项目
内容
シラバス项目
15. 複素数平面(数学C):(1) 複素数平面(① 複素数平面 ② 複素数の極形式)、(2) ド・モアブルの定理、(3) 複素数と図形
コース
仅コース2
国内书对应
国内书第 17 章:17.3 节(复平面、模、共轭的几何意义)、17.5 节(复数的三角形式,选学)
本章新内容的分量
大部分是新的。复平面和模国内学过;极形式国内是选学、不考;棣莫弗定理、n n n 次方根、用复数解平面几何题国内基本没有
国内高考的复数题只要求“算一次除法、读实部虚部”,三角形式是选学,棣莫弗公式只在国内书第 17 章 17.5 节的推论里出现过一句。EJU 的コース2 却会拿复数平面出一整道大问(2021 年第 1 回コース2 的 Ⅱ 問2 就是复数平面),而且考的是“复数当作平面上的点”:旋转、角度、三角形的形状、方程表示的图形。丢分主要丢在三处:偏角的范围没按题目要求(0 ≤ θ < 2 π 0 \le \theta < 2\pi 0 ≤ θ < 2 π )取,求 n n n 次方根时少写解,绕某点旋转时忘了先平移到原点。
シラバス小项目(日文原文)
国内书位置
相同 / 讲法不同 / 国内没有
本章哪节讲
複素数の四則演算、共役複素数の定義(シラバス第 8 项「いろいろな式」)
国内书第 17 章 17.2、17.4 节
相同,见国内书第 17 章;复数与二次方程见本书第 10 章
不展开
(1) ① 複素数平面
国内书第 17 章 17.3 节(点、向量、模、共轭关于实轴对称、两点距离)
讲法不同:国内只用坐标算模;EJU 还要直接用共轭和模的运算性质(∣ z ∣ 2 = z z ‾ \lvert z \rvert^2 = z\overline{z} ∣ z ∣ 2 = z z 等)推理
17.2
(1) ② 複素数の極形式
国内书第 17 章 17.5 节(三角形式,选学)
讲法不同:国内选学、不考;EJU 必考,偏角范围按题目给定
17.3
(2) ド・モアブルの定理
国内书第 17 章 17.5 节“常用推论”一句
国内没有(系统讲)
17.4、17.5
(3) 複素数と図形:回転、2 直線のなす角、共線・垂直、三角形の形状
国内书第 17 章 17.5 节例 3(绕原点旋转);内分点、重心见国内书第 14 章
国内没有(绕任意点旋转、用比值判断形状)
17.6
(3) 複素数と図形:方程式の表す図形(円、垂直二等分線、軌跡)
国内书第 17 章 17.3 节(∣ z − z 0 ∣ = r \lvert z - z_0 \rvert = r ∣ z − z 0 ∣ = r 是圆);圆的方程见国内书第 29 章
讲法不同:EJU 要求不拆成 x x x 、y y y 也能认出图形,还考 w = f ( z ) w = f(z) w = f ( z ) 的轨迹
17.7
日本现行学习指导要领(2018 年告示)把这部分放在数学C的内容「平面上の曲線と複素数平面」里,和本书第 18 章「式と曲線」同属一项;教科书一般分成两章,如数研出版『数学C』的第 3 章「複素数平面」、第 4 章「式と曲線」。EJU シラバス只列三个中项目,实际范围就是上表最后五行。
本章六个知识点分两条线:一条是代数线,复平面(17.2)→ 极形式(17.3)→ 棣莫弗定理(17.4)→ n n n 次方根(17.5);另一条是图形线,用极形式的“乘法就是旋转”处理角和形状(17.6),用模的“距离”意义认出方程表示的图形(17.7)。
複素数平面 :复数 z = a + b i z = a + bi z = a + bi 对应坐标平面上的点 ( a , b ) (a, b) ( a , b ) ,这个平面叫複素数平面 (国内叫复平面),横轴叫実軸 ,纵轴叫虚軸 。这部分和国内书第 17 章 17.3 节完全相同。
EJU 和日本教科书有一个写法习惯:直接把复数当作点的名字。「点 z z z 」就是复数 z z z 对应的点;「点 A ( α ) \mathrm{A}(\alpha) A ( α ) 」表示点 A 对应复数 α \alpha α 。题目里说「3 点 A ( α ) \mathrm{A}(\alpha) A ( α ) ,B ( β ) \mathrm{B}(\beta) B ( β ) ,C ( γ ) \mathrm{C}(\gamma) C ( γ ) 」,就是三个复数对应的三个点。
加法、减法、实数倍的几何意义 (和平面向量相同,见国内书第 14 章):
α + β \alpha + \beta α + β :以 0 0 0 、α \alpha α 、β \beta β 为三个顶点的平行四边形的第四个顶点。
β − α \beta - \alpha β − α :从点 α \alpha α 指向点 β \beta β 的向量,平移到原点后的终点。所以 ∣ β − α ∣ \lvert \beta - \alpha \rvert ∣ β − α ∣ 是两点间的距离 A B \mathrm{AB} AB 。
k α k\alpha k α (k k k 是实数):在直线 0 α 0\alpha 0 α 上,长度是 ∣ k ∣ \lvert k \rvert ∣ k ∣ 倍。
共役複素数の性質 :z = a + b i z = a + bi z = a + bi 的共轭复数 z ‾ = a − b i \overline{z} = a - bi z = a − bi (定义见国内书第 17 章 17.2 节)。对任意复数 α \alpha α 、β \beta β :
α + β ‾ = α ‾ + β ‾ , α − β ‾ = α ‾ − β ‾ , α β ‾ = α ‾ β ‾ , ( α β ) ‾ = α ‾ β ‾ ( β ≠ 0 ) . \overline{\alpha + \beta} = \overline{\alpha} + \overline{\beta}, \quad \overline{\alpha - \beta} = \overline{\alpha} - \overline{\beta}, \quad \overline{\alpha\beta} = \overline{\alpha}\,\overline{\beta}, \quad \overline{\left(\frac{\alpha}{\beta}\right)} = \frac{\overline{\alpha}}{\overline{\beta}} \ (\beta \ne 0). α + β = α + β , α − β = α − β , α β = α β , ( β α ) = β α ( β = 0 ) .
一句话:共轭可以“穿过”加减乘除 。由乘法一条还得 α n ‾ = α ‾ n \overline{\alpha^n} = \overline{\alpha}^{\,n} α n = α n 。
实数、纯虚数的判定 :
z が実数 ⟺ z ‾ = z , z が純虚数 ⟺ z ‾ = − z かつ z ≠ 0. z \text{ が実数} \iff \overline{z} = z, \qquad z \text{ が純虚数} \iff \overline{z} = -z \text{ かつ } z \ne 0. z が実数 ⟺ z = z , z が純虚数 ⟺ z = − z かつ z = 0.
絶対値の性質 :
∣ z ∣ 2 = z z ‾ , ∣ α β ∣ = ∣ α ∣ ∣ β ∣ , ∣ α β ∣ = ∣ α ∣ ∣ β ∣ , ∣ z n ∣ = ∣ z ∣ n . \lvert z \rvert^2 = z\overline{z}, \quad \lvert \alpha\beta \rvert = \lvert \alpha \rvert \lvert \beta \rvert, \quad \left\lvert \frac{\alpha}{\beta} \right\rvert = \frac{\lvert \alpha \rvert}{\lvert \beta \rvert}, \quad \lvert z^n \rvert = \lvert z \rvert^n. ∣ z ∣ 2 = z z , ∣ α β ∣ = ∣ α ∣ ∣ β ∣ , β α = ∣ β ∣ ∣ α ∣ , ∣ z n ∣ = ∣ z ∣ n .
特别地,∣ z ∣ = 1 \lvert z \rvert = 1 ∣ z ∣ = 1 时 z z ‾ = 1 z\overline{z} = 1 z z = 1 ,即
∣ z ∣ = 1 ⟺ z ‾ = 1 z . \lvert z \rvert = 1 \iff \overline{z} = \frac{1}{z}. ∣ z ∣ = 1 ⟺ z = z 1 .
这一条在 EJU 里用得极多:单位圆上的点,取共轭就是取倒数。
题目只给几个复数的模(如 ∣ α ∣ = 2 \lvert \alpha \rvert = 2 ∣ α ∣ = 2 ,∣ β ∣ = 3 \lvert \beta \rvert = 3 ∣ β ∣ = 3 ,∣ α − β ∣ = 7 \lvert \alpha - \beta \rvert = \sqrt{7} ∣ α − β ∣ = 7 ),问另一个模或 α β ‾ + α ‾ β \alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta α β + α β :把模平方,写成“自己乘共轭”展开。
题目要证明或判断某个式子是实数、纯虚数,而条件只有 ∣ z ∣ = 1 \lvert z \rvert = 1 ∣ z ∣ = 1 这类,不知道 z z z 的实部虚部:取它的共轭,看等于自己还是等于相反数。
题目要求积、商、幂的模,如 ∣ ( 1 + 2 i ) 3 ( 3 − 4 i ) 2 ( 2 − i ) 4 ∣ \left\lvert \dfrac{(1 + 2i)^3(3 - 4i)^2}{(2 - i)^4} \right\rvert ( 2 − i ) 4 ( 1 + 2 i ) 3 ( 3 − 4 i ) 2 :用“积的模 = 模的积”,不必先算出复数。
∣ z ∣ 2 \lvert z \rvert^2 ∣ z ∣ 2 和 z 2 z^2 z 2 一般不相等。要把模平方去掉绝对值,只能写 z z ‾ z\overline{z} z z 。
展开 ∣ α + β ∣ 2 \lvert \alpha + \beta \rvert^2 ∣ α + β ∣ 2 时,两个“交叉项”是 α β ‾ \alpha\overline{\beta} α β 和 α ‾ β \overline{\alpha}\beta α β ,它们互为共轭,和是实数(等于 α β ‾ \alpha\overline{\beta} α β 的实部的 2 倍),不能合并成 2 α β 2\alpha\beta 2 α β 。
纯虚数的条件里要有 z ≠ 0 z \ne 0 z = 0 :0 满足 z ‾ = − z \overline{z} = -z z = − z ,但 0 是实数,不是纯虚数。
EJU 题干的说法:「z ‾ \overline{z} z は z z z と共役な複素数を表す」「z z z が実数であるための条件」「z − 1 z + 1 \dfrac{z - 1}{z + 1} z + 1 z − 1 は純虚数である」(教科书里写“示せ”的证明,EJU 会改成誘導的空格)。
结论 1:α β ‾ = α ‾ β ‾ \overline{\alpha\beta} = \overline{\alpha}\,\overline{\beta} α β = α β 。 设 α = a + b i \alpha = a + bi α = a + bi ,β = c + d i \beta = c + di β = c + d i 。
α β = ( a c − b d ) + ( a d + b c ) i , α β ‾ = ( a c − b d ) − ( a d + b c ) i . \alpha\beta = (ac - bd) + (ad + bc)i, \qquad \overline{\alpha\beta} = (ac - bd) - (ad + bc)i. α β = ( a c − b d ) + ( a d + b c ) i , α β = ( a c − b d ) − ( a d + b c ) i .
α ‾ β ‾ = ( a − b i ) ( c − d i ) = ( a c − b d ) − ( a d + b c ) i . \overline{\alpha}\,\overline{\beta} = (a - bi)(c - di) = (ac - bd) - (ad + bc)i. α β = ( a − bi ) ( c − d i ) = ( a c − b d ) − ( a d + b c ) i .
两者相同。(关键一步 :( a − b i ) ( c − d i ) (a - bi)(c - di) ( a − bi ) ( c − d i ) 里 ( − b ) ( − d ) i 2 = − b d (-b)(-d)i^2 = -bd ( − b ) ( − d ) i 2 = − b d ,实部和 α β \alpha\beta α β 的实部一样;虚部的两项都带一个负号,正好是 α β \alpha\beta α β 虚部的相反数。)加减法按实部虚部分别算,显然成立。商:设 γ = α β \gamma = \dfrac{\alpha}{\beta} γ = β α ,则 α = β γ \alpha = \beta\gamma α = β γ ,两边取共轭 α ‾ = β ‾ γ ‾ \overline{\alpha} = \overline{\beta}\,\overline{\gamma} α = β γ ,所以 γ ‾ = α ‾ β ‾ \overline{\gamma} = \dfrac{\overline{\alpha}}{\overline{\beta}} γ = β α 。
结论 2:实数、纯虚数的判定。 z = a + b i z = a + bi z = a + bi ,z ‾ = z \overline{z} = z z = z 即 a − b i = a + b i a - bi = a + bi a − bi = a + bi ,即 b = 0 b = 0 b = 0 ;z ‾ = − z \overline{z} = -z z = − z 即 a − b i = − a − b i a - bi = -a - bi a − bi = − a − bi ,即 a = 0 a = 0 a = 0 。再加 z ≠ 0 z \ne 0 z = 0 保证 b ≠ 0 b \ne 0 b = 0 。
结论 3:∣ α β ∣ = ∣ α ∣ ∣ β ∣ \lvert \alpha\beta \rvert = \lvert \alpha \rvert \lvert \beta \rvert ∣ α β ∣ = ∣ α ∣ ∣ β ∣ 。 由 ∣ z ∣ 2 = z z ‾ \lvert z \rvert^2 = z\overline{z} ∣ z ∣ 2 = z z (国内书第 17 章 17.4 节)和结论 1:
∣ α β ∣ 2 = α β α β ‾ = α α ‾ ⋅ β β ‾ = ∣ α ∣ 2 ∣ β ∣ 2 . \lvert \alpha\beta \rvert^2 = \alpha\beta\,\overline{\alpha\beta} = \alpha\overline{\alpha} \cdot \beta\overline{\beta} = \lvert \alpha \rvert^2 \lvert \beta \rvert^2. ∣ α β ∣ 2 = α β α β = α α ⋅ β β = ∣ α ∣ 2 ∣ β ∣ 2 .
两边都是非负实数,开方即得。商和幂同理(幂是乘法反复用)。
例 1 (场景:只知道模,求别的模)
問題 複素数 α \alpha α ,β \beta β が ∣ α ∣ = 2 \lvert \alpha \rvert = 2 ∣ α ∣ = 2 ,∣ β ∣ = 3 \lvert \beta \rvert = 3 ∣ β ∣ = 3 ,∣ α − β ∣ = 7 \lvert \alpha - \beta \rvert = \sqrt{7} ∣ α − β ∣ = 7 を満たしている。α β ‾ + α ‾ β \alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta α β + α β の値と ∣ α + β ∣ \lvert \alpha + \beta \rvert ∣ α + β ∣ を求めよ。
解答 与えられた絶対値を 2 2 2 乗し,∣ z ∣ 2 = z z ‾ \lvert z \rvert^2 = z\overline{z} ∣ z ∣ 2 = z z を用いて「自分と共役な複素数の積」の形に直す。
∣ α − β ∣ 2 = ( α − β ) ( α ‾ − β ‾ ) = α α ‾ − α β ‾ − α ‾ β + β β ‾ = ∣ α ∣ 2 + ∣ β ∣ 2 − ( α β ‾ + α ‾ β ) . \lvert \alpha - \beta \rvert^2 = (\alpha - \beta)(\overline{\alpha} - \overline{\beta}) = \alpha\overline{\alpha} - \alpha\overline{\beta} - \overline{\alpha}\beta + \beta\overline{\beta} = \lvert \alpha \rvert^2 + \lvert \beta \rvert^2 - (\alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta). ∣ α − β ∣ 2 = ( α − β ) ( α − β ) = α α − α β − α β + β β = ∣ α ∣ 2 + ∣ β ∣ 2 − ( α β + α β ) .
代入すると 7 = 4 + 9 − ( α β ‾ + α ‾ β ) 7 = 4 + 9 - (\alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta) 7 = 4 + 9 − ( α β + α β ) であるから,α β ‾ + α ‾ β = 6 \alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta = 6 α β + α β = 6 である。同様に
∣ α + β ∣ 2 = ∣ α ∣ 2 + ∣ β ∣ 2 + ( α β ‾ + α ‾ β ) = 4 + 9 + 6 = 19 , \lvert \alpha + \beta \rvert^2 = \lvert \alpha \rvert^2 + \lvert \beta \rvert^2 + (\alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta) = 4 + 9 + 6 = 19, ∣ α + β ∣ 2 = ∣ α ∣ 2 + ∣ β ∣ 2 + ( α β + α β ) = 4 + 9 + 6 = 19 ,
よって ∣ α + β ∣ = 19 \lvert \alpha + \beta \rvert = \sqrt{19} ∣ α + β ∣ = 19 である。
中文翻译 题目:复数 α \alpha α 、β \beta β 满足 ∣ α ∣ = 2 \lvert \alpha \rvert = 2 ∣ α ∣ = 2 ,∣ β ∣ = 3 \lvert \beta \rvert = 3 ∣ β ∣ = 3 ,∣ α − β ∣ = 7 \lvert \alpha - \beta \rvert = \sqrt{7} ∣ α − β ∣ = 7 。求 α β ‾ + α ‾ β \alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta α β + α β 的值和 ∣ α + β ∣ \lvert \alpha + \beta \rvert ∣ α + β ∣ 。解答:把已知的模平方,用 ∣ z ∣ 2 = z z ‾ \lvert z \rvert^2 = z\overline{z} ∣ z ∣ 2 = z z 化成“自己乘共轭”的形式:∣ α − β ∣ 2 = ( α − β ) ( α ‾ − β ‾ ) = α α ‾ − α β ‾ − α ‾ β + β β ‾ = ∣ α ∣ 2 + ∣ β ∣ 2 − ( α β ‾ + α ‾ β ) \lvert \alpha - \beta \rvert^2 = (\alpha - \beta)(\overline{\alpha} - \overline{\beta}) = \alpha\overline{\alpha} - \alpha\overline{\beta} - \overline{\alpha}\beta + \beta\overline{\beta} = \lvert \alpha \rvert^2 + \lvert \beta \rvert^2 - (\alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta) ∣ α − β ∣ 2 = ( α − β ) ( α − β ) = α α − α β − α β + β β = ∣ α ∣ 2 + ∣ β ∣ 2 − ( α β + α β ) 。代入:7 = 4 + 9 − ( α β ‾ + α ‾ β ) 7 = 4 + 9 - (\alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta) 7 = 4 + 9 − ( α β + α β ) ,所以 α β ‾ + α ‾ β = 6 \alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta = 6 α β + α β = 6 。同样 ∣ α + β ∣ 2 = ∣ α ∣ 2 + ∣ β ∣ 2 + ( α β ‾ + α ‾ β ) = 4 + 9 + 6 = 19 \lvert \alpha + \beta \rvert^2 = \lvert \alpha \rvert^2 + \lvert \beta \rvert^2 + (\alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta) = 4 + 9 + 6 = 19 ∣ α + β ∣ 2 = ∣ α ∣ 2 + ∣ β ∣ 2 + ( α β + α β ) = 4 + 9 + 6 = 19 ,所以 ∣ α + β ∣ = 19 \lvert \alpha + \beta \rvert = \sqrt{19} ∣ α + β ∣ = 19 。
解说 容易卡在:第一步把 ( α − β ) ( α ‾ − β ‾ ) (\alpha - \beta)(\overline{\alpha} - \overline{\beta}) ( α − β ) ( α − β ) 写成 ( α − β ) 2 (\alpha - \beta)^2 ( α − β ) 2 。模的平方一定是“乘共轭”。
例 2 (场景:判断是实数还是纯虚数)
問題 複素数 z z z が ∣ z ∣ = 1 \lvert z \rvert = 1 ∣ z ∣ = 1 ,z ≠ − 1 z \ne -1 z = − 1 を満たすとき,w = z − 1 z + 1 w = \dfrac{z - 1}{z + 1} w = z + 1 z − 1 は純虚数または 0 0 0 であることを証明せよ。
解答 ∣ z ∣ = 1 \lvert z \rvert = 1 ∣ z ∣ = 1 より z ‾ = 1 z \overline{z} = \dfrac{1}{z} z = z 1 である。w w w の共役複素数をとると,共役は除法と加法・減法をそのまま通るから
w ‾ = z ‾ − 1 z ‾ + 1 = 1 z − 1 1 z + 1 = 1 − z 1 + z = − w . \overline{w} = \frac{\overline{z} - 1}{\overline{z} + 1} = \frac{\frac{1}{z} - 1}{\frac{1}{z} + 1} = \frac{1 - z}{1 + z} = -w. w = z + 1 z − 1 = z 1 + 1 z 1 − 1 = 1 + z 1 − z = − w .
(3 番目の等号は分母と分子に z z z を掛けたものである。)よって w ‾ = − w \overline{w} = -w w = − w であるから,w w w の実部は 0 0 0 である。すなわち z = 1 z = 1 z = 1 のとき w = 0 w = 0 w = 0 ,z ≠ 1 z \ne 1 z = 1 のとき w w w は純虚数である。
中文翻译 题目:复数 z z z 满足 ∣ z ∣ = 1 \lvert z \rvert = 1 ∣ z ∣ = 1 ,z ≠ − 1 z \ne -1 z = − 1 。证明 w = z − 1 z + 1 w = \dfrac{z - 1}{z + 1} w = z + 1 z − 1 是纯虚数或 0。解答:由 ∣ z ∣ = 1 \lvert z \rvert = 1 ∣ z ∣ = 1 得 z ‾ = 1 z \overline{z} = \dfrac{1}{z} z = z 1 。取 w w w 的共轭,共轭穿过除法和加减:w ‾ = z ‾ − 1 z ‾ + 1 = 1 z − 1 1 z + 1 = 1 − z 1 + z = − w \overline{w} = \frac{\overline{z} - 1}{\overline{z} + 1} = \frac{\frac{1}{z} - 1}{\frac{1}{z} + 1} = \frac{1 - z}{1 + z} = -w w = z + 1 z − 1 = z 1 + 1 z 1 − 1 = 1 + z 1 − z = − w 。(第三个等号是分子分母同乘 z z z 。)所以 w ‾ = − w \overline{w} = -w w = − w ,w w w 的实部是 0:z = 1 z = 1 z = 1 时 w = 0 w = 0 w = 0 ,z ≠ 1 z \ne 1 z = 1 时 w w w 是纯虚数。
解说 另一种解法 :看图形。w = z − 1 z + 1 w = \dfrac{z - 1}{z + 1} w = z + 1 z − 1 的辐角就是从向量”− 1 → z -1 \to z − 1 → z “转到向量”1 → z 1 \to z 1 → z “的角(17.6 节)。z z z 在单位圆上,1 1 1 和 − 1 -1 − 1 是直径的两端,由”直径所对的圆周角是直角”,这个角是 ± π 2 \pm\dfrac{\pi}{2} ± 2 π ,所以 w w w 是纯虚数。代数做法步骤机械,适合填空题直接写;图形做法一眼看出结论,适合用来检查答案或在选择型空格里快速判断。
例 3 (场景:积、商、幂的模)
問題 ∣ ( 1 + 2 i ) 3 ( 3 − 4 i ) 2 ( 2 − i ) 4 ∣ \left\lvert \dfrac{(1 + 2i)^3(3 - 4i)^2}{(2 - i)^4} \right\rvert ( 2 − i ) 4 ( 1 + 2 i ) 3 ( 3 − 4 i ) 2 を求めよ。
解答 ∣ 1 + 2 i ∣ = 5 \lvert 1 + 2i \rvert = \sqrt{5} ∣ 1 + 2 i ∣ = 5 ,∣ 3 − 4 i ∣ = 5 \lvert 3 - 4i \rvert = 5 ∣ 3 − 4 i ∣ = 5 ,∣ 2 − i ∣ = 5 \lvert 2 - i \rvert = \sqrt{5} ∣ 2 − i ∣ = 5 である。積・商・累乗の絶対値は,それぞれ絶対値の積・商・累乗に等しいから
( 5 ) 3 ⋅ 5 2 ( 5 ) 4 = 5 5 ⋅ 25 25 = 5 5 . \frac{(\sqrt{5})^3 \cdot 5^2}{(\sqrt{5})^4} = \frac{5\sqrt{5} \cdot 25}{25} = 5\sqrt{5}. ( 5 ) 4 ( 5 ) 3 ⋅ 5 2 = 25 5 5 ⋅ 25 = 5 5 .
