什麼是複數的輻角?
每一個複數 \(z = a + bi\) 都可以在複數平面上對應到一個點 \((a, b)\)。它的輻角(又稱相位角或幅角)就是從原點連到該點的線段,與正實軸之間所夾的角度,並以逆時針方向量測。輻角搭配模數 \(|z|\),便能寫出複數的極式:$$z = |z|(\cos\theta + i\cdot\sin\theta)$$
計算機怎麼用
輸入複數 \(a + bi\) 的實部 a 與虛部 b,計算機就會同時給出弧度與角度兩種輻角數值,並附上模數。輸入負數也沒問題,系統會自動把結果放到正確的象限。
公式解析
最直觀的做法是用 \(\theta = \arctan(b/a)\),但這在 \(a = 0\) 時會失效,而且無法分辨象限。因此我們改用雙參數函數 atan2(b, a),它會同時檢查 \(a\) 與 \(b\) 的正負號,回傳落在 \((-\pi, \pi]\) 區間內的正確角度:$$\arg z = \operatorname{atan2}\left(\text{Imaginary }b,\ \text{Real }a\right)$$模數則是歐幾里得距離 $$|z| = \sqrt{a^2 + b^2}$$
實例演算
以 \(z = 1 + i\) 為例,此時 \(a = 1\)、\(b = 1\)。則 $$\arg(z) = \operatorname{atan2}(1, 1) = \frac{\pi}{4} \approx 0.7854 \text{ 弧度} = 45°$$而 \(|z| = \sqrt{2} \approx 1.4142\)。因此 \(1 + i\) 落在第一象限的 \(y = x\) 直線上,正如我們所預期。
常見問題
輻角的範圍是多少? 依照慣例,主值落在 \((-\pi, \pi]\) 之間,也就是 -180° 到 180°。
arg(0) 是多少? 零的輻角並無定義;本計算機讓 \(\operatorname{atan2}(0, 0)\) 回傳 0,但當 \(|z| = 0\) 時,這個角度其實沒有實際意義。
為什麼要同時提供角度與弧度? 弧度是微積分與歐拉公式中的標準單位,角度則通常更容易直覺想像。為了方便使用,兩者都會一併呈現。