যায় আর্গ্যান্ড চিত্র কল্পনা করে দেখুন কোন বিন্দু কোথায়। \(|z-a|\) হলো \(z\) থেকে \(a\) এর দূরত্ব—এই ধারণা লোকাস সমস্যায় খুবই কাজে লাগে।