中文翻译 题目:求 ∣ ( 1 + 2 i ) 3 ( 3 − 4 i ) 2 ( 2 − i ) 4 ∣ \left\lvert \dfrac{(1 + 2i)^3(3 - 4i)^2}{(2 - i)^4} \right\rvert ( 2 − i ) 4 ( 1 + 2 i ) 3 ( 3 − 4 i ) 2 。解答:∣ 1 + 2 i ∣ = 5 \lvert 1 + 2i \rvert = \sqrt{5} ∣ 1 + 2 i ∣ = 5 ,∣ 3 − 4 i ∣ = 5 \lvert 3 - 4i \rvert = 5 ∣ 3 − 4 i ∣ = 5 ,∣ 2 − i ∣ = 5 \lvert 2 - i \rvert = \sqrt{5} ∣ 2 − i ∣ = 5 。积、商、幂的模等于模的积、商、幂:( 5 ) 3 ⋅ 5 2 ( 5 ) 4 = 5 5 ⋅ 25 25 = 5 5 \frac{(\sqrt{5})^3 \cdot 5^2}{(\sqrt{5})^4} = \frac{5\sqrt{5} \cdot 25}{25} = 5\sqrt{5} ( 5 ) 4 ( 5 ) 3 ⋅ 5 2 = 25 5 5 ⋅ 25 = 5 5 。
解说 积、商、幂的模可以逐层拆开,不必先把复数本身算出来。( 2 − i ) 4 (2 - i)^4 ( 2 − i ) 4 的模是 ( 5 ) 4 = 25 (\sqrt{5})^4 = 25 ( 5 ) 4 = 25 ,不是 4 5 4\sqrt{5} 4 5 ;( 1 + 2 i ) 3 (1 + 2i)^3 ( 1 + 2 i ) 3 的模是 ( 5 ) 3 = 5 5 (\sqrt{5})^3 = 5\sqrt{5} ( 5 ) 3 = 5 5 。分子分母各自约掉 25 25 25 ,剩下 5 5 5\sqrt{5} 5 5 。
平行四边形の性質 :∣ α + β ∣ 2 + ∣ α − β ∣ 2 = 2 ( ∣ α ∣ 2 + ∣ β ∣ 2 ) \lvert \alpha + \beta \rvert^2 + \lvert \alpha - \beta \rvert^2 = 2\left(\lvert \alpha \rvert^2 + \lvert \beta \rvert^2\right) ∣ α + β ∣ 2 + ∣ α − β ∣ 2 = 2 ( ∣ α ∣ 2 + ∣ β ∣ 2 ) 。推导:例 1 里两个展开式相加,交叉项抵消。例 1 可以直接用它:∣ α + β ∣ 2 = 2 ( 4 + 9 ) − 7 = 19 \lvert \alpha + \beta \rvert^2 = 2(4 + 9) - 7 = 19 ∣ α + β ∣ 2 = 2 ( 4 + 9 ) − 7 = 19 。
∣ z ∣ = 1 \lvert z \rvert = 1 ∣ z ∣ = 1 时,z + 1 z = z + z ‾ z + \dfrac{1}{z} = z + \overline{z} z + z 1 = z + z 是实数,等于 z z z 的实部的 2 倍。推导:1 z = z ‾ \dfrac{1}{z} = \overline{z} z 1 = z ,再用国内书第 17 章 17.4 节的 z + z ‾ = 2 a z + \overline{z} = 2a z + z = 2 a 。
三角不等式 :∣ α ∣ − ∣ β ∣ ≤ ∣ α + β ∣ ≤ ∣ α ∣ + ∣ β ∣ \lvert \alpha \rvert - \lvert \beta \rvert \le \lvert \alpha + \beta \rvert \le \lvert \alpha \rvert + \lvert \beta \rvert ∣ α ∣ − ∣ β ∣ ≤ ∣ α + β ∣ ≤ ∣ α ∣ + ∣ β ∣ 。推导:0 0 0 、α \alpha α 、α + β \alpha + \beta α + β 三点组成三角形(可能退化),两边之和不小于第三边,两边之差不大于第三边。求 ∣ z − c ∣ \lvert z - c \rvert ∣ z − c ∣ 的最值时就是它。
实系数多项式 :f ( x ) f(x) f ( x ) 的系数都是实数时,f ( z ‾ ) = f ( z ) ‾ f(\overline{z}) = \overline{f(z)} f ( z ) = f ( z ) 。推导:共轭穿过加法和乘法,实系数取共轭不变。所以 f ( z ) = 0 f(z) = 0 f ( z ) = 0 时 f ( z ‾ ) = 0 f(\overline{z}) = 0 f ( z ) = 0 ,虚根成对出现(本书第 10 章用到)。
错在哪 :由 ∣ z ∣ = 2 \lvert z \rvert = 2 ∣ z ∣ = 2 写 z 2 = 4 z^2 = 4 z 2 = 4 。
为什么错 :z 2 z^2 z 2 是复数,例如 z = 2 i z = 2i z = 2 i 时 z 2 = − 4 z^2 = -4 z 2 = − 4 ;只有 z z ‾ z\overline{z} z z 才等于 ∣ z ∣ 2 \lvert z \rvert^2 ∣ z ∣ 2 。
正确做法 :写 z z ‾ = 4 z\overline{z} = 4 z z = 4 ,需要时再用 z ‾ = 4 z \overline{z} = \dfrac{4}{z} z = z 4 。
错在哪 :展开 ∣ α + β ∣ 2 = ∣ α ∣ 2 + 2 α β + ∣ β ∣ 2 \lvert \alpha + \beta \rvert^2 = \lvert \alpha \rvert^2 + 2\alpha\beta + \lvert \beta \rvert^2 ∣ α + β ∣ 2 = ∣ α ∣ 2 + 2 α β + ∣ β ∣ 2 。
为什么错 :照搬了实数的完全平方公式。∣ α + β ∣ 2 = ( α + β ) ( α ‾ + β ‾ ) \lvert \alpha + \beta \rvert^2 = (\alpha + \beta)(\overline{\alpha} + \overline{\beta}) ∣ α + β ∣ 2 = ( α + β ) ( α + β ) ,交叉项是 α β ‾ + α ‾ β \alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta α β + α β 。
正确做法 :每次都先写成“乘共轭”再展开。
错在哪 :认为”z ‾ = − z \overline{z} = -z z = − z “就说明 z z z 是纯虚数。
为什么错 :z = 0 z = 0 z = 0 也满足,而 0 不是纯虚数。
正确做法 :纯虚数的条件写成”z ‾ = − z \overline{z} = -z z = − z かつ z ≠ 0 z \ne 0 z = 0 “;题目问”纯虚数“时检查 0 是否要排除。
共轭是“上下翻折”(关于实轴对称)。翻折不改变长度,也不改变加法和乘法的结构,所以翻折可以先做也可以后做,这就是“共轭穿过四则运算”。
∣ z ∣ 2 = z z ‾ \lvert z \rvert^2 = z\overline{z} ∣ z ∣ 2 = z z 是复数里“去掉绝对值”的唯一办法。实数里 ∣ x ∣ 2 = x 2 \lvert x \rvert^2 = x^2 ∣ x ∣ 2 = x 2 ,复数里要换成“乘它的翻折”:z z z 和 z ‾ \overline{z} z 的辐角正好相反,相乘后转回实轴,只剩下长度的平方。
前置:国内书第 17 章 17.2–17.4 节,复数的定义、共轭、四则运算、z z ‾ = ∣ z ∣ 2 z\overline{z} = \lvert z \rvert^2 z z = ∣ z ∣ 2 。
前置:国内书第 14 章,向量加法的平行四边形法则,复数加法和它一样。
后续:17.3 节极形式,“积的模 = 模的积”会换个角度再看一次。
后续:17.7 节,∣ z − α ∣ 2 = ( z − α ) ( z ‾ − α ‾ ) \lvert z - \alpha \rvert^2 = (z - \alpha)(\overline{z} - \overline{\alpha}) ∣ z − α ∣ 2 = ( z − α ) ( z − α ) 是把圆的方程写成 z z ‾ z\overline{z} z z 形式的工具。
本书第 10 章 いろいろな式:实系数方程虚根成对,用的是 f ( z ‾ ) = f ( z ) ‾ f(\overline{z}) = \overline{f(z)} f ( z ) = f ( z ) 。
偏角と極形式 :z ≠ 0 z \ne 0 z = 0 ,记 r = ∣ z ∣ r = \lvert z \rvert r = ∣ z ∣ 。从实轴正方向转到线段 0 z 0z 0 z 的角 θ \theta θ 叫 z z z 的偏角 (国内叫辐角),记作 arg z \arg z arg z 。于是
z = r ( cos θ + i sin θ ) ( r > 0 ) , z = r(\cos\theta + i\sin\theta) \quad (r > 0), z = r ( cos θ + i sin θ ) ( r > 0 ) ,
这叫 z z z 的極形式 (国内叫三角形式)。定义和国内书第 17 章 17.5 节相同,区别在于考法:
偏角有无数个,彼此相差 2 π 2\pi 2 π 的整数倍。日本教科书写 arg z = θ + 2 n π \arg z = \theta + 2n\pi arg z = θ + 2 nπ (n n n 是整数);EJU 题目会写明范围 ,最常见的是「ただし,偏角 θ \theta θ は 0 ≤ θ < 2 π 0 \le \theta < 2\pi 0 ≤ θ < 2 π とする」,有时是 − π < θ ≤ π -\pi < \theta \le \pi − π < θ ≤ π 。答案必须落在题目给的范围里。
极形式的格式固定:r > 0 r > 0 r > 0 ,括号里余弦在前、正弦在后、中间是加号、两个角相同。
積・商の極形式 :设 z 1 = r 1 ( cos θ 1 + i sin θ 1 ) z_1 = r_1(\cos\theta_1 + i\sin\theta_1) z 1 = r 1 ( cos θ 1 + i sin θ 1 ) ,z 2 = r 2 ( cos θ 2 + i sin θ 2 ) z_2 = r_2(\cos\theta_2 + i\sin\theta_2) z 2 = r 2 ( cos θ 2 + i sin θ 2 ) ,则
z 1 z 2 = r 1 r 2 { cos ( θ 1 + θ 2 ) + i sin ( θ 1 + θ 2 ) } , z 1 z 2 = r 1 r 2 { cos ( θ 1 − θ 2 ) + i sin ( θ 1 − θ 2 ) } . z_1 z_2 = r_1 r_2\left\{\cos(\theta_1 + \theta_2) + i\sin(\theta_1 + \theta_2)\right\}, \qquad \frac{z_1}{z_2} = \frac{r_1}{r_2}\left\{\cos(\theta_1 - \theta_2) + i\sin(\theta_1 - \theta_2)\right\}. z 1 z 2 = r 1 r 2 { cos ( θ 1 + θ 2 ) + i sin ( θ 1 + θ 2 ) } , z 2 z 1 = r 2 r 1 { cos ( θ 1 − θ 2 ) + i sin ( θ 1 − θ 2 ) } .
写成模和偏角:
∣ z 1 z 2 ∣ = ∣ z 1 ∣ ∣ z 2 ∣ , arg ( z 1 z 2 ) = arg z 1 + arg z 2 , arg z 1 z 2 = arg z 1 − arg z 2 . \lvert z_1 z_2 \rvert = \lvert z_1 \rvert \lvert z_2 \rvert, \quad \arg(z_1 z_2) = \arg z_1 + \arg z_2, \quad \arg\frac{z_1}{z_2} = \arg z_1 - \arg z_2. ∣ z 1 z 2 ∣ = ∣ z 1 ∣ ∣ z 2 ∣ , arg ( z 1 z 2 ) = arg z 1 + arg z 2 , arg z 2 z 1 = arg z 1 − arg z 2 .
偏角的等式都是“相差 2 π 2\pi 2 π 的整数倍意义下相等”,算完要调回题目给的范围。
原点のまわりの回転 :乘 cos θ + i sin θ \cos\theta + i\sin\theta cos θ + i sin θ (模为 1),就是把点绕原点旋转 θ \theta θ (θ > 0 \theta > 0 θ > 0 是逆时针,日文「正の向き」);乘 r ( cos θ + i sin θ ) r(\cos\theta + i\sin\theta) r ( cos θ + i sin θ ) ,就是旋转 θ \theta θ 再把到原点的距离放大 r r r 倍(「回転して r r r 倍に拡大」)。
题目要求把复数写成极形式,而复数是 − 2 ( cos π 6 + i sin π 6 ) -2\left(\cos\dfrac{\pi}{6} + i\sin\dfrac{\pi}{6}\right) − 2 ( cos 6 π + i sin 6 π ) 、sin α + i cos α \sin\alpha + i\cos\alpha sin α + i cos α 、1 + cos θ + i sin θ 1 + \cos\theta + i\sin\theta 1 + cos θ + i sin θ 这类“不标准”的样子:先调成 r > 0 r > 0 r > 0 、余弦在前、加号的标准格式。
题目让你用两个复数的积(或商)求 cos 5 π 12 \cos\dfrac{5\pi}{12} cos 12 5 π 、sin π 12 \sin\dfrac{\pi}{12} sin 12 π 之类非特殊角的三角函数值:同一个积分别用代数形式和极形式算,实部对实部、虚部对虚部。
题目问 α 2 β \dfrac{\alpha^2}{\beta} β α 2 、α β ‾ \alpha\overline{\beta} α β 等的偏角或模:各自化成极形式,偏角加减、模乘除。
题目说「点 z z z を原点のまわりに θ \theta θ だけ回転し,原点からの距離を r r r 倍した点」:乘 r ( cos θ + i sin θ ) r(\cos\theta + i\sin\theta) r ( cos θ + i sin θ ) 。
r r r 必须是正数。− 2 ( cos π 6 + i sin π 6 ) -2\left(\cos\dfrac{\pi}{6} + i\sin\dfrac{\pi}{6}\right) − 2 ( cos 6 π + i sin 6 π ) 不是极形式:− 1 = cos π + i sin π -1 = \cos\pi + i\sin\pi − 1 = cos π + i sin π ,所以它等于 2 ( cos 7 π 6 + i sin 7 π 6 ) 2\left(\cos\dfrac{7\pi}{6} + i\sin\dfrac{7\pi}{6}\right) 2 ( cos 6 7 π + i sin 6 7 π ) 。
正弦在前的要换角:sin α + i cos α = cos ( π 2 − α ) + i sin ( π 2 − α ) \sin\alpha + i\cos\alpha = \cos\left(\dfrac{\pi}{2} - \alpha\right) + i\sin\left(\dfrac{\pi}{2} - \alpha\right) sin α + i cos α = cos ( 2 π − α ) + i sin ( 2 π − α ) 。
减号的要换成负角:cos α − i sin α = cos ( − α ) + i sin ( − α ) \cos\alpha - i\sin\alpha = \cos(-\alpha) + i\sin(-\alpha) cos α − i sin α = cos ( − α ) + i sin ( − α ) 。
定偏角要同时看 cos θ \cos\theta cos θ 、sin θ \sin\theta sin θ 的符号(看点在哪个象限),不能只看 tan θ \tan\theta tan θ 。
EJU 的英文题写 polar form、argument,并注明 0 ≤ θ < 2 π 0 \le \theta < 2\pi 0 ≤ θ < 2 π ;日文题写「極形式で表せ」「偏角を θ \theta θ とする」。
积的公式在国内书第 17 章 17.5 节已经证明(直接展开,用两角和公式)。这里补两点。
结论 1:arg ( z 1 z 2 ) = arg z 1 + arg z 2 \arg(z_1 z_2) = \arg z_1 + \arg z_2 arg ( z 1 z 2 ) = arg z 1 + arg z 2 的含义。 由积的公式,θ 1 + θ 2 \theta_1 + \theta_2 θ 1 + θ 2 是 z 1 z 2 z_1 z_2 z 1 z 2 的一个偏角。偏角本来就差 2 π 2\pi 2 π 的整数倍,所以这个等式的意思是“两边相差 2 π 2\pi 2 π 的整数倍”。(关键一步 :θ 1 = 3 π 2 \theta_1 = \dfrac{3\pi}{2} θ 1 = 2 3 π ,θ 2 = π 2 \theta_2 = \dfrac{\pi}{2} θ 2 = 2 π 时 θ 1 + θ 2 = 2 π \theta_1 + \theta_2 = 2\pi θ 1 + θ 2 = 2 π ,若题目要求 0 ≤ θ < 2 π 0 \le \theta < 2\pi 0 ≤ θ < 2 π ,偏角要写 0。)
结论 2:1 + cos θ + i sin θ 1 + \cos\theta + i\sin\theta 1 + cos θ + i sin θ 的极形式。 用二倍角公式(国内书第 13 章 13.3 节):1 + cos θ = 2 cos 2 θ 2 1 + \cos\theta = 2\cos^2\dfrac{\theta}{2} 1 + cos θ = 2 cos 2 2 θ ,sin θ = 2 sin θ 2 cos θ 2 \sin\theta = 2\sin\dfrac{\theta}{2}\cos\dfrac{\theta}{2} sin θ = 2 sin 2 θ cos 2 θ ,所以
1 + cos θ + i sin θ = 2 cos θ 2 ( cos θ 2 + i sin θ 2 ) . 1 + \cos\theta + i\sin\theta = 2\cos\frac{\theta}{2}\left(\cos\frac{\theta}{2} + i\sin\frac{\theta}{2}\right). 1 + cos θ + i sin θ = 2 cos 2 θ ( cos 2 θ + i sin 2 θ ) .
cos θ 2 > 0 \cos\dfrac{\theta}{2} > 0 cos 2 θ > 0 时这就是极形式;cos θ 2 < 0 \cos\dfrac{\theta}{2} < 0 cos 2 θ < 0 时要把负号吸收成 cos π + i sin π \cos\pi + i\sin\pi cos π + i sin π ,偏角加 π \pi π 。
例 1 (场景:化“不标准”的式子为极形式)
問題 0 < θ < π 0 < \theta < \pi 0 < θ < π とする。z = 1 + cos θ + i sin θ z = 1 + \cos\theta + i\sin\theta z = 1 + cos θ + i sin θ を極形式で表せ。また,w = sin π 5 + i cos π 5 w = \sin\dfrac{\pi}{5} + i\cos\dfrac{\pi}{5} w = sin 5 π + i cos 5 π を極形式で表せ(偏角は 0 ≦ arg < 2 π 0 \leqq \arg < 2\pi 0 ≦ arg < 2 π の範囲とする)。
解答 証明で示した結論 2 より
z = 2 cos θ 2 ( cos θ 2 + i sin θ 2 ) . z = 2\cos\frac{\theta}{2}\left(\cos\frac{\theta}{2} + i\sin\frac{\theta}{2}\right). z = 2 cos 2 θ ( cos 2 θ + i sin 2 θ ) .
0 < θ < π 0 < \theta < \pi 0 < θ < π のとき 0 < θ 2 < π 2 0 < \dfrac{\theta}{2} < \dfrac{\pi}{2} 0 < 2 θ < 2 π で cos θ 2 > 0 \cos\dfrac{\theta}{2} > 0 cos 2 θ > 0 であるから,絶対値は 2 cos θ 2 2\cos\dfrac{\theta}{2} 2 cos 2 θ ,偏角は θ 2 \dfrac{\theta}{2} 2 θ である。
w w w については,sin π 5 = cos ( π 2 − π 5 ) = cos 3 π 10 \sin\dfrac{\pi}{5} = \cos\left(\dfrac{\pi}{2} - \dfrac{\pi}{5}\right) = \cos\dfrac{3\pi}{10} sin 5 π = cos ( 2 π − 5 π ) = cos 10 3 π ,cos π 5 = sin 3 π 10 \cos\dfrac{\pi}{5} = \sin\dfrac{3\pi}{10} cos 5 π = sin 10 3 π であるから
w = cos 3 π 10 + i sin 3 π 10 . w = \cos\frac{3\pi}{10} + i\sin\frac{3\pi}{10}. w = cos 10 3 π + i sin 10 3 π .
中文翻译 题目:0 < θ < π 0 < \theta < \pi 0 < θ < π 。把 z = 1 + cos θ + i sin θ z = 1 + \cos\theta + i\sin\theta z = 1 + cos θ + i sin θ 写成极形式,并把 w = sin π 5 + i cos π 5 w = \sin\dfrac{\pi}{5} + i\cos\dfrac{\pi}{5} w = sin 5 π + i cos 5 π 写成极形式(偏角在 0 ≤ arg < 2 π 0 \le \arg < 2\pi 0 ≤ arg < 2 π 内)。解答:由证明里的结论 2,z = 2 cos θ 2 ( cos θ 2 + i sin θ 2 ) z = 2\cos\frac{\theta}{2}\left(\cos\frac{\theta}{2} + i\sin\frac{\theta}{2}\right) z = 2 cos 2 θ ( cos 2 θ + i sin 2 θ ) 。0 < θ < π 0 < \theta < \pi 0 < θ < π 时 0 < θ 2 < π 2 0 < \dfrac{\theta}{2} < \dfrac{\pi}{2} 0 < 2 θ < 2 π ,cos θ 2 > 0 \cos\dfrac{\theta}{2} > 0 cos 2 θ > 0 ,所以模是 2 cos θ 2 2\cos\dfrac{\theta}{2} 2 cos 2 θ ,偏角是 θ 2 \dfrac{\theta}{2} 2 θ 。w w w :sin π 5 = cos ( π 2 − π 5 ) = cos 3 π 10 \sin\dfrac{\pi}{5} = \cos\left(\dfrac{\pi}{2} - \dfrac{\pi}{5}\right) = \cos\dfrac{3\pi}{10} sin 5 π = cos ( 2 π − 5 π ) = cos 10 3 π ,cos π 5 = sin 3 π 10 \cos\dfrac{\pi}{5} = \sin\dfrac{3\pi}{10} cos 5 π = sin 10 3 π ,所以 w = cos 3 π 10 + i sin 3 π 10 w = \cos\frac{3\pi}{10} + i\sin\frac{3\pi}{10} w = cos 10 3 π + i sin 10 3 π 。
解说 容易卡在:w w w 直接说偏角是 π 5 \dfrac{\pi}{5} 5 π 。正弦在前时,偏角是 π 2 \dfrac{\pi}{2} 2 π 减原来的角。z z z 的模也要注意:模是 2 cos θ 2 2\cos\dfrac{\theta}{2} 2 cos 2 θ ,随 θ \theta θ 变化,不是常数 2;正因为 0 < θ 2 < π 2 0 < \dfrac{\theta}{2} < \dfrac{\pi}{2} 0 < 2 θ < 2 π 时 cos θ 2 > 0 \cos\dfrac{\theta}{2} > 0 cos 2 θ > 0 ,它才满足极形式 r > 0 r > 0 r > 0 的要求。
例 2 (场景:用积求非特殊角的三角函数值)
問題 ( 3 + i ) ( 1 + i ) (\sqrt{3} + i)(1 + i) ( 3 + i ) ( 1 + i ) を計算し,これを用いて cos 5 π 12 \cos\dfrac{5\pi}{12} cos 12 5 π ,sin 5 π 12 \sin\dfrac{5\pi}{12} sin 12 5 π を求めよ。
解答 代数形式で計算すると
( 3 + i ) ( 1 + i ) = 3 + 3 i + i + i 2 = ( 3 − 1 ) + ( 3 + 1 ) i . (\sqrt{3} + i)(1 + i) = \sqrt{3} + \sqrt{3}i + i + i^2 = (\sqrt{3} - 1) + (\sqrt{3} + 1)i. ( 3 + i ) ( 1 + i ) = 3 + 3 i + i + i 2 = ( 3 − 1 ) + ( 3 + 1 ) i .
極形式では,3 + i = 2 ( cos π 6 + i sin π 6 ) \sqrt{3} + i = 2\left(\cos\dfrac{\pi}{6} + i\sin\dfrac{\pi}{6}\right) 3 + i = 2 ( cos 6 π + i sin 6 π ) ,1 + i = 2 ( cos π 4 + i sin π 4 ) 1 + i = \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right) 1 + i = 2 ( cos 4 π + i sin 4 π ) であるから,積は
2 2 ( cos 5 π 12 + i sin 5 π 12 ) . 2\sqrt{2}\left(\cos\frac{5\pi}{12} + i\sin\frac{5\pi}{12}\right). 2 2 ( cos 12 5 π + i sin 12 5 π ) .
2 2 2 つの式は等しいから,実部と虚部をそれぞれ比較して
cos 5 π 12 = 3 − 1 2 2 = 6 − 2 4 , sin 5 π 12 = 3 + 1 2 2 = 6 + 2 4 . \cos\frac{5\pi}{12} = \frac{\sqrt{3} - 1}{2\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{6} - \sqrt{2}}{4}, \qquad \sin\frac{5\pi}{12} = \frac{\sqrt{3} + 1}{2\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{6} + \sqrt{2}}{4}. cos 12 5 π = 2 2 3 − 1 = 4 6 − 2 , sin 12 5 π = 2 2 3 + 1 = 4 6 + 2 .
中文翻译 题目:计算 ( 3 + i ) ( 1 + i ) (\sqrt{3} + i)(1 + i) ( 3 + i ) ( 1 + i ) ,并由此求 cos 5 π 12 \cos\dfrac{5\pi}{12} cos 12 5 π 、sin 5 π 12 \sin\dfrac{5\pi}{12} sin 12 5 π 。解答:代数形式:( 3 + i ) ( 1 + i ) = 3 + 3 i + i + i 2 = ( 3 − 1 ) + ( 3 + 1 ) i (\sqrt{3} + i)(1 + i) = \sqrt{3} + \sqrt{3}i + i + i^2 = (\sqrt{3} - 1) + (\sqrt{3} + 1)i ( 3 + i ) ( 1 + i ) = 3 + 3 i + i + i 2 = ( 3 − 1 ) + ( 3 + 1 ) i 。极形式:3 + i = 2 ( cos π 6 + i sin π 6 ) \sqrt{3} + i = 2\left(\cos\dfrac{\pi}{6} + i\sin\dfrac{\pi}{6}\right) 3 + i = 2 ( cos 6 π + i sin 6 π ) ,1 + i = 2 ( cos π 4 + i sin π 4 ) 1 + i = \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right) 1 + i = 2 ( cos 4 π + i sin 4 π ) ,积为 2 2 ( cos 5 π 12 + i sin 5 π 12 ) 2\sqrt{2}\left(\cos\frac{5\pi}{12} + i\sin\frac{5\pi}{12}\right) 2 2 ( cos 12 5 π + i sin 12 5 π ) 。两式相等,实部、虚部分别相等:cos 5 π 12 = 3 − 1 2 2 = 6 − 2 4 \cos\frac{5\pi}{12} = \frac{\sqrt{3} - 1}{2\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{6} - \sqrt{2}}{4} cos 12 5 π = 2 2 3 − 1 = 4 6 − 2 ,sin 5 π 12 = 3 + 1 2 2 = 6 + 2 4 \sin\frac{5\pi}{12} = \frac{\sqrt{3} + 1}{2\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{6} + \sqrt{2}}{4} sin 12 5 π = 2 2 3 + 1 = 4 6 + 2 。
解说 最后一步分母有理化,EJU 填空时必须这样写:3 − 1 2 2 = ( 3 − 1 ) 2 4 = 6 − 2 4 \dfrac{\sqrt{3} - 1}{2\sqrt{2}} = \dfrac{(\sqrt{3} - 1)\sqrt{2}}{4} = \dfrac{\sqrt{6} - \sqrt{2}}{4} 2 2 3 − 1 = 4 ( 3 − 1 ) 2 = 4 6 − 2 。同一个积用代数形式、极形式各算一次,实部对实部、虚部对虚部,就能读出非特殊角的三角函数值;这也是两角和公式的来源。
例 3 (场景:求积商的偏角和模)
問題 α = 1 + i \alpha = 1 + i α = 1 + i ,β = 1 − 3 i \beta = 1 - \sqrt{3}i β = 1 − 3 i とする。α 2 β \dfrac{\alpha^2}{\beta} β α 2 の絶対値と偏角 θ \theta θ (0 ≦ θ < 2 π 0 \leqq \theta < 2\pi 0 ≦ θ < 2 π )を求め,a + b i a + bi a + bi の形に表せ。
解答 α = 2 ( cos π 4 + i sin π 4 ) \alpha = \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right) α = 2 ( cos 4 π + i sin 4 π ) である。また β \beta β の絶対値は 2 2 2 で,点 ( 1 , − 3 ) (1, -\sqrt{3}) ( 1 , − 3 ) は第 4 4 4 象限にあるから,β = 2 ( cos 5 π 3 + i sin 5 π 3 ) \beta = 2\left(\cos\dfrac{5\pi}{3} + i\sin\dfrac{5\pi}{3}\right) β = 2 ( cos 3 5 π + i sin 3 5 π ) である。
∣ α 2 β ∣ = ( 2 ) 2 2 = 1 , arg α 2 β = 2 ⋅ π 4 − 5 π 3 = − 7 π 6 . \left\lvert \frac{\alpha^2}{\beta} \right\rvert = \frac{(\sqrt{2})^2}{2} = 1, \qquad \arg\frac{\alpha^2}{\beta} = 2 \cdot \frac{\pi}{4} - \frac{5\pi}{3} = -\frac{7\pi}{6}. β α 2 = 2 ( 2 ) 2 = 1 , arg β α 2 = 2 ⋅ 4 π − 3 5 π = − 6 7 π .
2 π 2\pi 2 π を加えて範囲に戻すと θ = 5 π 6 \theta = \dfrac{5\pi}{6} θ = 6 5 π である。よって
α 2 β = cos 5 π 6 + i sin 5 π 6 = − 3 2 + 1 2 i . \frac{\alpha^2}{\beta} = \cos\frac{5\pi}{6} + i\sin\frac{5\pi}{6} = -\frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{1}{2}i. β α 2 = cos 6 5 π + i sin 6 5 π = − 2 3 + 2 1 i .
中文翻译 题目:α = 1 + i \alpha = 1 + i α = 1 + i ,β = 1 − 3 i \beta = 1 - \sqrt{3}i β = 1 − 3 i 。求 α 2 β \dfrac{\alpha^2}{\beta} β α 2 的模和偏角 θ \theta θ (0 ≤ θ < 2 π 0 \le \theta < 2\pi 0 ≤ θ < 2 π ),并写成 a + b i a + bi a + bi 的形式。解答:α = 2 ( cos π 4 + i sin π 4 ) \alpha = \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right) α = 2 ( cos 4 π + i sin 4 π ) ;β \beta β 的模是 2,点 ( 1 , − 3 ) (1, -\sqrt{3}) ( 1 , − 3 ) 在第四象限,β = 2 ( cos 5 π 3 + i sin 5 π 3 ) \beta = 2\left(\cos\dfrac{5\pi}{3} + i\sin\dfrac{5\pi}{3}\right) β = 2 ( cos 3 5 π + i sin 3 5 π ) 。∣ α 2 β ∣ = ( 2 ) 2 2 = 1 \left\lvert \frac{\alpha^2}{\beta} \right\rvert = \frac{(\sqrt{2})^2}{2} = 1 β α 2 = 2 ( 2 ) 2 = 1 ,arg α 2 β = 2 ⋅ π 4 − 5 π 3 = − 7 π 6 \arg\frac{\alpha^2}{\beta} = 2 \cdot \frac{\pi}{4} - \frac{5\pi}{3} = -\frac{7\pi}{6} arg β α 2 = 2 ⋅ 4 π − 3 5 π = − 6 7 π 。加 2 π 2\pi 2 π 调回范围:θ = 5 π 6 \theta = \dfrac{5\pi}{6} θ = 6 5 π 。所以 α 2 β = cos 5 π 6 + i sin 5 π 6 = − 3 2 + 1 2 i \frac{\alpha^2}{\beta} = \cos\frac{5\pi}{6} + i\sin\frac{5\pi}{6} = -\frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{1}{2}i β α 2 = cos 6 5 π + i sin 6 5 π = − 2 3 + 2 1 i 。
解说 另一种解法 :直接算。α 2 = 2 i \alpha^2 = 2i α 2 = 2 i ,2 i 1 − 3 i = 2 i ( 1 + 3 i ) 1 + 3 = 2 i − 2 3 4 = − 3 2 + 1 2 i \frac{2i}{1 - \sqrt{3}i} = \frac{2i(1 + \sqrt{3}i)}{1 + 3} = \frac{2i - 2\sqrt{3}}{4} = -\frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{1}{2}i 1 − 3 i 2 i = 1 + 3 2 i ( 1 + 3 i ) = 4 2 i − 2 3 = − 2 3 + 2 1 i ,再读出模 1、偏角 5 π 6 \dfrac{5\pi}{6} 6 5 π 。题目先问偏角、后问代数形式时用极形式快;只问代数形式、而且幂次低时直接算也很快,并且不会出偏角范围的错。偏角 − 7 π 6 -\dfrac{7\pi}{6} − 6 7 π 不在 0 ≤ θ < 2 π 0 \le \theta < 2\pi 0 ≤ θ < 2 π 内,要加 2 π 2\pi 2 π 调回。
例 4 (场景:绕原点旋转并放大)
問題 点 2 + 4 i 2 + 4i 2 + 4 i を原点のまわりに正の向きに π 4 \dfrac{\pi}{4} 4 π だけ回転し,さらに原点からの距離を 2 \sqrt{2} 2 倍にした点を求めよ。
解答 2 ( cos π 4 + i sin π 4 ) = 1 + i \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right) = 1 + i 2 ( cos 4 π + i sin 4 π ) = 1 + i を掛ければよい。
( 2 + 4 i ) ( 1 + i ) = 2 + 2 i + 4 i + 4 i 2 = − 2 + 6 i . (2 + 4i)(1 + i) = 2 + 2i + 4i + 4i^2 = -2 + 6i. ( 2 + 4 i ) ( 1 + i ) = 2 + 2 i + 4 i + 4 i 2 = − 2 + 6 i .
中文翻译 题目:把点 2 + 4 i 2 + 4i 2 + 4 i 绕原点逆时针旋转 π 4 \dfrac{\pi}{4} 4 π ,再把到原点的距离变成 2 \sqrt{2} 2 倍,求所得的点。解答:乘 2 ( cos π 4 + i sin π 4 ) = 1 + i \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right) = 1 + i 2 ( cos 4 π + i sin 4 π ) = 1 + i :( 2 + 4 i ) ( 1 + i ) = 2 + 2 i + 4 i + 4 i 2 = − 2 + 6 i (2 + 4i)(1 + i) = 2 + 2i + 4i + 4i^2 = -2 + 6i ( 2 + 4 i ) ( 1 + i ) = 2 + 2 i + 4 i + 4 i 2 = − 2 + 6 i 。
解说 “旋转 π 4 \dfrac{\pi}{4} 4 π 再放大 2 \sqrt{2} 2 倍”正好合成一个乘法因子 2 ( cos π 4 + i sin π 4 ) = 1 + i \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right) = 1 + i 2 ( cos 4 π + i sin 4 π ) = 1 + i ,所以只需做一次乘法。逆时针是日文的「正の向き」;顺时针则要乘 cos ( − π 4 ) + i sin ( − π 4 ) \cos\left(-\dfrac{\pi}{4}\right) + i\sin\left(-\dfrac{\pi}{4}\right) cos ( − 4 π ) + i sin ( − 4 π ) 再乘 2 \sqrt{2} 2 ,结果不同,读题时先确认方向。
z ‾ = r { cos ( − θ ) + i sin ( − θ ) } \overline{z} = r\left\{\cos(-\theta) + i\sin(-\theta)\right\} z = r { cos ( − θ ) + i sin ( − θ ) } ,1 z = 1 r { cos ( − θ ) + i sin ( − θ ) } \dfrac{1}{z} = \dfrac{1}{r}\left\{\cos(-\theta) + i\sin(-\theta)\right\} z 1 = r 1 { cos ( − θ ) + i sin ( − θ ) } ,即 arg z ‾ = arg 1 z = − arg z \arg\overline{z} = \arg\dfrac{1}{z} = -\arg z arg z = arg z 1 = − arg z 。推导:国内书第 17 章 17.5 节常用推论。
乘 i i i 是逆时针转 π 2 \dfrac{\pi}{2} 2 π ,乘 − i -i − i 是顺时针转 π 2 \dfrac{\pi}{2} 2 π ,乘 − 1 -1 − 1 是转 π \pi π 。推导:i = cos π 2 + i sin π 2 i = \cos\dfrac{\pi}{2} + i\sin\dfrac{\pi}{2} i = cos 2 π + i sin 2 π ,模为 1。
乘 1 + i 1 + i 1 + i 是“转 π 4 \dfrac{\pi}{4} 4 π 、放大 2 \sqrt{2} 2 倍”;乘 1 + 3 i 2 \dfrac{1 + \sqrt{3}i}{2} 2 1 + 3 i 是“转 π 3 \dfrac{\pi}{3} 3 π ”;乘 3 + i 2 \dfrac{\sqrt{3} + i}{2} 2 3 + i 是“转 π 6 \dfrac{\pi}{6} 6 π ”。推导:把这些数写成极形式。EJU 常用这几个,最好记住。
arg β α \arg\dfrac{\beta}{\alpha} arg α β 是从线段 0 α 0\alpha 0 α 转到线段 0 β 0\beta 0 β 的角。推导:商的偏角是偏角之差。17.6 节把它推广到任意顶点。
错在哪 :说 − 2 ( cos π 6 + i sin π 6 ) -2\left(\cos\dfrac{\pi}{6} + i\sin\dfrac{\pi}{6}\right) − 2 ( cos 6 π + i sin 6 π ) 的模是 − 2 -2 − 2 、偏角是 π 6 \dfrac{\pi}{6} 6 π 。
为什么错 :极形式要求 r > 0 r > 0 r > 0 ;前面的负号相当于再乘 cos π + i sin π \cos\pi + i\sin\pi cos π + i sin π ,点在第三象限。
正确做法 :写成 2 ( cos 7 π 6 + i sin 7 π 6 ) 2\left(\cos\dfrac{7\pi}{6} + i\sin\dfrac{7\pi}{6}\right) 2 ( cos 6 7 π + i sin 6 7 π ) ,模 2、偏角 7 π 6 \dfrac{7\pi}{6} 6 7 π 。
错在哪 :例 3 写偏角 − 7 π 6 -\dfrac{7\pi}{6} − 6 7 π 就交卷。
为什么错 :题目要求 0 ≤ θ < 2 π 0 \le \theta < 2\pi 0 ≤ θ < 2 π ,− 7 π 6 -\dfrac{7\pi}{6} − 6 7 π 不在范围内,填空格对不上。
正确做法 :偏角相加减之后,加减 2 π 2\pi 2 π 调回题目的范围。
错在哪 :sin α + i cos α \sin\alpha + i\cos\alpha sin α + i cos α 的偏角写成 α \alpha α 。
为什么错 :极形式是余弦在前;正弦在前时实部是 sin α \sin\alpha sin α ,对应的角是 π 2 − α \dfrac{\pi}{2} - \alpha 2 π − α 。
正确做法 :先用 sin α = cos ( π 2 − α ) \sin\alpha = \cos\left(\dfrac{\pi}{2} - \alpha\right) sin α = cos ( 2 π − α ) 、cos α = sin ( π 2 − α ) \cos\alpha = \sin\left(\dfrac{\pi}{2} - \alpha\right) cos α = sin ( 2 π − α ) 换成标准格式。
极形式把复数说成“多长、朝哪”。乘法就是“长度相乘、方向相加”:乘一个模为 1 的数是纯旋转,乘一个正实数是纯放大。所以乘法在复平面上是一个“转一下再拉一下”的动作,这是复数能用来解几何题的根本原因。
例 2 的方法也说明了两角和公式从哪来:两个复数相乘时,实部是”cos cos − sin sin \cos\cos - \sin\sin cos cos − sin sin “,虚部是”sin cos + cos sin \sin\cos + \cos\sin sin cos + cos sin “。
前置:国内书第 17 章 17.5 节,三角形式和积的公式。
前置:国内书第 13 章 13.2、13.3 节,两角和公式和二倍角公式。
后续:17.4 节,积的公式反复用就是棣莫弗定理。
后续:17.6 节,绕任意点的旋转和两直线的夹角。
本书第 18 章 式と曲線:极坐标 ( r , θ ) (r, \theta) ( r , θ ) 和极形式是同一套“长度 + 方向”的描述。
ド・モアブルの定理 (棣莫弗定理):对任意整数 n n n ,
( cos θ + i sin θ ) n = cos n θ + i sin n θ . (\cos\theta + i\sin\theta)^n = \cos n\theta + i\sin n\theta. ( cos θ + i sin θ ) n = cos n θ + i sin n θ .
于是 z = r ( cos θ + i sin θ ) z = r(\cos\theta + i\sin\theta) z = r ( cos θ + i sin θ ) 的 n n n 次幂是
z n = r n ( cos n θ + i sin n θ ) . z^n = r^n(\cos n\theta + i\sin n\theta). z n = r n ( cos n θ + i sin n θ ) .
模变成 n n n 次方,偏角变成 n n n 倍。n n n 可以是 0 和负整数:z 0 = 1 z^0 = 1 z 0 = 1 ,z − n = 1 z n z^{-n} = \dfrac{1}{z^n} z − n = z n 1 。
国内书第 17 章 17.5 节只把它当推论提了一句(n n n 为正整数),EJU 把它当一个独立的中项目,常和”z n z^n z n 何时是实数”、“z n = a z^n = a z n = a 的解”一起考。
题目要求 ( 1 + 3 i ) 7 (1 + \sqrt{3}i)^7 ( 1 + 3 i ) 7 、( 1 − i ) − 6 (1 - i)^{-6} ( 1 − i ) − 6 这类高次幂或负次幂:化极形式,模取 n n n 次方、偏角乘 n n n 。
题目问“使 z n z^n z n 为实数(纯虚数、等于 1)的最小自然数 n n n ”:看 n θ n\theta n θ 什么时候是 π \pi π 的整数倍(π 2 \dfrac{\pi}{2} 2 π 的奇数倍、2 π 2\pi 2 π 的整数倍)。
题目给出 z + 1 z = 3 z + \dfrac{1}{z} = \sqrt{3} z + z 1 = 3 之类,问 z n + 1 z n z^n + \dfrac{1}{z^n} z n + z n 1 :先解出 z = cos θ + i sin θ z = \cos\theta + i\sin\theta z = cos θ + i sin θ ,再用 z n + z − n = 2 cos n θ z^n + z^{-n} = 2\cos n\theta z n + z − n = 2 cos n θ 。
定理只对“标准极形式”成立。( sin θ + i cos θ ) n (\sin\theta + i\cos\theta)^n ( sin θ + i cos θ ) n 不等于 sin n θ + i cos n θ \sin n\theta + i\cos n\theta sin n θ + i cos n θ ,要先换成 cos ( π 2 − θ ) + i sin ( π 2 − θ ) \cos\left(\dfrac{\pi}{2} - \theta\right) + i\sin\left(\dfrac{\pi}{2} - \theta\right) cos ( 2 π − θ ) + i sin ( 2 π − θ ) 。
模也要 n n n 次方。( 1 + 3 i ) 7 (1 + \sqrt{3}i)^7 ( 1 + 3 i ) 7 的模是 2 7 = 128 2^7 = 128 2 7 = 128 ,不是 2。
偏角乘 n n n 之后往往超过 2 π 2\pi 2 π ,先减去 2 π 2\pi 2 π 的整数倍再求三角函数值。
EJU 题干:「ド・モアブルの定理を用いると」「z n z^n z n が実数となる最小の自然数 n n n は」「z n z^n z n が純虚数となる」。
n n n 是正整数 :用数学归纳法(国内书第 23 章 23.6 节)。n = 1 n = 1 n = 1 时显然成立。设 n = k n = k n = k 时成立,则
( cos θ + i sin θ ) k + 1 = ( cos k θ + i sin k θ ) ( cos θ + i sin θ ) = cos ( k + 1 ) θ + i sin ( k + 1 ) θ . (\cos\theta + i\sin\theta)^{k + 1} = (\cos k\theta + i\sin k\theta)(\cos\theta + i\sin\theta) = \cos(k + 1)\theta + i\sin(k + 1)\theta. ( cos θ + i sin θ ) k + 1 = ( cos k θ + i sin k θ ) ( cos θ + i sin θ ) = cos ( k + 1 ) θ + i sin ( k + 1 ) θ .
(关键一步 :第二个等号用的是 17.3 节积的公式,模 1 × 1 = 1 1 \times 1 = 1 1 × 1 = 1 ,偏角 k θ + θ k\theta + \theta k θ + θ 。)所以 n = k + 1 n = k + 1 n = k + 1 时也成立。
n = 0 n = 0 n = 0 :两边都是 1。
n n n 是负整数 :设 n = − m n = -m n = − m ,m m m 是正整数。由商的公式,
( cos θ + i sin θ ) − m = 1 cos m θ + i sin m θ = cos ( − m θ ) + i sin ( − m θ ) = cos n θ + i sin n θ . (\cos\theta + i\sin\theta)^{-m} = \frac{1}{\cos m\theta + i\sin m\theta} = \cos(-m\theta) + i\sin(-m\theta) = \cos n\theta + i\sin n\theta. ( cos θ + i sin θ ) − m = cos m θ + i sin m θ 1 = cos ( − m θ ) + i sin ( − m θ ) = cos n θ + i sin n θ .
例 1 (场景:高次幂、负次幂)
問題 ( 1 + 3 i ) 7 (1 + \sqrt{3}i)^7 ( 1 + 3 i ) 7 と ( 1 − i ) − 6 (1 - i)^{-6} ( 1 − i ) − 6 を計算せよ。
解答 1 + 3 i = 2 ( cos π 3 + i sin π 3 ) 1 + \sqrt{3}i = 2\left(\cos\dfrac{\pi}{3} + i\sin\dfrac{\pi}{3}\right) 1 + 3 i = 2 ( cos 3 π + i sin 3 π ) であるから,ド・モアブルの定理より
( 1 + 3 i ) 7 = 2 7 ( cos 7 π 3 + i sin 7 π 3 ) = 128 ( cos π 3 + i sin π 3 ) = 64 + 64 3 i . (1 + \sqrt{3}i)^7 = 2^7\left(\cos\frac{7\pi}{3} + i\sin\frac{7\pi}{3}\right) = 128\left(\cos\frac{\pi}{3} + i\sin\frac{\pi}{3}\right) = 64 + 64\sqrt{3}i. ( 1 + 3 i ) 7 = 2 7 ( cos 3 7 π + i sin 3 7 π ) = 128 ( cos 3 π + i sin 3 π ) = 64 + 64 3 i .
ここで 7 π 3 = 2 π + π 3 \dfrac{7\pi}{3} = 2\pi + \dfrac{\pi}{3} 3 7 π = 2 π + 3 π である。また,1 − i = 2 { cos ( − π 4 ) + i sin ( − π 4 ) } 1 - i = \sqrt{2}\left\{\cos\left(-\dfrac{\pi}{4}\right) + i\sin\left(-\dfrac{\pi}{4}\right)\right\} 1 − i = 2 { cos ( − 4 π ) + i sin ( − 4 π ) } であるから
( 1 − i ) − 6 = ( 2 ) − 6 ( cos 3 π 2 + i sin 3 π 2 ) = 1 8 ( 0 − i ) = − 1 8 i . (1 - i)^{-6} = (\sqrt{2})^{-6}\left(\cos\frac{3\pi}{2} + i\sin\frac{3\pi}{2}\right) = \frac{1}{8}(0 - i) = -\frac{1}{8}i. ( 1 − i ) − 6 = ( 2 ) − 6 ( cos 2 3 π + i sin 2 3 π ) = 8 1 ( 0 − i ) = − 8 1 i .
中文翻译 题目:计算 ( 1 + 3 i ) 7 (1 + \sqrt{3}i)^7 ( 1 + 3 i ) 7 和 ( 1 − i ) − 6 (1 - i)^{-6} ( 1 − i ) − 6 。解答:1 + 3 i = 2 ( cos π 3 + i sin π 3 ) 1 + \sqrt{3}i = 2\left(\cos\dfrac{\pi}{3} + i\sin\dfrac{\pi}{3}\right) 1 + 3 i = 2 ( cos 3 π + i sin 3 π ) ,由棣莫弗定理 ( 1 + 3 i ) 7 = 2 7 ( cos 7 π 3 + i sin 7 π 3 ) = 128 ( cos π 3 + i sin π 3 ) = 64 + 64 3 i (1 + \sqrt{3}i)^7 = 2^7\left(\cos\frac{7\pi}{3} + i\sin\frac{7\pi}{3}\right) = 128\left(\cos\frac{\pi}{3} + i\sin\frac{\pi}{3}\right) = 64 + 64\sqrt{3}i ( 1 + 3 i ) 7 = 2 7 ( cos 3 7 π + i sin 3 7 π ) = 128 ( cos 3 π + i sin 3 π ) = 64 + 64 3 i 。这里 7 π 3 = 2 π + π 3 \dfrac{7\pi}{3} = 2\pi + \dfrac{\pi}{3} 3 7 π = 2 π + 3 π 。又 1 − i = 2 { cos ( − π 4 ) + i sin ( − π 4 ) } 1 - i = \sqrt{2}\left\{\cos\left(-\dfrac{\pi}{4}\right) + i\sin\left(-\dfrac{\pi}{4}\right)\right\} 1 − i = 2 { cos ( − 4 π ) + i sin ( − 4 π ) } ,所以 ( 1 − i ) − 6 = ( 2 ) − 6 ( cos 3 π 2 + i sin 3 π 2 ) = 1 8 ( 0 − i ) = − 1 8 i (1 - i)^{-6} = (\sqrt{2})^{-6}\left(\cos\frac{3\pi}{2} + i\sin\frac{3\pi}{2}\right) = \frac{1}{8}(0 - i) = -\frac{1}{8}i ( 1 − i ) − 6 = ( 2 ) − 6 ( cos 2 3 π + i sin 2 3 π ) = 8 1 ( 0 − i ) = − 8 1 i 。
解说 另一种解法 (第二问):( 1 − i ) 2 = 1 − 2 i + i 2 = − 2 i (1 - i)^2 = 1 - 2i + i^2 = -2i ( 1 − i ) 2 = 1 − 2 i + i 2 = − 2 i ,所以 ( 1 − i ) 6 = ( − 2 i ) 3 = − 8 i 3 = 8 i (1 - i)^6 = (-2i)^3 = -8i^3 = 8i ( 1 − i ) 6 = ( − 2 i ) 3 = − 8 i 3 = 8 i ,( 1 − i ) − 6 = 1 8 i = − i 8 (1 - i)^{-6} = \dfrac{1}{8i} = -\dfrac{i}{8} ( 1 − i ) − 6 = 8 i 1 = − 8 i 。底数平方后正好是纯虚数时,这样口算更快;底数的偏角是 π 3 \dfrac{\pi}{3} 3 π 、π 6 \dfrac{\pi}{6} 6 π 这类时,平方得不到简单的数,还是用棣莫弗。另外注意模也要取 n n n 次方:( 1 + 3 i ) 7 (1 + \sqrt{3}i)^7 ( 1 + 3 i ) 7 的模是 2 7 = 128 2^7 = 128 2 7 = 128 ,不是 2。
例 2 (场景:z n z^n z n 为实数、纯虚数的 n n n )
問題 z = 3 + i 1 + i z = \dfrac{\sqrt{3} + i}{1 + i} z = 1 + i 3 + i とする。z n z^n z n が実数となる最小の自然数 n n n と,そのときの z n z^n z n の値を求めよ。また,z n z^n z n が純虚数となる最小の自然数 n n n と,そのときの z n z^n z n を求めよ。
解答 分子は 2 ( cos π 6 + i sin π 6 ) 2\left(\cos\dfrac{\pi}{6} + i\sin\dfrac{\pi}{6}\right) 2 ( cos 6 π + i sin 6 π ) ,分母は 2 ( cos π 4 + i sin π 4 ) \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right) 2 ( cos 4 π + i sin 4 π ) であるから
z = 2 { cos ( − π 12 ) + i sin ( − π 12 ) } , z n = ( 2 ) n { cos ( − n π 12 ) + i sin ( − n π 12 ) } . z = \sqrt{2}\left\{\cos\left(-\frac{\pi}{12}\right) + i\sin\left(-\frac{\pi}{12}\right)\right\}, \qquad z^n = (\sqrt{2})^n\left\{\cos\left(-\frac{n\pi}{12}\right) + i\sin\left(-\frac{n\pi}{12}\right)\right\}. z = 2 { cos ( − 12 π ) + i sin ( − 12 π ) } , z n = ( 2 ) n { cos ( − 12 nπ ) + i sin ( − 12 nπ ) } .
実数となるのは sin n π 12 = 0 \sin\dfrac{n\pi}{12} = 0 sin 12 nπ = 0 ,すなわち n π 12 \dfrac{n\pi}{12} 12 nπ が π \pi π の整数倍となるときで,最小の n n n は 12 12 12 。このとき z 12 = ( 2 ) 12 ( cos ( − π ) + i sin ( − π ) ) = 64 × ( − 1 ) = − 64 z^{12} = (\sqrt{2})^{12}\left(\cos(-\pi) + i\sin(-\pi)\right) = 64 \times (-1) = -64 z 12 = ( 2 ) 12 ( cos ( − π ) + i sin ( − π ) ) = 64 × ( − 1 ) = − 64 。
純虚数となるのは cos n π 12 = 0 \cos\dfrac{n\pi}{12} = 0 cos 12 nπ = 0 ,すなわち n π 12 = π 2 + k π \dfrac{n\pi}{12} = \dfrac{\pi}{2} + k\pi 12 nπ = 2 π + k π となるときで,最小の n n n は 6 6 6 。このとき z 6 = 8 { cos ( − π 2 ) + i sin ( − π 2 ) } = − 8 i z^6 = 8\left\{\cos\left(-\dfrac{\pi}{2}\right) + i\sin\left(-\dfrac{\pi}{2}\right)\right\} = -8i z 6 = 8 { cos ( − 2 π ) + i sin ( − 2 π ) } = − 8 i 。
中文翻译 题目:z = 3 + i 1 + i z = \dfrac{\sqrt{3} + i}{1 + i} z = 1 + i 3 + i 。求使 z n z^n z n 为实数的最小自然数 n n n 和这时 z n z^n z n 的值;再求使 z n z^n z n 为纯虚数的最小自然数 n n n 和 z n z^n z n 。解答:分子 2 ( cos π 6 + i sin π 6 ) 2\left(\cos\dfrac{\pi}{6} + i\sin\dfrac{\pi}{6}\right) 2 ( cos 6 π + i sin 6 π ) ,分母 2 ( cos π 4 + i sin π 4 ) \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right) 2 ( cos 4 π + i sin 4 π ) ,z = 2 { cos ( − π 12 ) + i sin ( − π 12 ) } z = \sqrt{2}\left\{\cos\left(-\frac{\pi}{12}\right) + i\sin\left(-\frac{\pi}{12}\right)\right\} z = 2 { cos ( − 12 π ) + i sin ( − 12 π ) } ,z n = ( 2 ) n { cos ( − n π 12 ) + i sin ( − n π 12 ) } z^n = (\sqrt{2})^n\left\{\cos\left(-\frac{n\pi}{12}\right) + i\sin\left(-\frac{n\pi}{12}\right)\right\} z n = ( 2 ) n { cos ( − 12 nπ ) + i sin ( − 12 nπ ) } 。实数:sin n π 12 = 0 \sin\dfrac{n\pi}{12} = 0 sin 12 nπ = 0 ,n π 12 \dfrac{n\pi}{12} 12 nπ 是 π \pi π 的整数倍,最小 n = 12 n = 12 n = 12 ,此时 z 12 = ( 2 ) 12 ( cos ( − π ) + i sin ( − π ) ) = 64 × ( − 1 ) = − 64 z^{12} = (\sqrt{2})^{12}\left(\cos(-\pi) + i\sin(-\pi)\right) = 64 \times (-1) = -64 z 12 = ( 2 ) 12 ( cos ( − π ) + i sin ( − π ) ) = 64 × ( − 1 ) = − 64 。纯虚数:cos n π 12 = 0 \cos\dfrac{n\pi}{12} = 0 cos 12 nπ = 0 ,n π 12 = π 2 + k π \dfrac{n\pi}{12} = \dfrac{\pi}{2} + k\pi 12 nπ = 2 π + k π ,最小 n = 6 n = 6 n = 6 ,此时 z 6 = 8 { cos ( − π 2 ) + i sin ( − π 2 ) } = − 8 i z^6 = 8\left\{\cos\left(-\dfrac{\pi}{2}\right) + i\sin\left(-\dfrac{\pi}{2}\right)\right\} = -8i z 6 = 8 { cos ( − 2 π ) + i sin ( − 2 π ) } = − 8 i 。
解说 容易卡在:直接展开 z z z 的代数形式,得到 ( 3 + 1 ) + ( 1 − 3 ) i 2 \dfrac{(\sqrt{3} + 1) + (1 - \sqrt{3})i}{2} 2 ( 3 + 1 ) + ( 1 − 3 ) i ,之后就算不下去了。商先化极形式。求”z n z^n z n 为实数“时不要只想着正实数:负实数也是实数,n π 12 = π \dfrac{n\pi}{12} = \pi 12 nπ = π 时 z 12 = − 64 z^{12} = -64 z 12 = − 64 已经是实数,所以条件是 π \pi π 的整数倍,不是 2 π 2\pi 2 π 的整数倍。
例 3 (场景:z + 1 z z + \dfrac{1}{z} z + z 1 型)
問題 複素数 z z z が z + 1 z = 3 z + \dfrac{1}{z} = \sqrt{3} z + z 1 = 3 を満たしている。z 10 + 1 z 10 z^{10} + \dfrac{1}{z^{10}} z 10 + z 10 1 を求めよ。
解答 両辺に z z z を掛けると z 2 − 3 z + 1 = 0 z^2 - \sqrt{3}z + 1 = 0 z 2 − 3 z + 1 = 0 であるから,z = 3 ± i 2 = cos ( ± π 6 ) + i sin ( ± π 6 ) z = \dfrac{\sqrt{3} \pm i}{2} = \cos\left(\pm\dfrac{\pi}{6}\right) + i\sin\left(\pm\dfrac{\pi}{6}\right) z = 2 3 ± i = cos ( ± 6 π ) + i sin ( ± 6 π ) (複号同順)。θ = ± π 6 \theta = \pm\dfrac{\pi}{6} θ = ± 6 π とおくと
z 10 + z − 10 = ( cos 10 θ + i sin 10 θ ) + ( cos 10 θ − i sin 10 θ ) = 2 cos 10 θ = 2 cos 5 π 3 = 1. z^{10} + z^{-10} = (\cos 10\theta + i\sin 10\theta) + (\cos 10\theta - i\sin 10\theta) = 2\cos 10\theta = 2\cos\frac{5\pi}{3} = 1. z 10 + z − 10 = ( cos 10 θ + i sin 10 θ ) + ( cos 10 θ − i sin 10 θ ) = 2 cos 10 θ = 2 cos 3 5 π = 1.
2 2 2 つの z z z で結果が同じになるのは,cos \cos cos が偶関数だからである。
中文翻译 题目:复数 z z z 满足 z + 1 z = 3 z + \dfrac{1}{z} = \sqrt{3} z + z 1 = 3 。求 z 10 + 1 z 10 z^{10} + \dfrac{1}{z^{10}} z 10 + z 10 1 。解答:两边乘 z z z :z 2 − 3 z + 1 = 0 z^2 - \sqrt{3}z + 1 = 0 z 2 − 3 z + 1 = 0 ,z = 3 ± i 2 = cos ( ± π 6 ) + i sin ( ± π 6 ) z = \dfrac{\sqrt{3} \pm i}{2} = \cos\left(\pm\dfrac{\pi}{6}\right) + i\sin\left(\pm\dfrac{\pi}{6}\right) z = 2 3 ± i = cos ( ± 6 π ) + i sin ( ± 6 π ) (复号同顺)。取 θ = ± π 6 \theta = \pm\dfrac{\pi}{6} θ = ± 6 π ,z 10 + z − 10 = ( cos 10 θ + i sin 10 θ ) + ( cos 10 θ − i sin 10 θ ) = 2 cos 10 θ = 2 cos 5 π 3 = 1 z^{10} + z^{-10} = (\cos 10\theta + i\sin 10\theta) + (\cos 10\theta - i\sin 10\theta) = 2\cos 10\theta = 2\cos\frac{5\pi}{3} = 1 z 10 + z − 10 = ( cos 10 θ + i sin 10 θ ) + ( cos 10 θ − i sin 10 θ ) = 2 cos 10 θ = 2 cos 3 5 π = 1 。两个 z z z 的结果相同,因为 cos \cos cos 是偶函数。
解说 z + 1 z = 3 z + \dfrac{1}{z} = \sqrt{3} z + z 1 = 3 型:两边乘 z z z 得二次方程,解出 z z z 后写成极形式,再用 z n + z − n = 2 cos n θ z^n + z^{-n} = 2\cos n\theta z n + z − n = 2 cos n θ 。z z z 的两个值 ± π 6 \pm\dfrac{\pi}{6} ± 6 π 互为共轭,2 cos 10 θ 2\cos 10\theta 2 cos 10 θ 相同,所以不必分开算。cos 10 θ = cos 5 π 3 = 1 2 \cos 10\theta = \cos\dfrac{5\pi}{3} = \dfrac{1}{2} cos 10 θ = cos 3 5 π = 2 1 ,乘 2 得 1。
3 倍角の公式 :cos 3 θ = 4 cos 3 θ − 3 cos θ \cos 3\theta = 4\cos^3\theta - 3\cos\theta cos 3 θ = 4 cos 3 θ − 3 cos θ ,sin 3 θ = 3 sin θ − 4 sin 3 θ \sin 3\theta = 3\sin\theta - 4\sin^3\theta sin 3 θ = 3 sin θ − 4 sin 3 θ 。推导:( cos θ + i sin θ ) 3 (\cos\theta + i\sin\theta)^3 ( cos θ + i sin θ ) 3 用二项式展开,实部 cos 3 θ − 3 cos θ sin 2 θ \cos^3\theta - 3\cos\theta\sin^2\theta cos 3 θ − 3 cos θ sin 2 θ 、虚部 3 cos 2 θ sin θ − sin 3 θ 3\cos^2\theta\sin\theta - \sin^3\theta 3 cos 2 θ sin θ − sin 3 θ ,与棣莫弗的 cos 3 θ + i sin 3 θ \cos 3\theta + i\sin 3\theta cos 3 θ + i sin 3 θ 比较,再用 sin 2 θ + cos 2 θ = 1 \sin^2\theta + \cos^2\theta = 1 sin 2 θ + cos 2 θ = 1 。
∣ z ∣ = 1 \lvert z \rvert = 1 ∣ z ∣ = 1 ,z = cos θ + i sin θ z = \cos\theta + i\sin\theta z = cos θ + i sin θ 时,z n + 1 z n = 2 cos n θ z^n + \dfrac{1}{z^n} = 2\cos n\theta z n + z n 1 = 2 cos n θ ,z n − 1 z n = 2 i sin n θ z^n - \dfrac{1}{z^n} = 2i\sin n\theta z n − z n 1 = 2 i sin n θ 。推导:z − n = cos n θ − i sin n θ z^{-n} = \cos n\theta - i\sin n\theta z − n = cos n θ − i sin n θ ,与 z n z^n z n 相加减。
z n z^n z n 为实数 ⟺ n arg z \iff n\arg z ⟺ n arg z 是 π \pi π 的整数倍;z n z^n z n 为纯虚数 ⟺ n arg z \iff n\arg z ⟺ n arg z 是 π 2 \dfrac{\pi}{2} 2 π 的奇数倍;z n = 1 ⟺ ∣ z ∣ = 1 z^n = 1 \iff \lvert z \rvert = 1 z n = 1 ⟺ ∣ z ∣ = 1 且 n arg z n\arg z n arg z 是 2 π 2\pi 2 π 的整数倍。推导:看 sin n θ \sin n\theta sin n θ 、cos n θ \cos n\theta cos n θ 哪个为 0,模为 r n r^n r n 。
错在哪 :( 1 + 3 i ) 7 = cos 7 π 3 + i sin 7 π 3 (1 + \sqrt{3}i)^7 = \cos\dfrac{7\pi}{3} + i\sin\dfrac{7\pi}{3} ( 1 + 3 i ) 7 = cos 3 7 π + i sin 3 7 π 。
为什么错 :漏了模的 7 次方,∣ 1 + 3 i ∣ = 2 \lvert 1 + \sqrt{3}i \rvert = 2 ∣ 1 + 3 i ∣ = 2 。
正确做法 :先写出 r r r ,z n z^n z n 前面乘 r n r^n r n 。
错在哪 :( sin θ + i cos θ ) 2 = sin 2 θ + i cos 2 θ (\sin\theta + i\cos\theta)^2 = \sin 2\theta + i\cos 2\theta ( sin θ + i cos θ ) 2 = sin 2 θ + i cos 2 θ 。
为什么错 :棣莫弗只对 cos θ + i sin θ \cos\theta + i\sin\theta cos θ + i sin θ 成立。取 θ = 0 \theta = 0 θ = 0 :左边是 i 2 = − 1 i^2 = -1 i 2 = − 1 ,右边是 0 + i = i 0 + i = i 0 + i = i ,不相等。
正确做法 :先写成 cos ( π 2 − θ ) + i sin ( π 2 − θ ) \cos\left(\dfrac{\pi}{2} - \theta\right) + i\sin\left(\dfrac{\pi}{2} - \theta\right) cos ( 2 π − θ ) + i sin ( 2 π − θ ) 再用定理,平方是 cos ( π − 2 θ ) + i sin ( π − 2 θ ) = − cos 2 θ + i sin 2 θ \cos(\pi - 2\theta) + i\sin(\pi - 2\theta) = -\cos 2\theta + i\sin 2\theta cos ( π − 2 θ ) + i sin ( π − 2 θ ) = − cos 2 θ + i sin 2 θ 。
错在哪 :例 2 求”z n z^n z n 为实数“时只考虑 z n z^n z n 为正实数,得 n = 24 n = 24 n = 24 。
为什么错 :负实数也是实数,n π 12 = π \dfrac{n\pi}{12} = \pi 12 nπ = π 时 z n = − 64 z^n = -64 z n = − 64 已经是实数。
正确做法 :实数的条件是 n θ = k π n\theta = k\pi n θ = k π (k k k 是整数),不是 2 k π 2k\pi 2 k π 。
z = cos θ + i sin θ z = \cos\theta + i\sin\theta z = cos θ + i sin θ 是单位圆上的点,乘 z z z 一次就沿单位圆转 θ \theta θ 。z n z^n z n 就是从 1 出发转 n n n 次,停在角 n θ n\theta n θ 的位置,这就是棣莫弗定理。模不是 1 时,每转一次还要把距离乘 r r r :r > 1 r > 1 r > 1 时点沿螺线向外走,r < 1 r < 1 r < 1 时向内走。
“z n z^n z n 何时是实数”就变成“转多少次后落在实轴上”:每次转 π 12 \dfrac{\pi}{12} 12 π ,转 12 次正好转半圈,落到负实轴。
前置:17.3 节积的公式;国内书第 23 章 23.6 节数学归纳法。
前置:国内书第 34 章 34.5 节,二项式定理(推三倍角公式时展开三次方)。
后续:17.5 节,倒过来用棣莫弗定理解 z n = a z^n = a z n = a 。
本书第 13 章 三角関数:三倍角公式在 EJU 里常由棣莫弗推出,而不是直接给出。
本书第 14 章 数列:z n z^n z n 是公比为 z z z 的等比数列,1 + z + ⋯ + z n − 1 1 + z + \dots + z^{n - 1} 1 + z + ⋯ + z n − 1 用等比求和公式。
方程式 z n = a z^n = a z n = a の解き方 (a ≠ 0 a \ne 0 a = 0 ,n n n 是正整数):把棣莫弗定理倒过来用。
把 a a a 写成极形式 a = R ( cos φ + i sin φ ) a = R(\cos\varphi + i\sin\varphi) a = R ( cos φ + i sin φ ) 。
设 z = r ( cos θ + i sin θ ) z = r(\cos\theta + i\sin\theta) z = r ( cos θ + i sin θ ) (r > 0 r > 0 r > 0 ),由棣莫弗,z n = r n ( cos n θ + i sin n θ ) z^n = r^n(\cos n\theta + i\sin n\theta) z n = r n ( cos n θ + i sin n θ ) 。
比较模:r n = R r^n = R r n = R ,r r r 是正实数,所以 r = R n r = \sqrt[n]{R} r = n R 。
比较偏角:n θ = φ + 2 k π n\theta = \varphi + 2k\pi n θ = φ + 2 k π (k k k 是整数),θ = φ n + 2 k π n \theta = \dfrac{\varphi}{n} + \dfrac{2k\pi}{n} θ = n φ + n 2 k π 。
k = 0 , 1 , … , n − 1 k = 0, 1, \dots, n - 1 k = 0 , 1 , … , n − 1 给出 n n n 个不同的解;k = n k = n k = n 又回到 k = 0 k = 0 k = 0 的点。
所以 z n = a z^n = a z n = a 在复数范围内恰好有 n n n 个解 ,它们都在以原点为中心、半径 R n \sqrt[n]{R} n R 的圆上,相邻两个的偏角差 2 π n \dfrac{2\pi}{n} n 2 π ,构成一个正 n n n 角形 的顶点。
1 の n n n 乗根 :a = 1 a = 1 a = 1 的情形。R = 1 R = 1 R = 1 ,φ = 0 \varphi = 0 φ = 0 ,解是
z k = cos 2 k π n + i sin 2 k π n ( k = 0 , 1 , … , n − 1 ) . z_k = \cos\frac{2k\pi}{n} + i\sin\frac{2k\pi}{n} \quad (k = 0, 1, \dots, n - 1). z k = cos n 2 k π + i sin n 2 k π ( k = 0 , 1 , … , n − 1 ) .
记 α = cos 2 π n + i sin 2 π n \alpha = \cos\dfrac{2\pi}{n} + i\sin\dfrac{2\pi}{n} α = cos n 2 π + i sin n 2 π ,由棣莫弗 z k = α k z_k = \alpha^k z k = α k ,所以 1 的 n n n 次方根就是 1 , α , α 2 , … , α n − 1 1, \alpha, \alpha^2, \dots, \alpha^{n - 1} 1 , α , α 2 , … , α n − 1 ,它们是内接于单位圆、有一个顶点在 1 的正 n n n 边形的顶点。n = 3 n = 3 n = 3 时就是 1 , ω , ω 2 1, \omega, \omega^2 1 , ω , ω 2 (国内书第 17 章 17.4 节常用推论里的 ω \omega ω )。
1 の n n n 乗根の性質 (n ≥ 2 n \ge 2 n ≥ 2 ,α \alpha α 同上):
1 + α + α 2 + ⋯ + α n − 1 = 0 , z n − 1 = ( z − 1 ) ( z n − 1 + z n − 2 + ⋯ + z + 1 ) . 1 + \alpha + \alpha^2 + \dots + \alpha^{n - 1} = 0, \qquad z^n - 1 = (z - 1)(z^{n - 1} + z^{n - 2} + \dots + z + 1). 1 + α + α 2 + ⋯ + α n − 1 = 0 , z n − 1 = ( z − 1 ) ( z n − 1 + z n − 2 + ⋯ + z + 1 ) .
α ≠ 1 \alpha \ne 1 α = 1 是 z n − 1 + ⋯ + z + 1 = 0 z^{n - 1} + \dots + z + 1 = 0 z n − 1 + ⋯ + z + 1 = 0 的解。
题目要求解 z 3 = 8 i z^3 = 8i z 3 = 8 i 、z 4 = − 8 + 8 3 i z^4 = -8 + 8\sqrt{3}i z 4 = − 8 + 8 3 i 这类方程:按五步做,写出全部 n n n 个解。
题目给出 α = cos 2 π 5 + i sin 2 π 5 \alpha = \cos\dfrac{2\pi}{5} + i\sin\dfrac{2\pi}{5} α = cos 5 2 π + i sin 5 2 π (或 α 5 = 1 \alpha^5 = 1 α 5 = 1 ,α ≠ 1 \alpha \ne 1 α = 1 ),求 1 + α + ⋯ + α 4 1 + \alpha + \dots + \alpha^4 1 + α + ⋯ + α 4 、( 1 − α ) ( 1 − α 2 ) ⋯ (1 - \alpha)(1 - \alpha^2)\cdots ( 1 − α ) ( 1 − α 2 ) ⋯ 、cos 2 π 5 \cos\dfrac{2\pi}{5} cos 5 2 π 等:用 α n = 1 \alpha^n = 1 α n = 1 和 1 + α + ⋯ + α n − 1 = 0 1 + \alpha + \dots + \alpha^{n - 1} = 0 1 + α + ⋯ + α n − 1 = 0 降次。
题目问方程的解在复平面上构成什么图形、面积多少:解在一个圆上构成正 n n n 边形,面积用 n n n 个等腰三角形算。
n n n 次方程有 n n n 个解,一个都不能少。z 3 = 8 z^3 = 8 z 3 = 8 的解不只是 2,还有 − 1 ± 3 i -1 \pm \sqrt{3}i − 1 ± 3 i 。
偏角的周期 2 k π 2k\pi 2 k π 要在除以 n n n 之前 加上:θ = φ + 2 k π n \theta = \dfrac{\varphi + 2k\pi}{n} θ = n φ + 2 k π ,写成 φ n + 2 k π \dfrac{\varphi}{n} + 2k\pi n φ + 2 k π 会只剩一个解。
模 r r r 是正实数,r n = R r^n = R r n = R 只取正的 n n n 次方根,不用考虑 − R n -\sqrt[n]{R} − n R (负号已经包含在偏角里)。
解写成 a + b i a + bi a + bi 时要把每个 θ \theta θ 的三角函数值算出来。偏角不是特殊角的(如 z 5 = 1 z^5 = 1 z 5 = 1 )题目一般只问性质,不要求写出代数形式。
EJU 题干:「方程式 z 3 = 8 i z^3 = 8i z 3 = 8 i の解は」「1 の 5 乗根のうち 1 でないものの 1 つを α \alpha α とする」「解を表す点を頂点とする正六角形」。
结论 1:恰好 n n n 个解。 由说明中的步骤,z z z 是解当且仅当 r = R n r = \sqrt[n]{R} r = n R 且 θ = φ + 2 k π n \theta = \dfrac{\varphi + 2k\pi}{n} θ = n φ + 2 k π (k k k 是整数)。(关键一步 :两个复数相等,当且仅当模相等、偏角相差 2 π 2\pi 2 π 的整数倍。所以 r n ( cos n θ + i sin n θ ) = R ( cos φ + i sin φ ) r^n(\cos n\theta + i\sin n\theta) = R(\cos\varphi + i\sin\varphi) r n ( cos n θ + i sin n θ ) = R ( cos φ + i sin φ ) 等价于 r n = R r^n = R r n = R 且 n θ − φ n\theta - \varphi n θ − φ 是 2 π 2\pi 2 π 的整数倍。)k = 0 , 1 , … , n − 1 k = 0, 1, \dots, n - 1 k = 0 , 1 , … , n − 1 时,θ \theta θ 落在长为 2 π 2\pi 2 π 的区间 [ φ n , φ n + 2 π ) \left[\dfrac{\varphi}{n}, \dfrac{\varphi}{n} + 2\pi\right) [ n φ , n φ + 2 π ) 内且互不相同,给出 n n n 个不同的点;其他 k k k 与其中某一个相差 n n n 的倍数,θ \theta θ 相差 2 π 2\pi 2 π 的倍数,是同一个点。
结论 2:1 + α + ⋯ + α n − 1 = 0 1 + \alpha + \dots + \alpha^{n - 1} = 0 1 + α + ⋯ + α n − 1 = 0 。 记左边为 S S S 。α S = α + α 2 + ⋯ + α n \alpha S = \alpha + \alpha^2 + \dots + \alpha^n α S = α + α 2 + ⋯ + α n ,两式相减:
( α − 1 ) S = α n − 1 = 0. (\alpha - 1)S = \alpha^n - 1 = 0. ( α − 1 ) S = α n − 1 = 0.
α ≠ 1 \alpha \ne 1 α = 1 ,所以 S = 0 S = 0 S = 0 。这就是等比数列求和(国内书第 23 章 23.3 节)。
结论 3:z n − 1 = ( z − 1 ) ( z − α ) ( z − α 2 ) ⋯ ( z − α n − 1 ) z^n - 1 = (z - 1)(z - \alpha)(z - \alpha^2)\cdots(z - \alpha^{n - 1}) z n − 1 = ( z − 1 ) ( z − α ) ( z − α 2 ) ⋯ ( z − α n − 1 ) 。 左边是 n n n 次多项式,有 n n n 个不同的根 1 , α , … , α n − 1 1, \alpha, \dots, \alpha^{n - 1} 1 , α , … , α n − 1 ;由因数定理(本书第 10 章),它能被每个 z − α k z - \alpha^k z − α k 整除,比较最高次项系数即得。
例 1 (场景:解 z n = a z^n = a z n = a )
問題 方程式 z 3 = 8 i z^3 = 8i z 3 = 8 i を解け。
解答 8 i = 8 ( cos π 2 + i sin π 2 ) 8i = 8\left(\cos\dfrac{\pi}{2} + i\sin\dfrac{\pi}{2}\right) 8 i = 8 ( cos 2 π + i sin 2 π ) である。z = r ( cos θ + i sin θ ) z = r(\cos\theta + i\sin\theta) z = r ( cos θ + i sin θ ) (r > 0 r > 0 r > 0 )とおくと
r 3 ( cos 3 θ + i sin 3 θ ) = 8 ( cos π 2 + i sin π 2 ) . r^3(\cos 3\theta + i\sin 3\theta) = 8\left(\cos\frac{\pi}{2} + i\sin\frac{\pi}{2}\right). r 3 ( cos 3 θ + i sin 3 θ ) = 8 ( cos 2 π + i sin 2 π ) .
絶対値について r 3 = 8 r^3 = 8 r 3 = 8 より r = 2 r = 2 r = 2 ,偏角について 3 θ = π 2 + 2 k π 3\theta = \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi 3 θ = 2 π + 2 k π より θ = π 6 + 2 k π 3 \theta = \dfrac{\pi}{6} + \dfrac{2k\pi}{3} θ = 6 π + 3 2 k π である。k = 0 , 1 , 2 k = 0, 1, 2 k = 0 , 1 , 2 のとき θ = π 6 , 5 π 6 , 3 π 2 \theta = \dfrac{\pi}{6}, \dfrac{5\pi}{6}, \dfrac{3\pi}{2} θ = 6 π , 6 5 π , 2 3 π で,
z = 3 + i , − 3 + i , − 2 i . z = \sqrt{3} + i, \quad -\sqrt{3} + i, \quad -2i. z = 3 + i , − 3 + i , − 2 i .
中文翻译 题目:解方程 z 3 = 8 i z^3 = 8i z 3 = 8 i 。解答:8 i = 8 ( cos π 2 + i sin π 2 ) 8i = 8\left(\cos\dfrac{\pi}{2} + i\sin\dfrac{\pi}{2}\right) 8 i = 8 ( cos 2 π + i sin 2 π ) 。设 z = r ( cos θ + i sin θ ) z = r(\cos\theta + i\sin\theta) z = r ( cos θ + i sin θ ) (r > 0 r > 0 r > 0 ),r 3 ( cos 3 θ + i sin 3 θ ) = 8 ( cos π 2 + i sin π 2 ) r^3(\cos 3\theta + i\sin 3\theta) = 8\left(\cos\frac{\pi}{2} + i\sin\frac{\pi}{2}\right) r 3 ( cos 3 θ + i sin 3 θ ) = 8 ( cos 2 π + i sin 2 π ) 。模:r 3 = 8 r^3 = 8 r 3 = 8 ,r = 2 r = 2 r = 2 ;偏角:3 θ = π 2 + 2 k π 3\theta = \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi 3 θ = 2 π + 2 k π ,θ = π 6 + 2 k π 3 \theta = \dfrac{\pi}{6} + \dfrac{2k\pi}{3} θ = 6 π + 3 2 k π 。k = 0 , 1 , 2 k = 0, 1, 2 k = 0 , 1 , 2 时 θ = π 6 , 5 π 6 , 3 π 2 \theta = \dfrac{\pi}{6}, \dfrac{5\pi}{6}, \dfrac{3\pi}{2} θ = 6 π , 6 5 π , 2 3 π ,z = 3 + i z = \sqrt{3} + i z = 3 + i ,− 3 + i -\sqrt{3} + i − 3 + i ,− 2 i -2i − 2 i 。
解说 验算:( − 2 i ) 3 = − 8 i 3 = 8 i (-2i)^3 = -8i^3 = 8i ( − 2 i ) 3 = − 8 i 3 = 8 i 。另一种解法 :先找一个解再旋转。看出 − 2 i -2i − 2 i 是解后,其他解是它乘 1 的立方根 ω = − 1 2 + 3 2 i \omega = -\dfrac{1}{2} + \dfrac{\sqrt{3}}{2}i ω = − 2 1 + 2 3 i 和 ω 2 \omega^2 ω 2 (因为 ( z ω ) 3 = z 3 ω 3 = z 3 (z\omega)^3 = z^3\omega^3 = z^3 ( z ω ) 3 = z 3 ω 3 = z 3 ):− 2 i ⋅ ω = 3 + i -2i \cdot \omega = \sqrt{3} + i − 2 i ⋅ ω = 3 + i ,− 2 i ⋅ ω 2 = − 3 + i -2i \cdot \omega^2 = -\sqrt{3} + i − 2 i ⋅ ω 2 = − 3 + i 。能一眼看出一个解时这样快;看不出时还是按五步做,不会漏解。
例 2 (场景:用 1 的 n n n 次方根的性质求值)
問題 α = cos 2 π 5 + i sin 2 π 5 \alpha = \cos\dfrac{2\pi}{5} + i\sin\dfrac{2\pi}{5} α = cos 5 2 π + i sin 5 2 π とする。
(1) α 4 + α 3 + α 2 + α + 1 \alpha^4 + \alpha^3 + \alpha^2 + \alpha + 1 α 4 + α 3 + α 2 + α + 1 を求めよ。
(2) ( 1 − α ) ( 1 − α 2 ) ( 1 − α 3 ) ( 1 − α 4 ) (1 - \alpha)(1 - \alpha^2)(1 - \alpha^3)(1 - \alpha^4) ( 1 − α ) ( 1 − α 2 ) ( 1 − α 3 ) ( 1 − α 4 ) を求めよ。
(3) cos 2 π 5 \cos\dfrac{2\pi}{5} cos 5 2 π を求めよ。
解答 (1) α 5 = cos 2 π + i sin 2 π = 1 \alpha^5 = \cos 2\pi + i\sin 2\pi = 1 α 5 = cos 2 π + i sin 2 π = 1 で α ≠ 1 \alpha \ne 1 α = 1 であるから,証明で示した結論 2 より和は 0 0 0 である。
(2) 証明で示した結論 3 より z 5 − 1 = ( z − 1 ) ( z − α ) ( z − α 2 ) ( z − α 3 ) ( z − α 4 ) z^5 - 1 = (z - 1)(z - \alpha)(z - \alpha^2)(z - \alpha^3)(z - \alpha^4) z 5 − 1 = ( z − 1 ) ( z − α ) ( z − α 2 ) ( z − α 3 ) ( z − α 4 ) である。両辺を z − 1 z - 1 z − 1 で割ると
z 4 + z 3 + z 2 + z + 1 = ( z − α ) ( z − α 2 ) ( z − α 3 ) ( z − α 4 ) . z^4 + z^3 + z^2 + z + 1 = (z - \alpha)(z - \alpha^2)(z - \alpha^3)(z - \alpha^4). z 4 + z 3 + z 2 + z + 1 = ( z − α ) ( z − α 2 ) ( z − α 3 ) ( z − α 4 ) .
z = 1 z = 1 z = 1 を代入すると,求める積は 1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 5 1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 5 1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 5 である。
(3) (1) の式の両辺を α 2 \alpha^2 α 2 で割ると
α 2 + α + 1 + 1 α + 1 α 2 = 0. \alpha^2 + \alpha + 1 + \frac{1}{\alpha} + \frac{1}{\alpha^2} = 0. α 2 + α + 1 + α 1 + α 2 1 = 0.
t = α + 1 α t = \alpha + \dfrac{1}{\alpha} t = α + α 1 とおく。17.4 節の公式 z + 1 z = 2 cos θ z + \dfrac{1}{z} = 2\cos\theta z + z 1 = 2 cos θ より t = 2 cos 2 π 5 t = 2\cos\dfrac{2\pi}{5} t = 2 cos 5 2 π で,α 2 + 1 α 2 = t 2 − 2 \alpha^2 + \dfrac{1}{\alpha^2} = t^2 - 2 α 2 + α 2 1 = t 2 − 2 であるから,t 2 + t − 1 = 0 t^2 + t - 1 = 0 t 2 + t − 1 = 0 ,t = − 1 ± 5 2 t = \dfrac{-1 \pm \sqrt{5}}{2} t = 2 − 1 ± 5 。0 < 2 π 5 < π 2 0 < \dfrac{2\pi}{5} < \dfrac{\pi}{2} 0 < 5 2 π < 2 π より t > 0 t > 0 t > 0 であるから t = − 1 + 5 2 t = \dfrac{-1 + \sqrt{5}}{2} t = 2 − 1 + 5 で,
cos 2 π 5 = t 2 = − 1 + 5 4 . \cos\frac{2\pi}{5} = \frac{t}{2} = \frac{-1 + \sqrt{5}}{4}. cos 5 2 π = 2 t = 4 − 1 + 5 .
中文翻译 题目:α = cos 2 π 5 + i sin 2 π 5 \alpha = \cos\dfrac{2\pi}{5} + i\sin\dfrac{2\pi}{5} α = cos 5 2 π + i sin 5 2 π 。(1)求 α 4 + α 3 + α 2 + α + 1 \alpha^4 + \alpha^3 + \alpha^2 + \alpha + 1 α 4 + α 3 + α 2 + α + 1 。(2)求 ( 1 − α ) ( 1 − α 2 ) ( 1 − α 3 ) ( 1 − α 4 ) (1 - \alpha)(1 - \alpha^2)(1 - \alpha^3)(1 - \alpha^4) ( 1 − α ) ( 1 − α 2 ) ( 1 − α 3 ) ( 1 − α 4 ) 。(3)求 cos 2 π 5 \cos\dfrac{2\pi}{5} cos 5 2 π 。解答:(1)α 5 = cos 2 π + i sin 2 π = 1 \alpha^5 = \cos 2\pi + i\sin 2\pi = 1 α 5 = cos 2 π + i sin 2 π = 1 ,α ≠ 1 \alpha \ne 1 α = 1 ,由结论 2,和为 0。(2)由结论 3,z 5 − 1 = ( z − 1 ) ( z − α ) ( z − α 2 ) ( z − α 3 ) ( z − α 4 ) z^5 - 1 = (z - 1)(z - \alpha)(z - \alpha^2)(z - \alpha^3)(z - \alpha^4) z 5 − 1 = ( z − 1 ) ( z − α ) ( z − α 2 ) ( z − α 3 ) ( z − α 4 ) ,两边除以 z − 1 z - 1 z − 1 :z 4 + z 3 + z 2 + z + 1 = ( z − α ) ( z − α 2 ) ( z − α 3 ) ( z − α 4 ) z^4 + z^3 + z^2 + z + 1 = (z - \alpha)(z - \alpha^2)(z - \alpha^3)(z - \alpha^4) z 4 + z 3 + z 2 + z + 1 = ( z − α ) ( z − α 2 ) ( z − α 3 ) ( z − α 4 ) 。代入 z = 1 z = 1 z = 1 :所求的积 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 5 。(3)(1)的式子两边除以 α 2 \alpha^2 α 2 :α 2 + α + 1 + 1 α + 1 α 2 = 0 \alpha^2 + \alpha + 1 + \frac{1}{\alpha} + \frac{1}{\alpha^2} = 0 α 2 + α + 1 + α 1 + α 2 1 = 0 。设 t = α + 1 α t = \alpha + \dfrac{1}{\alpha} t = α + α 1 。由 17.4 节的公式 z + 1 z = 2 cos θ z + \dfrac{1}{z} = 2\cos\theta z + z 1 = 2 cos θ ,t = 2 cos 2 π 5 t = 2\cos\dfrac{2\pi}{5} t = 2 cos 5 2 π ,且 α 2 + 1 α 2 = t 2 − 2 \alpha^2 + \dfrac{1}{\alpha^2} = t^2 - 2 α 2 + α 2 1 = t 2 − 2 ,所以 t 2 + t − 1 = 0 t^2 + t - 1 = 0 t 2 + t − 1 = 0 ,t = − 1 ± 5 2 t = \dfrac{-1 \pm \sqrt{5}}{2} t = 2 − 1 ± 5 。0 < 2 π 5 < π 2 0 < \dfrac{2\pi}{5} < \dfrac{\pi}{2} 0 < 5 2 π < 2 π ,t > 0 t > 0 t > 0 ,取 t = − 1 + 5 2 t = \dfrac{-1 + \sqrt{5}}{2} t = 2 − 1 + 5 ,cos 2 π 5 = t 2 = − 1 + 5 4 \cos\frac{2\pi}{5} = \frac{t}{2} = \frac{-1 + \sqrt{5}}{4} cos 5 2 π = 2 t = 4 − 1 + 5 。
解说 容易卡在:(3)不知道为什么要除以 α 2 \alpha^2 α 2 。目的是凑出对称的 α + 1 α \alpha + \dfrac{1}{\alpha} α + α 1 ,它正好是 2 cos 2 π 5 2\cos\dfrac{2\pi}{5} 2 cos 5 2 π ,四次方程就降成了二次方程。二次方程的两个根对应 cos 2 π 5 \cos\dfrac{2\pi}{5} cos 5 2 π 和 cos 4 π 5 \cos\dfrac{4\pi}{5} cos 5 4 π (α 2 \alpha^2 α 2 也满足同一个方程),要用角的范围挑:2 π 5 \dfrac{2\pi}{5} 5 2 π 在第一象限,余弦为正,取正根。
例 3 (场景:解构成的图形)
問題 方程式 z 6 = − 64 z^6 = -64 z 6 = − 64 の解を求め,これらの解を表す点を頂点とする六角形の面積を求めよ。
解答 − 64 = 64 ( cos π + i sin π ) -64 = 64(\cos\pi + i\sin\pi) − 64 = 64 ( cos π + i sin π ) である。r 6 = 64 r^6 = 64 r 6 = 64 より r = 2 r = 2 r = 2 ,6 θ = π + 2 k π 6\theta = \pi + 2k\pi 6 θ = π + 2 k π より θ = π 6 + k π 3 \theta = \dfrac{\pi}{6} + \dfrac{k\pi}{3} θ = 6 π + 3 k π (k = 0 , 1 , … , 5 k = 0, 1, \dots, 5 k = 0 , 1 , … , 5 )で,
z = ± 3 ± i ( 4 個 ) , ± 2 i . z = \pm\sqrt{3} \pm i \ (\text{4 個}), \quad \pm 2i. z = ± 3 ± i ( 4 個 ) , ± 2 i .
6 6 6 個の点は半径 2 2 2 の円上にあり,隣り合う偏角の差は π 3 \dfrac{\pi}{3} 3 π であるから,正六角形の頂点になる。この六角形は 1 1 1 辺の長さ 2 2 2 の正三角形 6 6 6 個に分けられるから,面積は
6 × 3 4 × 2 2 = 6 3 . 6 \times \frac{\sqrt{3}}{4} \times 2^2 = 6\sqrt{3}. 6 × 4 3 × 2 2 = 6 3 .
中文翻译 题目:求方程 z 6 = − 64 z^6 = -64 z 6 = − 64 的解,并求以这些解为顶点的六边形的面积。解答:− 64 = 64 ( cos π + i sin π ) -64 = 64(\cos\pi + i\sin\pi) − 64 = 64 ( cos π + i sin π ) 。r 6 = 64 r^6 = 64 r 6 = 64 ,r = 2 r = 2 r = 2 ;6 θ = π + 2 k π 6\theta = \pi + 2k\pi 6 θ = π + 2 k π ,θ = π 6 + k π 3 \theta = \dfrac{\pi}{6} + \dfrac{k\pi}{3} θ = 6 π + 3 k π (k = 0 , 1 , … , 5 k = 0, 1, \dots, 5 k = 0 , 1 , … , 5 ):z = ± 3 ± i z = \pm\sqrt{3} \pm i z = ± 3 ± i (4 个),± 2 i \pm 2i ± 2 i 。6 个点在半径 2 的圆上,相邻偏角差 π 3 \dfrac{\pi}{3} 3 π ,是正六边形。它由 6 个边长为 2 的正三角形组成,面积 6 × 3 4 × 2 2 = 6 3 6 \times \frac{\sqrt{3}}{4} \times 2^2 = 6\sqrt{3} 6 × 4 3 × 2 2 = 6 3 。
解说 z n = a z^n = a z n = a 的解在半径为 ∣ a ∣ n \sqrt[n]{\lvert a \rvert} n ∣ a ∣ 的圆上均匀分布,相邻偏角差 2 π n \dfrac{2\pi}{n} n 2 π ,所以 n = 6 n = 6 n = 6 时构成正六边形;半径 2 2 2 的正六边形正好由 6 个边长 2 的正三角形拼成。“± 3 ± i \pm\sqrt{3} \pm i ± 3 ± i “是四个点(两个 ± \pm ± 独立取号),加上 ± 2 i \pm 2i ± 2 i 共 6 个,不要漏写或多写。
1 の 3 乗根 :1 , ω , ω 2 1, \omega, \omega^2 1 , ω , ω 2 ,ω = − 1 + 3 i 2 \omega = \dfrac{-1 + \sqrt{3}i}{2} ω = 2 − 1 + 3 i ,ω 3 = 1 \omega^3 = 1 ω 3 = 1 ,ω 2 + ω + 1 = 0 \omega^2 + \omega + 1 = 0 ω 2 + ω + 1 = 0 ,ω ‾ = ω 2 \overline{\omega} = \omega^2 ω = ω 2 。推导:本节结论 2 取 n = 3 n = 3 n = 3 ;详见本书第 10 章。
z n = a z^n = a z n = a 的 n n n 个解之和为 0(n ≥ 2 n \ge 2 n ≥ 2 )。推导:解是 z 0 , z 0 α , … , z 0 α n − 1 z_0, z_0\alpha, \dots, z_0\alpha^{n - 1} z 0 , z 0 α , … , z 0 α n − 1 (z 0 z_0 z 0 是其中一个解),和为 z 0 ( 1 + α + ⋯ + α n − 1 ) = 0 z_0(1 + \alpha + \dots + \alpha^{n - 1}) = 0 z 0 ( 1 + α + ⋯ + α n − 1 ) = 0 。几何上,正多边形的顶点的“重心”是中心 0。
半径 r r r 的圆内接正 n n n 边形的面积 = n 2 r 2 sin 2 π n = \dfrac{n}{2}r^2\sin\dfrac{2\pi}{n} = 2 n r 2 sin n 2 π 。推导:分成 n n n 个顶角 2 π n \dfrac{2\pi}{n} n 2 π 、两腰为 r r r 的等腰三角形,每个面积 1 2 r 2 sin 2 π n \dfrac{1}{2}r^2\sin\dfrac{2\pi}{n} 2 1 r 2 sin n 2 π (国内书第 16 章 16.4 节)。
α n = 1 \alpha^n = 1 α n = 1 时 α ‾ = 1 α = α n − 1 \overline{\alpha} = \dfrac{1}{\alpha} = \alpha^{n - 1} α = α 1 = α n − 1 。推导:∣ α ∣ = 1 \lvert \alpha \rvert = 1 ∣ α ∣ = 1 ,用 17.2 节的 z ‾ = 1 z \overline{z} = \dfrac{1}{z} z = z 1 ,再用 α ⋅ α n − 1 = 1 \alpha \cdot \alpha^{n - 1} = 1 α ⋅ α n − 1 = 1 。
α \alpha α 的高次幂按 n n n 取余数降次:α 5 = 1 \alpha^5 = 1 α 5 = 1 时 α 2026 = α 2025 α = α \alpha^{2026} = \alpha^{2025}\alpha = \alpha α 2026 = α 2025 α = α 。推导:2025 = 5 × 405 2025 = 5 \times 405 2025 = 5 × 405 。
错在哪 :z 3 = 8 z^3 = 8 z 3 = 8 的解只写 z = 2 z = 2 z = 2 。
为什么错 :那是实数范围的答案。复数范围内三次方程有 3 个解。
正确做法 :z = 2 , − 1 + 3 i , − 1 − 3 i z = 2, \ -1 + \sqrt{3}i, \ -1 - \sqrt{3}i z = 2 , − 1 + 3 i , − 1 − 3 i (2 乘 1 , ω , ω 2 1, \omega, \omega^2 1 , ω , ω 2 )。
错在哪 :例 1 写 θ = π 6 + 2 k π \theta = \dfrac{\pi}{6} + 2k\pi θ = 6 π + 2 k π 。
为什么错 :先除以 3 再加 2 k π 2k\pi 2 k π ,所有 k k k 都给同一个点,只剩一个解。
正确做法 :3 θ = π 2 + 2 k π 3\theta = \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi 3 θ = 2 π + 2 k π ,整体除以 3:θ = π 6 + 2 k π 3 \theta = \dfrac{\pi}{6} + \dfrac{2k\pi}{3} θ = 6 π + 3 2 k π 。
错在哪 :例 2(3)取了 t = − 1 − 5 2 t = \dfrac{-1 - \sqrt{5}}{2} t = 2 − 1 − 5 。
为什么错 :二次方程的两个根对应 cos 2 π 5 \cos\dfrac{2\pi}{5} cos 5 2 π 和 cos 4 π 5 \cos\dfrac{4\pi}{5} cos 5 4 π (α 2 \alpha^2 α 2 也满足同一个方程),要用角的范围挑。
正确做法 :2 π 5 \dfrac{2\pi}{5} 5 2 π 在第一象限,余弦为正,取正根。
z n = a z^n = a z n = a 的 n n n 个解像钟面上均匀分布的刻度:先找到一个,其余的每隔 2 π n \dfrac{2\pi}{n} n 2 π 一个,绕一圈正好 n n n 个。所以解永远构成正多边形,而且多边形的中心是原点,各顶点“抵消”,和为 0。
1 的 n n n 次方根之和为 0 也可以这样想:n n n 个长度相同、方向均匀分布的向量首尾相接,正好围成一个正 n n n 边形回到起点。
前置:17.4 节棣莫弗定理。
前置:国内书第 23 章 23.3 节,等比数列求和(推 1 + α + ⋯ + α n − 1 = 0 1 + \alpha + \dots + \alpha^{n - 1} = 0 1 + α + ⋯ + α n − 1 = 0 )。
前置:本书第 10 章 いろいろな式,因数定理和 ω \omega ω 。
后续:17.6 节,正多边形的顶点也可以用“绕中心旋转”得到。
本书第 9 章 図形の性質:正多边形的内角、对角线。
内分点・外分点・重心 :和位置向量完全相同(国内书第 14 章、本书第 16 章)。A ( α ) \mathrm{A}(\alpha) A ( α ) 、B ( β ) \mathrm{B}(\beta) B ( β ) 、C ( γ ) \mathrm{C}(\gamma) C ( γ ) :
AB を m : n に内分する点 n α + m β m + n , 外分する点 − n α + m β m − n , △ A B C の重心 α + β + γ 3 . \text{AB を } m : n \text{ に内分する点} \ \frac{n\alpha + m\beta}{m + n}, \qquad \text{外分する点} \ \frac{-n\alpha + m\beta}{m - n}, \qquad \triangle\mathrm{ABC} \text{ の重心} \ \frac{\alpha + \beta + \gamma}{3}. AB を m : n に内分する点 m + n n α + m β , 外分する点 m − n − n α + m β , △ ABC の重心 3 α + β + γ .
点 α \alpha α のまわりの回転 :点 β \beta β 绕点 α \alpha α 旋转 θ \theta θ 得到的点 γ \gamma γ 满足
γ − α = ( cos θ + i sin θ ) ( β − α ) , 即 γ = α + ( cos θ + i sin θ ) ( β − α ) . \gamma - \alpha = (\cos\theta + i\sin\theta)(\beta - \alpha), \qquad \text{即} \ \gamma = \alpha + (\cos\theta + i\sin\theta)(\beta - \alpha). γ − α = ( cos θ + i sin θ ) ( β − α ) , 即 γ = α + ( cos θ + i sin θ ) ( β − α ) .
三步:先把旋转中心 α \alpha α 平移到原点(β − α \beta - \alpha β − α ),在原点旋转(乘 cos θ + i sin θ \cos\theta + i\sin\theta cos θ + i sin θ ),再平移回去(加 α \alpha α )。
2 直線のなす角 :三个不同的点 A ( α ) \mathrm{A}(\alpha) A ( α ) 、B ( β ) \mathrm{B}(\beta) B ( β ) 、C ( γ ) \mathrm{C}(\gamma) C ( γ ) ,
arg γ − α β − α = 从半直线 AB 转到半直线 AC 的角 . \arg\frac{\gamma - \alpha}{\beta - \alpha} = \text{从半直线 AB 转到半直线 AC 的角}. arg β − α γ − α = 从半直线 AB 转到半直线 AC 的角 .
∠ B A C \angle\mathrm{BAC} ∠ BAC 的大小是这个偏角的绝对值(取 − π < θ ≤ π -\pi < \theta \le \pi − π < θ ≤ π 时)。
共線・垂直の条件 :
3 点 A,B,C が一直線上にある ⟺ γ − α β − α が実数 , A B ⊥ A C ⟺ γ − α β − α が純虚数 . \text{3 点 A,B,C が一直線上にある} \iff \frac{\gamma - \alpha}{\beta - \alpha} \text{ が実数}, \qquad \mathrm{AB} \perp \mathrm{AC} \iff \frac{\gamma - \alpha}{\beta - \alpha} \text{ が純虚数}. 3 点 A , B , C が一直線上にある ⟺ β − α γ − α が実数 , AB ⊥ AC ⟺ β − α γ − α が純虚数 .
三角形の形状 :把比值写成极形式 γ − α β − α = r ( cos θ + i sin θ ) \dfrac{\gamma - \alpha}{\beta - \alpha} = r(\cos\theta + i\sin\theta) β − α γ − α = r ( cos θ + i sin θ ) ,就同时知道了两边之比和夹角:
A C A B = r , ∠ B A C = ∣ θ ∣ . \frac{\mathrm{AC}}{\mathrm{AB}} = r, \qquad \angle\mathrm{BAC} = \lvert \theta \rvert. AB AC = r , ∠ BAC = ∣ θ ∣ .
比值 γ − α β − α \dfrac{\gamma - \alpha}{\beta - \alpha} β − α γ − α
三角形 ABC 的形状
cos ( ± π 3 ) + i sin ( ± π 3 ) = 1 ± 3 i 2 \cos\left(\pm\dfrac{\pi}{3}\right) + i\sin\left(\pm\dfrac{\pi}{3}\right) = \dfrac{1 \pm \sqrt{3}i}{2} cos ( ± 3 π ) + i sin ( ± 3 π ) = 2 1 ± 3 i
正三角形
± i \pm i ± i
∠ A = 90 ° \angle\mathrm{A} = 90° ∠ A = 90° 的直角二等辺三角形
纯虚数 k i ki k i (k ≠ ± 1 k \ne \pm 1 k = ± 1 )
∠ A = 90 ° \angle\mathrm{A} = 90° ∠ A = 90° 的直角三角形
模为 1
A B = A C \mathrm{AB} = \mathrm{AC} AB = AC 的二等辺三角形
题目给出两个顶点,要求正三角形、正方形的另一个顶点,或说「点 β \beta β を点 α \alpha α を中心として θ \theta θ だけ回転した点」:用 γ = α + ( cos θ + i sin θ ) ( β − α ) \gamma = \alpha + (\cos\theta + i\sin\theta)(\beta - \alpha) γ = α + ( cos θ + i sin θ ) ( β − α ) 。
题目要求三点共线、两直线垂直时的参数,或求 ∠ B A C \angle\mathrm{BAC} ∠ BAC :算比值 γ − α β − α \dfrac{\gamma - \alpha}{\beta - \alpha} β − α γ − α ,令虚部为 0(共线)、实部为 0(垂直),或读它的偏角。
题目给出 α \alpha α 、β \beta β 、γ \gamma γ 之间的关系式(如 2 α 2 − 2 α β + β 2 = 0 2\alpha^2 - 2\alpha\beta + \beta^2 = 0 2 α 2 − 2 α β + β 2 = 0 ),或给出三个点,问三角形的形状:化成比值,读模和偏角。
旋转中心不是原点时,一定先减去中心。γ = ( cos θ + i sin θ ) β \gamma = (\cos\theta + i\sin\theta)\beta γ = ( cos θ + i sin θ ) β 是绕原点转。
比值的分子分母都从同一个顶点 A 出发:γ − α \gamma - \alpha γ − α 和 β − α \beta - \alpha β − α 。分子是“转到的边”,分母是“出发的边”,颠倒了角的符号会反过来。
共线条件是“比值为实数”,正负都可以:正数表示 B、C 在 A 的同侧,负数表示 A 在 B、C 之间。
“逆时针”是日文「正の向き」,题目若不说方向(只说“旋转 π 3 \dfrac{\pi}{3} 3 π ”),通常 ± π 3 \pm\dfrac{\pi}{3} ± 3 π 两种都要考虑,正三角形的第三个顶点有两个。
EJU 题干:「点 β \beta β を点 α \alpha α を中心として π 3 \dfrac{\pi}{3} 3 π だけ回転した点」「∠ B A C \angle\mathrm{BAC} ∠ BAC の大きさ」「3 点が一直線上にあるとき」「△ O A B \triangle\mathrm{OAB} △ OAB はどのような三角形か」(选择型空格,从 ⓪~⑨ 里选形状)。
结论 1:绕点 α \alpha α 旋转的公式。 平移整个平面使 α \alpha α 变到原点:点 z z z 变成 z − α z - \alpha z − α 。平移不改变图形,所以”β \beta β 绕 α \alpha α 转 θ \theta θ 得 γ \gamma γ “等价于”β − α \beta - \alpha β − α 绕原点转 θ \theta θ 得 γ − α \gamma - \alpha γ − α “。由 17.3 节,绕原点转 θ \theta θ 就是乘 cos θ + i sin θ \cos\theta + i\sin\theta cos θ + i sin θ ,所以 γ − α = ( cos θ + i sin θ ) ( β − α ) \gamma - \alpha = (\cos\theta + i\sin\theta)(\beta - \alpha) γ − α = ( cos θ + i sin θ ) ( β − α ) 。
结论 2:比值的偏角是夹角,模是边之比。 β − α \beta - \alpha β − α 是从 A 指向 B 的向量平移到原点的终点,偏角是 AB 的方向;γ − α \gamma - \alpha γ − α 同理是 AC 的方向。由商的公式,
∣ γ − α β − α ∣ = ∣ γ − α ∣ ∣ β − α ∣ = A C A B , arg γ − α β − α = arg ( γ − α ) − arg ( β − α ) . \left\lvert \frac{\gamma - \alpha}{\beta - \alpha} \right\rvert = \frac{\lvert \gamma - \alpha \rvert}{\lvert \beta - \alpha \rvert} = \frac{\mathrm{AC}}{\mathrm{AB}}, \qquad \arg\frac{\gamma - \alpha}{\beta - \alpha} = \arg(\gamma - \alpha) - \arg(\beta - \alpha). β − α γ − α = ∣ β − α ∣ ∣ γ − α ∣ = AB AC , arg β − α γ − α = arg ( γ − α ) − arg ( β − α ) .
(关键一步 :偏角之差就是从 AB 方向转到 AC 方向的角。)共线就是这个角为 0 或 π \pi π ,即比值是实数;垂直就是角为 ± π 2 \pm\dfrac{\pi}{2} ± 2 π ,即比值是纯虚数(比值不为 0,因为 γ ≠ α \gamma \ne \alpha γ = α )。
例 1 (场景:旋转求顶点)
問題 A ( 1 + i ) \mathrm{A}(1 + i) A ( 1 + i ) ,B ( 3 + i ) \mathrm{B}(3 + i) B ( 3 + i ) とする。△ A B C \triangle\mathrm{ABC} △ ABC が正三角形となる点 C ( γ ) \mathrm{C}(\gamma) C ( γ ) を求めよ。
解答 C \mathrm{C} C は B \mathrm{B} B を A \mathrm{A} A のまわりに ± π 3 \pm\dfrac{\pi}{3} ± 3 π だけ回転した点である。β − α = 2 \beta - \alpha = 2 β − α = 2 であるから
γ = ( 1 + i ) + ( 1 2 ± 3 2 i ) ⋅ 2 = 2 + ( 1 ± 3 ) i . \gamma = (1 + i) + \left(\frac{1}{2} \pm \frac{\sqrt{3}}{2}i\right) \cdot 2 = 2 + (1 \pm \sqrt{3})i. γ = ( 1 + i ) + ( 2 1 ± 2 3 i ) ⋅ 2 = 2 + ( 1 ± 3 ) i .
よって γ = 2 + ( 1 + 3 ) i \gamma = 2 + (1 + \sqrt{3})i γ = 2 + ( 1 + 3 ) i または γ = 2 + ( 1 − 3 ) i \gamma = 2 + (1 - \sqrt{3})i γ = 2 + ( 1 − 3 ) i である。
中文翻译 题目:A ( 1 + i ) \mathrm{A}(1 + i) A ( 1 + i ) ,B ( 3 + i ) \mathrm{B}(3 + i) B ( 3 + i ) 。求使 △ A B C \triangle\mathrm{ABC} △ ABC 为正三角形的点 C ( γ ) \mathrm{C}(\gamma) C ( γ ) 。解答:C 是 B 绕 A 旋转 ± π 3 \pm\dfrac{\pi}{3} ± 3 π 得到的点。β − α = 2 \beta - \alpha = 2 β − α = 2 ,γ = ( 1 + i ) + ( 1 2 ± 3 2 i ) ⋅ 2 = 2 + ( 1 ± 3 ) i \gamma = (1 + i) + \left(\frac{1}{2} \pm \frac{\sqrt{3}}{2}i\right) \cdot 2 = 2 + (1 \pm \sqrt{3})i γ = ( 1 + i ) + ( 2 1 ± 2 3 i ) ⋅ 2 = 2 + ( 1 ± 3 ) i 。所以 γ = 2 + ( 1 + 3 ) i \gamma = 2 + (1 + \sqrt{3})i γ = 2 + ( 1 + 3 ) i 或 γ = 2 + ( 1 − 3 ) i \gamma = 2 + (1 - \sqrt{3})i γ = 2 + ( 1 − 3 ) i 。
解说 另一种解法 :正三角形的第三个顶点在 AB 的垂直平分线上,到 AB 的距离是高 3 2 × 2 = 3 \dfrac{\sqrt{3}}{2} \times 2 = \sqrt{3} 2 3 × 2 = 3 。AB 的中点是 2 + i 2 + i 2 + i ,AB 是水平的,往上下各走 3 \sqrt{3} 3 :2 + ( 1 ± 3 ) i 2 + (1 \pm \sqrt{3})i 2 + ( 1 ± 3 ) i 。AB 恰好水平或竖直时这样最快;AB 是斜的时候,垂直方向不好写,用旋转公式不容易错。题目没说方向,± π 3 \pm\dfrac{\pi}{3} ± 3 π 两个顶点都要写。
例 2 (场景:共线、垂直求参数)
問題 A ( 1 + i ) \mathrm{A}(1 + i) A ( 1 + i ) ,B ( 3 + 2 i ) \mathrm{B}(3 + 2i) B ( 3 + 2 i ) ,C ( a + 4 i ) \mathrm{C}(a + 4i) C ( a + 4 i ) (a a a は実数)とする。3 3 3 点 A \mathrm{A} A ,B \mathrm{B} B ,C \mathrm{C} C が一直線上にあるときの a a a と,A B ⊥ A C \mathrm{AB} \perp \mathrm{AC} AB ⊥ AC となるときの a a a を求めよ。
解答
γ − α β − α = ( a − 1 ) + 3 i 2 + i = { ( a − 1 ) + 3 i } ( 2 − i ) 5 = ( 2 a + 1 ) + ( 7 − a ) i 5 . \frac{\gamma - \alpha}{\beta - \alpha} = \frac{(a - 1) + 3i}{2 + i} = \frac{\{(a - 1) + 3i\}(2 - i)}{5} = \frac{(2a + 1) + (7 - a)i}{5}. β − α γ − α = 2 + i ( a − 1 ) + 3 i = 5 {( a − 1 ) + 3 i } ( 2 − i ) = 5 ( 2 a + 1 ) + ( 7 − a ) i .
一直線上にあるとき:虚部が 0 0 0 であるから 7 − a = 0 7 - a = 0 7 − a = 0 ,a = 7 a = 7 a = 7 。
A B ⊥ A C \mathrm{AB} \perp \mathrm{AC} AB ⊥ AC のとき:実部が 0 0 0 (虚部 7 − a ≠ 0 7 - a \ne 0 7 − a = 0 )であるから 2 a + 1 = 0 2a + 1 = 0 2 a + 1 = 0 ,a = − 1 2 a = -\dfrac{1}{2} a = − 2 1 。
中文翻译 题目:A ( 1 + i ) \mathrm{A}(1 + i) A ( 1 + i ) ,B ( 3 + 2 i ) \mathrm{B}(3 + 2i) B ( 3 + 2 i ) ,C ( a + 4 i ) \mathrm{C}(a + 4i) C ( a + 4 i ) (a a a 是实数)。求 3 点共线时的 a a a ,以及 A B ⊥ A C \mathrm{AB} \perp \mathrm{AC} AB ⊥ AC 时的 a a a 。解答:γ − α β − α = ( a − 1 ) + 3 i 2 + i = { ( a − 1 ) + 3 i } ( 2 − i ) 5 = ( 2 a + 1 ) + ( 7 − a ) i 5 \frac{\gamma - \alpha}{\beta - \alpha} = \frac{(a - 1) + 3i}{2 + i} = \frac{\{(a - 1) + 3i\}(2 - i)}{5} = \frac{(2a + 1) + (7 - a)i}{5} β − α γ − α = 2 + i ( a − 1 ) + 3 i = 5 {( a − 1 ) + 3 i } ( 2 − i ) = 5 ( 2 a + 1 ) + ( 7 − a ) i 。共线:虚部为 0,7 − a = 0 7 - a = 0 7 − a = 0 ,a = 7 a = 7 a = 7 。垂直:实部为 0(虚部 7 − a ≠ 0 7 - a \ne 0 7 − a = 0 ),2 a + 1 = 0 2a + 1 = 0 2 a + 1 = 0 ,a = − 1 2 a = -\dfrac{1}{2} a = − 2 1 。
解说 比值的分子分母都从同一个顶点 A 出发:分子 γ − α \gamma - \alpha γ − α 是“转到的边”AC,分母 β − α \beta - \alpha β − α 是“出发的边”AB。共线条件是“比值为实数”,正负都可以:正数表示 B、C 在 A 的同侧,负数表示 A 在 B、C 之间。垂直时还要确认虚部不为 0,否则比值是 0,不是纯虚数。
例 3 (场景:由关系式判断形状)
問題 O \mathrm{O} O を原点とし,0 0 0 でない複素数 α \alpha α ,β \beta β が 2 α 2 − 2 α β + β 2 = 0 2\alpha^2 - 2\alpha\beta + \beta^2 = 0 2 α 2 − 2 α β + β 2 = 0 を満たしている。A ( α ) \mathrm{A}(\alpha) A ( α ) ,B ( β ) \mathrm{B}(\beta) B ( β ) とするとき,△ O A B \triangle\mathrm{OAB} △ OAB はどのような三角形か。
解答 両辺を α 2 \alpha^2 α 2 (α ≠ 0 \alpha \ne 0 α = 0 )で割り,w = β α w = \dfrac{\beta}{\alpha} w = α β とおくと
w 2 − 2 w + 2 = 0 , w = 1 ± i = 2 { cos ( ± π 4 ) + i sin ( ± π 4 ) } . w^2 - 2w + 2 = 0, \qquad w = 1 \pm i = \sqrt{2}\left\{\cos\left(\pm\frac{\pi}{4}\right) + i\sin\left(\pm\frac{\pi}{4}\right)\right\}. w 2 − 2 w + 2 = 0 , w = 1 ± i = 2 { cos ( ± 4 π ) + i sin ( ± 4 π ) } .
よって O B O A = 2 \dfrac{\mathrm{OB}}{\mathrm{OA}} = \sqrt{2} OA OB = 2 ,∠ A O B = π 4 \angle\mathrm{AOB} = \dfrac{\pi}{4} ∠ AOB = 4 π である。O A = k \mathrm{OA} = k OA = k とおくと,余弦定理より
A B 2 = k 2 + 2 k 2 − 2 ⋅ k ⋅ 2 k cos π 4 = k 2 , \mathrm{AB}^2 = k^2 + 2k^2 - 2 \cdot k \cdot \sqrt{2}k \cos\frac{\pi}{4} = k^2, AB 2 = k 2 + 2 k 2 − 2 ⋅ k ⋅ 2 k cos 4 π = k 2 ,
よって A B = k = O A \mathrm{AB} = k = \mathrm{OA} AB = k = OA で,O A 2 + A B 2 = 2 k 2 = O B 2 \mathrm{OA}^2 + \mathrm{AB}^2 = 2k^2 = \mathrm{OB}^2 OA 2 + AB 2 = 2 k 2 = OB 2 が成り立つ。したがって,△ O A B \triangle\mathrm{OAB} △ OAB は ∠ A = 90 ° \angle\mathrm{A} = 90° ∠ A = 90° の直角二等辺三角形である。
中文翻译 题目:O 是原点,α \alpha α 、β \beta β 是不为 0 的复数,满足 2 α 2 − 2 α β + β 2 = 0 2\alpha^2 - 2\alpha\beta + \beta^2 = 0 2 α 2 − 2 α β + β 2 = 0 。A ( α ) \mathrm{A}(\alpha) A ( α ) 、B ( β ) \mathrm{B}(\beta) B ( β ) 。△ O A B \triangle\mathrm{OAB} △ OAB 是什么形状?解答:两边除以 α 2 \alpha^2 α 2 (α ≠ 0 \alpha \ne 0 α = 0 ),设 w = β α w = \dfrac{\beta}{\alpha} w = α β :w 2 − 2 w + 2 = 0 w^2 - 2w + 2 = 0 w 2 − 2 w + 2 = 0 ,w = 1 ± i = 2 { cos ( ± π 4 ) + i sin ( ± π 4 ) } w = 1 \pm i = \sqrt{2}\left\{\cos\left(\pm\frac{\pi}{4}\right) + i\sin\left(\pm\frac{\pi}{4}\right)\right\} w = 1 ± i = 2 { cos ( ± 4 π ) + i sin ( ± 4 π ) } 。所以 O B O A = 2 \dfrac{\mathrm{OB}}{\mathrm{OA}} = \sqrt{2} OA OB = 2 ,∠ A O B = π 4 \angle\mathrm{AOB} = \dfrac{\pi}{4} ∠ AOB = 4 π 。设 O A = k \mathrm{OA} = k OA = k ,由余弦定理 A B 2 = k 2 + 2 k 2 − 2 ⋅ k ⋅ 2 k cos π 4 = k 2 \mathrm{AB}^2 = k^2 + 2k^2 - 2 \cdot k \cdot \sqrt{2}k \cos\frac{\pi}{4} = k^2 AB 2 = k 2 + 2 k 2 − 2 ⋅ k ⋅ 2 k cos 4 π = k 2 ,A B = k = O A \mathrm{AB} = k = \mathrm{OA} AB = k = OA ,且 O A 2 + A B 2 = 2 k 2 = O B 2 \mathrm{OA}^2 + \mathrm{AB}^2 = 2k^2 = \mathrm{OB}^2 OA 2 + AB 2 = 2 k 2 = OB 2 。△ O A B \triangle\mathrm{OAB} △ OAB 是 ∠ A = 90 ° \angle\mathrm{A} = 90° ∠ A = 90° 的等腰直角三角形。
解说 另一种解法 :以 A 为顶点看比值。β − α 0 − α = 1 − β α = 1 − ( 1 ± i ) = ∓ i \dfrac{\beta - \alpha}{0 - \alpha} = 1 - \dfrac{\beta}{\alpha} = 1 - (1 \pm i) = \mp i 0 − α β − α = 1 − α β = 1 − ( 1 ± i ) = ∓ i ,模为 1、偏角 ∓ π 2 \mp\dfrac{\pi}{2} ∓ 2 π ,直接读出 A B = A O \mathrm{AB} = \mathrm{AO} AB = AO ,∠ O A B = 90 ° \angle\mathrm{OAB} = 90° ∠ OAB = 90° 。以 O 为顶点算出比值后用余弦定理也能做,但如果选对顶点,比值本身就是表格里的形状,省掉余弦定理;不知道直角在哪个顶点时,先以题目给的比值所在的顶点做,再看要不要换。
例 4 (场景:由三个点求角和形状)
問題 A ( 1 + i ) \mathrm{A}(1 + i) A ( 1 + i ) ,B ( 4 + 2 i ) \mathrm{B}(4 + 2i) B ( 4 + 2 i ) ,C ( 2 + 3 i ) \mathrm{C}(2 + 3i) C ( 2 + 3 i ) とする。∠ B A C \angle\mathrm{BAC} ∠ BAC を求め,△ A B C \triangle\mathrm{ABC} △ ABC の形状を答えよ。
解答
γ − α β − α = 1 + 2 i 3 + i = ( 1 + 2 i ) ( 3 − i ) 10 = 5 + 5 i 10 = 2 2 ( cos π 4 + i sin π 4 ) . \frac{\gamma - \alpha}{\beta - \alpha} = \frac{1 + 2i}{3 + i} = \frac{(1 + 2i)(3 - i)}{10} = \frac{5 + 5i}{10} = \frac{\sqrt{2}}{2}\left(\cos\frac{\pi}{4} + i\sin\frac{\pi}{4}\right). β − α γ − α = 3 + i 1 + 2 i = 10 ( 1 + 2 i ) ( 3 − i ) = 10 5 + 5 i = 2 2 ( cos 4 π + i sin 4 π ) .
よって ∠ B A C = π 4 \angle\mathrm{BAC} = \dfrac{\pi}{4} ∠ BAC = 4 π ,A C = 2 2 A B \mathrm{AC} = \dfrac{\sqrt{2}}{2}\mathrm{AB} AC = 2 2 AB である。A B = ∣ 3 + i ∣ = 10 \mathrm{AB} = \lvert 3 + i \rvert = \sqrt{10} AB = ∣ 3 + i ∣ = 10 ,A C = 5 \mathrm{AC} = \sqrt{5} AC = 5 ,B C = ∣ ( 2 + 3 i ) − ( 4 + 2 i ) ∣ = ∣ − 2 + i ∣ = 5 \mathrm{BC} = \lvert (2 + 3i) - (4 + 2i) \rvert = \lvert -2 + i \rvert = \sqrt{5} BC = ∣( 2 + 3 i ) − ( 4 + 2 i )∣ = ∣ − 2 + i ∣ = 5 である。A C = B C \mathrm{AC} = \mathrm{BC} AC = BC かつ A C 2 + B C 2 = 10 = A B 2 \mathrm{AC}^2 + \mathrm{BC}^2 = 10 = \mathrm{AB}^2 AC 2 + BC 2 = 10 = AB 2 であるから,△ A B C \triangle\mathrm{ABC} △ ABC は ∠ C = 90 ° \angle\mathrm{C} = 90° ∠ C = 90° の直角二等辺三角形である。
中文翻译 题目:A ( 1 + i ) \mathrm{A}(1 + i) A ( 1 + i ) ,B ( 4 + 2 i ) \mathrm{B}(4 + 2i) B ( 4 + 2 i ) ,C ( 2 + 3 i ) \mathrm{C}(2 + 3i) C ( 2 + 3 i ) 。求 ∠ B A C \angle\mathrm{BAC} ∠ BAC ,并判断 △ A B C \triangle\mathrm{ABC} △ ABC 的形状。解答:γ − α β − α = 1 + 2 i 3 + i = ( 1 + 2 i ) ( 3 − i ) 10 = 5 + 5 i 10 = 2 2 ( cos π 4 + i sin π 4 ) \frac{\gamma - \alpha}{\beta - \alpha} = \frac{1 + 2i}{3 + i} = \frac{(1 + 2i)(3 - i)}{10} = \frac{5 + 5i}{10} = \frac{\sqrt{2}}{2}\left(\cos\frac{\pi}{4} + i\sin\frac{\pi}{4}\right) β − α γ − α = 3 + i 1 + 2 i = 10 ( 1 + 2 i ) ( 3 − i ) = 10 5 + 5 i = 2 2 ( cos 4 π + i sin 4 π ) 。所以 ∠ B A C = π 4 \angle\mathrm{BAC} = \dfrac{\pi}{4} ∠ BAC = 4 π ,A C = 2 2 A B \mathrm{AC} = \dfrac{\sqrt{2}}{2}\mathrm{AB} AC = 2 2 AB 。A B = ∣ 3 + i ∣ = 10 \mathrm{AB} = \lvert 3 + i \rvert = \sqrt{10} AB = ∣ 3 + i ∣ = 10 ,A C = 5 \mathrm{AC} = \sqrt{5} AC = 5 ,B C = ∣ ( 2 + 3 i ) − ( 4 + 2 i ) ∣ = ∣ − 2 + i ∣ = 5 \mathrm{BC} = \lvert (2 + 3i) - (4 + 2i) \rvert = \lvert -2 + i \rvert = \sqrt{5} BC = ∣( 2 + 3 i ) − ( 4 + 2 i )∣ = ∣ − 2 + i ∣ = 5 。A C = B C \mathrm{AC} = \mathrm{BC} AC = BC ,A C 2 + B C 2 = 10 = A B 2 \mathrm{AC}^2 + \mathrm{BC}^2 = 10 = \mathrm{AB}^2 AC 2 + BC 2 = 10 = AB 2 ,是 ∠ C = 90 ° \angle\mathrm{C} = 90° ∠ C = 90° 的等腰直角三角形。
解说 比值的模和偏角同时给出“边之比”和“夹角”:模 2 2 \dfrac{\sqrt{2}}{2} 2 2 说明 A C = 2 2 A B \mathrm{AC} = \dfrac{\sqrt{2}}{2}\mathrm{AB} AC = 2 2 AB ,偏角 π 4 \dfrac{\pi}{4} 4 π 说明 ∠ B A C = π 4 \angle\mathrm{BAC} = \dfrac{\pi}{4} ∠ BAC = 4 π 。判断形状还要看第三边:用两点间距离算出 B C = 5 \mathrm{BC} = \sqrt{5} BC = 5 ,和 A C \mathrm{AC} AC 相等,再用勾股定理的逆定理确认直角在 C。
正三角形の条件 :△ A B C \triangle\mathrm{ABC} △ ABC 是正三角形 ⟺ α 2 + β 2 + γ 2 = α β + β γ + γ α \iff \alpha^2 + \beta^2 + \gamma^2 = \alpha\beta + \beta\gamma + \gamma\alpha ⟺ α 2 + β 2 + γ 2 = α β + β γ + γ α 。推导:正三角形 ⟺ u = γ − α β − α = 1 ± 3 i 2 ⟺ u 2 − u + 1 = 0 \iff u = \dfrac{\gamma - \alpha}{\beta - \alpha} = \dfrac{1 \pm \sqrt{3}i}{2} \iff u^2 - u + 1 = 0 ⟺ u = β − α γ − α = 2 1 ± 3 i ⟺ u 2 − u + 1 = 0 ;把 u u u 代入并乘 ( β − α ) 2 (\beta - \alpha)^2 ( β − α ) 2 ,得 ( γ − α ) 2 − ( γ − α ) ( β − α ) + ( β − α ) 2 = 0 (\gamma - \alpha)^2 - (\gamma - \alpha)(\beta - \alpha) + (\beta - \alpha)^2 = 0 ( γ − α ) 2 − ( γ − α ) ( β − α ) + ( β − α ) 2 = 0 ,展开整理即得。
正方形 :A、B 是相邻顶点,ABCD 按逆时针排列时,δ = α + i ( β − α ) \delta = \alpha + i(\beta - \alpha) δ = α + i ( β − α ) ,γ = β + i ( β − α ) \gamma = \beta + i(\beta - \alpha) γ = β + i ( β − α ) 。推导:D 是 B 绕 A 转 π 2 \dfrac{\pi}{2} 2 π ;B C → = A D → \overrightarrow{\mathrm{BC}} = \overrightarrow{\mathrm{AD}} BC = AD 。
原点を通る場合 :O、A ( α ) \mathrm{A}(\alpha) A ( α ) 、B ( β ) \mathrm{B}(\beta) B ( β ) 共线 ⟺ β α \iff \dfrac{\beta}{\alpha} ⟺ α β 是实数 ⟺ α β ‾ = α ‾ β \iff \alpha\overline{\beta} = \overline{\alpha}\beta ⟺ α β = α β ;O A ⊥ O B ⟺ α β ‾ + α ‾ β = 0 \mathrm{OA} \perp \mathrm{OB} \iff \alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta = 0 OA ⊥ OB ⟺ α β + α β = 0 。推导:β α = β α ‾ ∣ α ∣ 2 \dfrac{\beta}{\alpha} = \dfrac{\beta\overline{\alpha}}{\lvert \alpha \rvert^2} α β = ∣ α ∣ 2 β α ,用 17.2 节的实数、纯虚数判定。
△ O A B \triangle\mathrm{OAB} △ OAB 的面积 = 1 2 ∣ α ∣ ∣ β ∣ sin ∠ A O B = \dfrac{1}{2}\lvert \alpha \rvert \lvert \beta \rvert \sin\angle\mathrm{AOB} = 2 1 ∣ α ∣ ∣ β ∣ sin ∠ AOB ,∠ A O B \angle\mathrm{AOB} ∠ AOB 由 arg β α \arg\dfrac{\beta}{\alpha} arg α β 读出。推导:国内书第 16 章 16.4 节面积公式。
错在哪 :B 绕 A ( α ) \mathrm{A}(\alpha) A ( α ) 转 π 3 \dfrac{\pi}{3} 3 π ,写成 γ = ( 1 2 + 3 2 i ) β \gamma = \left(\dfrac{1}{2} + \dfrac{\sqrt{3}}{2}i\right)\beta γ = ( 2 1 + 2 3 i ) β 。
为什么错 :乘 cos θ + i sin θ \cos\theta + i\sin\theta cos θ + i sin θ 是绕原点 转。
正确做法 :γ = α + ( 1 2 + 3 2 i ) ( β − α ) \gamma = \alpha + \left(\dfrac{1}{2} + \dfrac{\sqrt{3}}{2}i\right)(\beta - \alpha) γ = α + ( 2 1 + 2 3 i ) ( β − α ) ,先减中心、转、再加回中心。
错在哪 :判断共线时要求比值是正实数,例 2 之类的题漏掉 A 在 B、C 之间的情形。
为什么错 :比值为负表示 AC 与 AB 方向相反,三点仍在一条直线上。
正确做法 :共线条件只看“虚部为 0”,不管实部正负。
错在哪 :正三角形只求出一个第三顶点。
为什么错 :B 绕 A 可以逆时针转,也可以顺时针转,两边各有一个。
正确做法 :题目没说方向或没说“逆时针排列”时,± π 3 \pm\dfrac{\pi}{3} ± 3 π 都写。
复数把“旋转 + 伸缩”压缩成一次乘法。所以一个比值 γ − α β − α \dfrac{\gamma - \alpha}{\beta - \alpha} β − α γ − α 就装下了“边 AC 是边 AB 转了多少度、拉长了多少倍”,形状问题变成读一个复数的模和偏角。
这和向量的做法对照着看:向量判断垂直要算内积、判断夹角要算 cos \cos cos ,而且得不到“转的方向”;复数一个除法全都得到,代价是要会化极形式。
前置:17.3 节,乘法是旋转加伸缩,商的偏角是偏角之差。
前置:国内书第 14 章 14.5 节共线向量定理、第 15 章 15.5 节垂直的判定,复数的条件是它们的另一种写法。
前置:国内书第 16 章,余弦定理和三角形面积。
后续:17.7 节,arg z − α z − β \arg\dfrac{z - \alpha}{z - \beta} arg z − β z − α 为定值的点构成圆弧。
本书第 16 章 ベクトル:内分点、外分点、重心的公式两边一样。
∣ z − α ∣ \lvert z - \alpha \rvert ∣ z − α ∣ 是点 z z z 到点 α \alpha α 的距离。所以含模的方程直接读成“距离的条件”:
方程式
表す図形
∣ z − α ∣ = r \lvert z - \alpha \rvert = r ∣ z − α ∣ = r (r > 0 r > 0 r > 0 )
点 α \alpha α を中心とする半径 r r r の円
∣ z − α ∣ = ∣ z − β ∣ \lvert z - \alpha \rvert = \lvert z - \beta \rvert ∣ z − α ∣ = ∣ z − β ∣
2 点 α \alpha α ,β \beta β を結ぶ線分の垂直二等分線
∣ z − α ∣ = k ∣ z − β ∣ \lvert z - \alpha \rvert = k\lvert z - \beta \rvert ∣ z − α ∣ = k ∣ z − β ∣ (k > 0 k > 0 k > 0 ,k ≠ 1 k \ne 1 k = 1 )
圆(アポロニウスの円)
第一行国内书第 17 章 17.3 节讲过,第二行在该节的常用推论里出现过;第三行国内书没有用复数讲。
アポロニウスの円 :到两定点距离之比为 k : 1 k : 1 k : 1 (k ≠ 1 k \ne 1 k = 1 )的点的轨迹是圆,中心和半径是
中心 α − k 2 β 1 − k 2 , 半径 k ∣ α − β ∣ ∣ 1 − k 2 ∣ . \text{中心} \ \frac{\alpha - k^2\beta}{1 - k^2}, \qquad \text{半径} \ \frac{k\lvert \alpha - \beta \rvert}{\lvert 1 - k^2 \rvert}. 中心 1 − k 2 α − k 2 β , 半径 ∣ 1 − k 2 ∣ k ∣ α − β ∣ .
公式不必背,题目里用下面“平方、乘共轭、整理”的办法现场推。
z z ‾ z\overline{z} z z の形の方程式 :c c c 是实数,
z z ‾ + α ‾ z + α z ‾ + c = 0 ⟺ ∣ z + α ∣ 2 = ∣ α ∣ 2 − c . z\overline{z} + \overline{\alpha}z + \alpha\overline{z} + c = 0 \iff \lvert z + \alpha \rvert^2 = \lvert \alpha \rvert^2 - c. z z + α z + α z + c = 0 ⟺ ∣ z + α ∣ 2 = ∣ α ∣ 2 − c .
∣ α ∣ 2 − c > 0 \lvert \alpha \rvert^2 - c > 0 ∣ α ∣ 2 − c > 0 时,这是中心 − α -\alpha − α 、半径 ∣ α ∣ 2 − c \sqrt{\lvert \alpha \rvert^2 - c} ∣ α ∣ 2 − c 的圆。这是“配方”的复数版。
軌跡(w = f ( z ) w = f(z) w = f ( z ) ) :点 z z z 在某图形上动,求 w = f ( z ) w = f(z) w = f ( z ) 描出的图形。做法:从 w = f ( z ) w = f(z) w = f ( z ) 解出 z z z (用 w w w 表示),代入 z z z 满足的方程,得到 w w w 满足的方程,再认图形。
题目给出 ∣ z + 2 ∣ = 2 ∣ z − 1 ∣ \lvert z + 2 \rvert = 2\lvert z - 1 \rvert ∣ z + 2 ∣ = 2 ∣ z − 1 ∣ 、z z ‾ + ( 1 + i ) z + ( 1 − i ) z ‾ = 2 z\overline{z} + (1 + i)z + (1 - i)\overline{z} = 2 z z + ( 1 + i ) z + ( 1 − i ) z = 2 之类的方程,问它表示什么图形、中心和半径:两边平方写成乘共轭,整理成 ∣ z − γ ∣ 2 = ρ 2 \lvert z - \gamma \rvert^2 = \rho^2 ∣ z − γ ∣ 2 = ρ 2 。
题目说「点 z z z が円 … 上を動くとき,w = 1 z w = \dfrac{1}{z} w = z 1 (或 w = ( 1 + i ) z w = (1 + i)z w = ( 1 + i ) z 等)が描く図形」:解出 z z z 代入。
题目说 z z z 在某个圆上动,求 ∣ z − c ∣ \lvert z - c \rvert ∣ z − c ∣ 或 arg z \arg z arg z 的最大值、最小值:画图,过圆心连线或作切线。
平方时两边都平方:∣ z + 2 ∣ = 2 ∣ z − 1 ∣ \lvert z + 2 \rvert = 2\lvert z - 1 \rvert ∣ z + 2 ∣ = 2 ∣ z − 1 ∣ 平方后右边是 4 ∣ z − 1 ∣ 2 4\lvert z - 1 \rvert^2 4 ∣ z − 1 ∣ 2 。
整理 z z ‾ z\overline{z} z z 形式时,α ‾ z \overline{\alpha}z α z 和 α z ‾ \alpha\overline{z} α z 的系数必须互为共轭,常数项必须是实数,否则不是圆。
求轨迹时 z z z 的限制条件(如 z ≠ 0 z \ne 0 z = 0 )要转成 w w w 的限制,可能要去掉点。
拿不准时可以设 z = x + y i z = x + yi z = x + y i 化成 x x x 、y y y 的方程,这是保底的方法;但 EJU 的誘導往往按 z z ‾ z\overline{z} z z 的形式出空格,两种都要会。
EJU 题干:「点 z z z は … を満たしながら動く」「w w w が描く図形は点 A \fbox{A} A を中心とする半径 B \fbox{B} B の円である」「∣ z ∣ \lvert z \rvert ∣ z ∣ の最大値」。
结论 1:アポロニウスの円。 两边平方,写成乘共轭:
( z − α ) ( z ‾ − α ‾ ) = k 2 ( z − β ) ( z ‾ − β ‾ ) . (z - \alpha)(\overline{z} - \overline{\alpha}) = k^2(z - \beta)(\overline{z} - \overline{\beta}). ( z − α ) ( z − α ) = k 2 ( z − β ) ( z − β ) .
展开整理,
( 1 − k 2 ) z z ‾ − ( α ‾ − k 2 β ‾ ) z − ( α − k 2 β ) z ‾ + ∣ α ∣ 2 − k 2 ∣ β ∣ 2 = 0. (1 - k^2)z\overline{z} - (\overline{\alpha} - k^2\overline{\beta})z - (\alpha - k^2\beta)\overline{z} + \lvert \alpha \rvert^2 - k^2\lvert \beta \rvert^2 = 0. ( 1 − k 2 ) z z − ( α − k 2 β ) z − ( α − k 2 β ) z + ∣ α ∣ 2 − k 2 ∣ β ∣ 2 = 0.
除以 1 − k 2 1 - k^2 1 − k 2 (关键一步 :k ≠ 1 k \ne 1 k = 1 才能除;k = 1 k = 1 k = 1 时 z z ‾ z\overline{z} z z 项消失,剩下一次式,是直线,即垂直平分线),记 γ = α − k 2 β 1 − k 2 \gamma = \dfrac{\alpha - k^2\beta}{1 - k^2} γ = 1 − k 2 α − k 2 β ,上式就是
z z ‾ − γ ‾ z − γ z ‾ + ∣ α ∣ 2 − k 2 ∣ β ∣ 2 1 − k 2 = 0 , ∣ z − γ ∣ 2 = ∣ γ ∣ 2 − ∣ α ∣ 2 − k 2 ∣ β ∣ 2 1 − k 2 . z\overline{z} - \overline{\gamma}z - \gamma\overline{z} + \frac{\lvert \alpha \rvert^2 - k^2\lvert \beta \rvert^2}{1 - k^2} = 0, \qquad \lvert z - \gamma \rvert^2 = \lvert \gamma \rvert^2 - \frac{\lvert \alpha \rvert^2 - k^2\lvert \beta \rvert^2}{1 - k^2}. z z − γ z − γ z + 1 − k 2 ∣ α ∣ 2 − k 2 ∣ β ∣ 2 = 0 , ∣ z − γ ∣ 2 = ∣ γ ∣ 2 − 1 − k 2 ∣ α ∣ 2 − k 2 ∣ β ∣ 2 .
右边通分后分子是 ∣ α − k 2 β ∣ 2 − ( 1 − k 2 ) ( ∣ α ∣ 2 − k 2 ∣ β ∣ 2 ) = k 2 ∣ α − β ∣ 2 \lvert \alpha - k^2\beta \rvert^2 - (1 - k^2)(\lvert \alpha \rvert^2 - k^2\lvert \beta \rvert^2) = k^2\lvert \alpha - \beta \rvert^2 ∣ α − k 2 β ∣ 2 − ( 1 − k 2 ) (∣ α ∣ 2 − k 2 ∣ β ∣ 2 ) = k 2 ∣ α − β ∣ 2 (展开验证,交叉项 − k 2 ( α β ‾ + α ‾ β ) -k^2(\alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta) − k 2 ( α β + α β ) 和 ∣ α ∣ 2 \lvert \alpha \rvert^2 ∣ α ∣ 2 、∣ β ∣ 2 \lvert \beta \rvert^2 ∣ β ∣ 2 凑成 k 2 ∣ α − β ∣ 2 k^2\lvert \alpha - \beta \rvert^2 k 2 ∣ α − β ∣ 2 ),所以右边 = k 2 ∣ α − β ∣ 2 ( 1 − k 2 ) 2 > 0 = \dfrac{k^2\lvert \alpha - \beta \rvert^2}{(1 - k^2)^2} > 0 = ( 1 − k 2 ) 2 k 2 ∣ α − β ∣ 2 > 0 ,是圆,半径如说明所写。
结论 2:z z ‾ z\overline{z} z z 形式。 ∣ z + α ∣ 2 = ( z + α ) ( z ‾ + α ‾ ) = z z ‾ + α ‾ z + α z ‾ + ∣ α ∣ 2 \lvert z + \alpha \rvert^2 = (z + \alpha)(\overline{z} + \overline{\alpha}) = z\overline{z} + \overline{\alpha}z + \alpha\overline{z} + \lvert \alpha \rvert^2 ∣ z + α ∣ 2 = ( z + α ) ( z + α ) = z z + α z + α z + ∣ α ∣ 2 ,把原方程的前三项换成 ∣ z + α ∣ 2 − ∣ α ∣ 2 \lvert z + \alpha \rvert^2 - \lvert \alpha \rvert^2 ∣ z + α ∣ 2 − ∣ α ∣ 2 即得。
例 1 (场景:认出方程表示的图形)
問題 方程式 ∣ z + 2 ∣ = 2 ∣ z − 1 ∣ \lvert z + 2 \rvert = 2\lvert z - 1 \rvert ∣ z + 2 ∣ = 2 ∣ z − 1 ∣ はどのような図形を表すか。
解答 両辺を 2 2 2 乗すると ( z + 2 ) ( z ‾ + 2 ) = 4 ( z − 1 ) ( z ‾ − 1 ) (z + 2)(\overline{z} + 2) = 4(z - 1)(\overline{z} - 1) ( z + 2 ) ( z + 2 ) = 4 ( z − 1 ) ( z − 1 ) である。展開すると
z z ‾ + 2 z + 2 z ‾ + 4 = 4 z z ‾ − 4 z − 4 z ‾ + 4 , z\overline{z} + 2z + 2\overline{z} + 4 = 4z\overline{z} - 4z - 4\overline{z} + 4, z z + 2 z + 2 z + 4 = 4 z z − 4 z − 4 z + 4 ,
3 z z ‾ − 6 z − 6 z ‾ = 0 , z z ‾ − 2 z − 2 z ‾ = 0 , ( z − 2 ) ( z ‾ − 2 ) = 4. 3z\overline{z} - 6z - 6\overline{z} = 0, \qquad z\overline{z} - 2z - 2\overline{z} = 0, \qquad (z - 2)(\overline{z} - 2) = 4. 3 z z − 6 z − 6 z = 0 , z z − 2 z − 2 z = 0 , ( z − 2 ) ( z − 2 ) = 4.
よって ∣ z − 2 ∣ = 2 \lvert z - 2 \rvert = 2 ∣ z − 2 ∣ = 2 である。すなわち,点 2 2 2 を中心とする半径 2 2 2 の円である。
中文翻译 题目:方程 ∣ z + 2 ∣ = 2 ∣ z − 1 ∣ \lvert z + 2 \rvert = 2\lvert z - 1 \rvert ∣ z + 2 ∣ = 2 ∣ z − 1 ∣ 表示什么图形?解答:两边平方:( z + 2 ) ( z ‾ + 2 ) = 4 ( z − 1 ) ( z ‾ − 1 ) (z + 2)(\overline{z} + 2) = 4(z - 1)(\overline{z} - 1) ( z + 2 ) ( z + 2 ) = 4 ( z − 1 ) ( z − 1 ) 。展开:z z ‾ + 2 z + 2 z ‾ + 4 = 4 z z ‾ − 4 z − 4 z ‾ + 4 z\overline{z} + 2z + 2\overline{z} + 4 = 4z\overline{z} - 4z - 4\overline{z} + 4 z z + 2 z + 2 z + 4 = 4 z z − 4 z − 4 z + 4 ,3 z z ‾ − 6 z − 6 z ‾ = 0 3z\overline{z} - 6z - 6\overline{z} = 0 3 z z − 6 z − 6 z = 0 ,z z ‾ − 2 z − 2 z ‾ = 0 z\overline{z} - 2z - 2\overline{z} = 0 z z − 2 z − 2 z = 0 ,( z − 2 ) ( z ‾ − 2 ) = 4 (z - 2)(\overline{z} - 2) = 4 ( z − 2 ) ( z − 2 ) = 4 。所以 ∣ z − 2 ∣ = 2 \lvert z - 2 \rvert = 2 ∣ z − 2 ∣ = 2 :以点 2 为中心、半径 2 的圆。
解说 另一种解法 :阿波罗尼斯圆的直径两端是“把线段按 2 : 1 2 : 1 2 : 1 内分和外分的点”。A ( − 2 ) \mathrm{A}(-2) A ( − 2 ) 、B ( 1 ) \mathrm{B}(1) B ( 1 ) ,内分点 1 ⋅ ( − 2 ) + 2 ⋅ 1 3 = 0 \dfrac{1 \cdot (-2) + 2 \cdot 1}{3} = 0 3 1 ⋅ ( − 2 ) + 2 ⋅ 1 = 0 ,外分点 − 1 ⋅ ( − 2 ) + 2 ⋅ 1 2 − 1 = 4 \dfrac{-1 \cdot (-2) + 2 \cdot 1}{2 - 1} = 4 2 − 1 − 1 ⋅ ( − 2 ) + 2 ⋅ 1 = 4 。直径从 0 到 4,中心 2、半径 2。两个点都在实轴上时这样口算最快;点不在一条坐标轴上时,内分外分点仍好求,但最好用代数法核对一次。平方时右边的系数 2 也要平方,是 4 ∣ z − 1 ∣ 2 4\lvert z - 1 \rvert^2 4 ∣ z − 1 ∣ 2 。
例 2 (场景:z z ‾ z\overline{z} z z 形式的方程)
問題 方程式 z z ‾ + ( 1 + i ) z + ( 1 − i ) z ‾ = 2 z\overline{z} + (1 + i)z + (1 - i)\overline{z} = 2 z z + ( 1 + i ) z + ( 1 − i ) z = 2 はどのような図形を表すか。
解答 z z ‾ + α ‾ z + α z ‾ z\overline{z} + \overline{\alpha}z + \alpha\overline{z} z z + α z + α z の形と比べると,α ‾ = 1 + i \overline{\alpha} = 1 + i α = 1 + i ,α = 1 − i \alpha = 1 - i α = 1 − i である。左辺は ∣ z + ( 1 − i ) ∣ 2 − ∣ 1 − i ∣ 2 = ∣ z + 1 − i ∣ 2 − 2 \lvert z + (1 - i) \rvert^2 - \lvert 1 - i \rvert^2 = \lvert z + 1 - i \rvert^2 - 2 ∣ z + ( 1 − i ) ∣ 2 − ∣ 1 − i ∣ 2 = ∣ z + 1 − i ∣ 2 − 2 と変形できるから
∣ z − ( − 1 + i ) ∣ 2 = 4. \lvert z - (-1 + i) \rvert^2 = 4. ∣ z − ( − 1 + i ) ∣ 2 = 4.
よって,点 − 1 + i -1 + i − 1 + i を中心とする半径 2 2 2 の円である。
中文翻译 题目:方程 z z ‾ + ( 1 + i ) z + ( 1 − i ) z ‾ = 2 z\overline{z} + (1 + i)z + (1 - i)\overline{z} = 2 z z + ( 1 + i ) z + ( 1 − i ) z = 2 表示什么图形?解答:对照 z z ‾ + α ‾ z + α z ‾ z\overline{z} + \overline{\alpha}z + \alpha\overline{z} z z + α z + α z :α ‾ = 1 + i \overline{\alpha} = 1 + i α = 1 + i ,α = 1 − i \alpha = 1 - i α = 1 − i 。左边 = ∣ z + ( 1 − i ) ∣ 2 − ∣ 1 − i ∣ 2 = ∣ z + 1 − i ∣ 2 − 2 = \lvert z + (1 - i) \rvert^2 - \lvert 1 - i \rvert^2 = \lvert z + 1 - i \rvert^2 - 2 = ∣ z + ( 1 − i ) ∣ 2 − ∣ 1 − i ∣ 2 = ∣ z + 1 − i ∣ 2 − 2 ,所以 ∣ z − ( − 1 + i ) ∣ 2 = 4 \lvert z - (-1 + i) \rvert^2 = 4 ∣ z − ( − 1 + i ) ∣ 2 = 4 。以 − 1 + i -1 + i − 1 + i 为中心、半径 2 的圆。
解说 容易卡在:把中心写成 1 − i 1 - i 1 − i 或 1 + i 1 + i 1 + i 。∣ z + α ∣ \lvert z + \alpha \rvert ∣ z + α ∣ 的中心是 − α -\alpha − α 。这里 α = 1 − i \alpha = 1 - i α = 1 − i ,中心是 − ( 1 − i ) = − 1 + i -(1 - i) = -1 + i − ( 1 − i ) = − 1 + i 。
例 3 (场景:w = f ( z ) w = f(z) w = f ( z ) 的轨迹)
問題 点 z z z が円 ∣ z − 1 ∣ = 1 \lvert z - 1 \rvert = 1 ∣ z − 1 ∣ = 1 上を(z ≠ 0 z \ne 0 z = 0 )動くとき,w = 1 z w = \dfrac{1}{z} w = z 1 が描く図形を求めよ。
解答 z = 1 w z = \dfrac{1}{w} z = w 1 (w ≠ 0 w \ne 0 w = 0 )を代入すると
∣ 1 w − 1 ∣ = 1 , ∣ 1 − w ∣ ∣ w ∣ = 1 , ∣ w − 1 ∣ = ∣ w ∣ . \left\lvert \frac{1}{w} - 1 \right\rvert = 1, \qquad \frac{\lvert 1 - w \rvert}{\lvert w \rvert} = 1, \qquad \lvert w - 1 \rvert = \lvert w \rvert. w 1 − 1 = 1 , ∣ w ∣ ∣ 1 − w ∣ = 1 , ∣ w − 1 ∣ = ∣ w ∣ .
w w w は 1 1 1 からの距離と 0 0 0 からの距離が等しいから,0 0 0 と 1 1 1 を結ぶ線分の垂直二等分線上にある。すなわち直線 R e w = 1 2 \mathrm{Re}\,w = \dfrac{1}{2} Re w = 2 1 (実部が 1 2 \dfrac{1}{2} 2 1 である点全体)である。逆に,この直線上のどの w w w も 0 0 0 でなく,z = 1 w z = \dfrac{1}{w} z = w 1 は円上にあって 0 0 0 でないから,軌跡は直線全体である。
中文翻译 题目:点 z z z 在圆 ∣ z − 1 ∣ = 1 \lvert z - 1 \rvert = 1 ∣ z − 1 ∣ = 1 上(z ≠ 0 z \ne 0 z = 0 )运动。求 w = 1 z w = \dfrac{1}{z} w = z 1 描出的图形。解答:z = 1 w z = \dfrac{1}{w} z = w 1 (w ≠ 0 w \ne 0 w = 0 )代入:∣ 1 w − 1 ∣ = 1 \left\lvert \frac{1}{w} - 1 \right\rvert = 1 w 1 − 1 = 1 ,∣ 1 − w ∣ ∣ w ∣ = 1 \frac{\lvert 1 - w \rvert}{\lvert w \rvert} = 1 ∣ w ∣ ∣ 1 − w ∣ = 1 ,∣ w − 1 ∣ = ∣ w ∣ \lvert w - 1 \rvert = \lvert w \rvert ∣ w − 1 ∣ = ∣ w ∣ 。w w w 到 1 和到 0 的距离相等,所以 w w w 在 0 和 1 的垂直平分线上,即直线 R e w = 1 2 \mathrm{Re}\,w = \dfrac{1}{2} Re w = 2 1 (实部为 1 2 \dfrac{1}{2} 2 1 的点全体)。反过来,这条直线上每个 w w w 都不为 0,z = 1 w z = \dfrac{1}{w} z = w 1 在圆上且不为 0,所以轨迹是整条直线。
解说 容易卡在:把 w = 1 z w = \dfrac{1}{z} w = z 1 直接代成 ∣ w − 1 ∣ = 1 \lvert w - 1 \rvert = 1 ∣ w − 1 ∣ = 1 ,说 w w w 也在同一个圆上。已知条件是关于 z z z 的,要先用 w w w 表示 z z z ,即 z = 1 w z = \dfrac{1}{w} z = w 1 ,再代入 z z z 的方程。z ≠ 0 z \ne 0 z = 0 这个限制对应 w ≠ 0 w \ne 0 w = 0 ,而 R e w = 1 2 \mathrm{Re}\,w = \dfrac{1}{2} Re w = 2 1 上确实没有 w = 0 w = 0 w = 0 ,所以不用额外去掉点。
例 4 (场景:圆上的点的偏角的最值)
問題 点 z z z が円 ∣ z − 2 i ∣ = 1 \lvert z - 2i \rvert = 1 ∣ z − 2 i ∣ = 1 上を動くとき,arg z \arg z arg z (0 ≦ arg z < 2 π 0 \leqq \arg z < 2\pi 0 ≦ arg z < 2 π )の範囲と,arg z \arg z arg z が最大となるときの z z z を求めよ。
解答 円の中心を C ( 2 i ) \mathrm{C}(2i) C ( 2 i ) ,半径を 1 1 1 とすると,O C = 2 \mathrm{OC} = 2 OC = 2 である。原点からこの円に引いた 2 2 2 本の接線の接点を T \mathrm{T} T とすると,∠ O T C = 90 ° \angle\mathrm{OTC} = 90° ∠ OTC = 90° で sin ∠ C O T = 1 2 \sin\angle\mathrm{COT} = \dfrac{1}{2} sin ∠ COT = 2 1 であるから,∠ C O T = π 6 \angle\mathrm{COT} = \dfrac{\pi}{6} ∠ COT = 6 π である。O C \mathrm{OC} OC の向きは π 2 \dfrac{\pi}{2} 2 π であるから
π 3 ≦ arg z ≦ 2 π 3 . \frac{\pi}{3} \leqq \arg z \leqq \frac{2\pi}{3}. 3 π ≦ arg z ≦ 3 2 π .
最大となるとき,z z z は左側の接点で,O T = 2 2 − 1 2 = 3 \mathrm{OT} = \sqrt{2^2 - 1^2} = \sqrt{3} OT = 2 2 − 1 2 = 3 であるから
z = 3 ( cos 2 π 3 + i sin 2 π 3 ) = − 3 2 + 3 2 i . z = \sqrt{3}\left(\cos\frac{2\pi}{3} + i\sin\frac{2\pi}{3}\right) = -\frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{3}{2}i. z = 3 ( cos 3 2 π + i sin 3 2 π ) = − 2 3 + 2 3 i .
中文翻译 题目:点 z z z 在圆 ∣ z − 2 i ∣ = 1 \lvert z - 2i \rvert = 1 ∣ z − 2 i ∣ = 1 上运动。求 arg z \arg z arg z (0 ≤ arg z < 2 π 0 \le \arg z < 2\pi 0 ≤ arg z < 2 π )的范围,以及 arg z \arg z arg z 最大时的 z z z 。解答:圆心 C ( 2 i ) \mathrm{C}(2i) C ( 2 i ) ,半径 1,O C = 2 \mathrm{OC} = 2 OC = 2 。从原点作圆的两条切线,切点为 T,∠ O T C = 90 ° \angle\mathrm{OTC} = 90° ∠ OTC = 90° ,sin ∠ C O T = 1 2 \sin\angle\mathrm{COT} = \dfrac{1}{2} sin ∠ COT = 2 1 ,∠ C O T = π 6 \angle\mathrm{COT} = \dfrac{\pi}{6} ∠ COT = 6 π 。OC 的方向是 π 2 \dfrac{\pi}{2} 2 π ,所以 π 3 ≤ arg z ≤ 2 π 3 \frac{\pi}{3} \le \arg z \le \frac{2\pi}{3} 3 π ≤ arg z ≤ 3 2 π 。最大时 z z z 是左边的切点,O T = 2 2 − 1 2 = 3 \mathrm{OT} = \sqrt{2^2 - 1^2} = \sqrt{3} OT = 2 2 − 1 2 = 3 ,z = 3 ( cos 2 π 3 + i sin 2 π 3 ) = − 3 2 + 3 2 i z = \sqrt{3}\left(\cos\frac{2\pi}{3} + i\sin\frac{2\pi}{3}\right) = -\frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{3}{2}i z = 3 ( cos 3 2 π + i sin 3 2 π ) = − 2 3 + 2 3 i 。
解说 容易卡在:认为 arg z \arg z arg z 最大时 z z z 是圆的最左点 − 1 + 2 i -1 + 2i − 1 + 2 i 。最左点的偏角是 π − arctan 2 < 2 π 3 \pi - \arctan 2 < \dfrac{2\pi}{3} π − arctan 2 < 3 2 π ;偏角最大的是从原点看过去“最偏”的点,即切点。偏角的最值看过原点的切线,距离的最值看过圆心的直线。切线与 OC 的夹角由 sin ∠ C O T = r O C = 1 2 \sin\angle\mathrm{COT} = \dfrac{r}{\mathrm{OC}} = \dfrac{1}{2} sin ∠ COT = OC r = 2 1 得到,所以范围是 π 2 ± π 6 \dfrac{\pi}{2} \pm \dfrac{\pi}{6} 2 π ± 6 π 。
アポロニウスの円の直径 :满足 P A : P B = k : 1 \mathrm{PA} : \mathrm{PB} = k : 1 PA : PB = k : 1 的圆,直径的两端是线段 AB 按 k : 1 k : 1 k : 1 内分的点和外分的点。推导:这两个点在直线 AB 上且满足比例条件,又在圆上;圆心在直线 AB 上(由结论 1,γ \gamma γ 是 α \alpha α 、β \beta β 的实系数组合),所以它们是直径两端。
圆 ∣ z − α ∣ = r \lvert z - \alpha \rvert = r ∣ z − α ∣ = r 上的点,∣ z ∣ \lvert z \rvert ∣ z ∣ 的最大值 ∣ α ∣ + r \lvert \alpha \rvert + r ∣ α ∣ + r ,最小值 ∣ ∣ α ∣ − r ∣ \lvert \lvert \alpha \rvert - r \rvert ∣∣ α ∣ − r ∣ (原点在圆内时最小值是 r − ∣ α ∣ r - \lvert \alpha \rvert r − ∣ α ∣ )。推导:17.2 节三角不等式,过原点和圆心的直线与圆的两个交点取到。
arg z − α z − β = θ \arg\dfrac{z - \alpha}{z - \beta} = \theta arg z − β z − α = θ (定值,0 < ∣ θ ∣ < π 0 < \lvert \theta \rvert < \pi 0 < ∣ θ ∣ < π )的点 z z z 在以 AB 为弦的一段圆弧上。推导:17.6 节,θ \theta θ 是在 z z z 处从 z β z\beta z β 方向转到 z α z\alpha z α 方向的角,弦 AB 所对的圆周角一定的点在圆弧上(本书第 9 章)。
w = 1 z w = \dfrac{1}{z} w = z 1 把过原点的圆变成不过原点的直线,把不过原点的直线变成过原点的圆(去掉原点)。推导:同例 3,代入后看有没有 w w ‾ w\overline{w} w w 项。
∣ z − α ∣ + ∣ z − β ∣ = 2 a \lvert z - \alpha \rvert + \lvert z - \beta \rvert = 2a ∣ z − α ∣ + ∣ z − β ∣ = 2 a (2 a > ∣ α − β ∣ 2a > \lvert \alpha - \beta \rvert 2 a > ∣ α − β ∣ )是以 α \alpha α 、β \beta β 为焦点的椭圆。推导:椭圆的定义,见本书第 18 章。
错在哪 :∣ z + 2 ∣ = 2 ∣ z − 1 ∣ \lvert z + 2 \rvert = 2\lvert z - 1 \rvert ∣ z + 2 ∣ = 2 ∣ z − 1 ∣ 平方成 ∣ z + 2 ∣ 2 = 2 ∣ z − 1 ∣ 2 \lvert z + 2 \rvert^2 = 2\lvert z - 1 \rvert^2 ∣ z + 2 ∣ 2 = 2 ∣ z − 1 ∣ 2 。
为什么错 :右边的系数 2 也要平方。
正确做法 :∣ z + 2 ∣ 2 = 4 ∣ z − 1 ∣ 2 \lvert z + 2 \rvert^2 = 4\lvert z - 1 \rvert^2 ∣ z + 2 ∣ 2 = 4 ∣ z − 1 ∣ 2 。
错在哪 :例 3 把 w = 1 z w = \dfrac{1}{z} w = z 1 直接代成 ∣ w − 1 ∣ = 1 \lvert w - 1 \rvert = 1 ∣ w − 1 ∣ = 1 ,说 w w w 也在同一个圆上。
为什么错 :已知条件是关于 z z z 的,要先用 w w w 表示 z z z (z = 1 w z = \dfrac{1}{w} z = w 1 ),再代入 z z z 的方程。
正确做法 :∣ 1 w − 1 ∣ = 1 \left\lvert \dfrac{1}{w} - 1 \right\rvert = 1 w 1 − 1 = 1 ,整理得 ∣ w − 1 ∣ = ∣ w ∣ \lvert w - 1 \rvert = \lvert w \rvert ∣ w − 1 ∣ = ∣ w ∣ 。
错在哪 :例 4 认为 arg z \arg z arg z 最大时 z z z 是圆的最左点 − 1 + 2 i -1 + 2i − 1 + 2 i 。
为什么错 :最左点的偏角是 π − arctan 2 < 2 π 3 \pi - \arctan 2 < \dfrac{2\pi}{3} π − arctan 2 < 3 2 π ;偏角最大的是从原点看过去“最偏”的点,即切点。
正确做法 :偏角的最值看过原点的切线,距离的最值看过圆心的直线。
∣ z − α ∣ \lvert z - \alpha \rvert ∣ z − α ∣ 就是”z z z 离 α \alpha α 多远”。所以“到一点距离一定”是圆,“到两点距离相等”是垂直平分线,“到两点距离之比一定”是圆(アポロニウスの円),“到两点距离之和一定”是椭圆。复数方程只是把这些几何条件写得更短。
w = 1 z w = \dfrac{1}{z} w = z 1 可以看成两步:先取共轭(关于实轴翻折),再把到原点的距离变成倒数(1 z = z ‾ ∣ z ∣ 2 \dfrac{1}{z} = \dfrac{\overline{z}}{\lvert z \rvert^2} z 1 = ∣ z ∣ 2 z )。离原点越近的点被送得越远,过原点的圆在原点附近的部分被送到无穷远,圆就被“拉直”成了直线。
前置:17.2 节,∣ z ∣ 2 = z z ‾ \lvert z \rvert^2 = z\overline{z} ∣ z ∣ 2 = z z 和共轭的运算性质。
前置:国内书第 29 章 29.2 节,圆的标准方程;国内书第 28 章,垂直平分线。
前置:17.6 节,比值的偏角是两直线的夹角。
本书第 11 章 図形と方程式:轨迹的求法(设动点、代入、去参数),アポロニウスの円的坐标做法。
本书第 18 章 式と曲線:椭圆、双曲线的定义也是“到两点距离”的条件。
2014–2021 年复数平面属于数学Ⅲ,以下出题位置据这段时间的公开过去问;2026 年新シラバス下还没有公开试题。EJU コース2 里复数平面通常是 Ⅱ 的問2(2015 年第 1、2 回,2016 年第 1 回,2017 年第 1 回,2019 年第 1 回,2020 年第 2 回,2021 年第 1 回都是),偶尔单独出成一整道大问(2016 年第 2 回的 Ⅲ,用偏角条件和直线方程求点 z)。一题只考一条线,誘導的骨架很固定:
代数线 :(1) 化极形式,填模和偏角(偏角写成 B CD π \dfrac{\fbox{B}}{\fbox{CD}}\pi CD B π 的样子)→ (2) 用棣莫弗求 z n z^n z n ,或问使 z n z^n z n 为实数的最小 n n n → (3) 解 z n = a z^n = a z n = a ,或求 1 + α + … 1 + \alpha + \dots 1 + α + … 之类的值。
形状线 :(1) 由关系式求比值 β α \dfrac{\beta}{\alpha} α β → (2) 读出边之比和夹角,从 ⓪~⑨ 里选三角形的形状 → (3) 给出具体的 β \beta β ,求 α \alpha α 、面积、外接圆。
轨迹线 :(1) 把方程化成 ∣ z − γ ∣ = ρ \lvert z - \gamma \rvert = \rho ∣ z − γ ∣ = ρ ,填中心和半径 → (2) 求 ∣ z − c ∣ \lvert z - c \rvert ∣ z − c ∣ 的最值 → (3) w = f ( z ) w = f(z) w = f ( z ) 的轨迹。
填涂提醒:偏角 5 12 π \dfrac{5}{12}\pi 12 5 π 填进 B CD π \dfrac{\fbox{B}}{\fbox{CD}}\pi CD B π 是「5」「1」「2」;中心 − i -i − i 填进 AB i \fbox{AB}\,i AB i 是「-」「1」,系数 1 不能省;题干已写出负号的格只填数字;根号里填最小的自然数,分母有理化。
問題 1 (極形式とド・モアブルの定理)
複素数 z = − 1 + 3 i 1 + i z = \dfrac{-1 + \sqrt{3}i}{1 + i} z = 1 + i − 1 + 3 i について考える。ただし,偏角 θ \theta θ は 0 ≦ θ < 2 π 0 \leqq \theta < 2\pi 0 ≦ θ < 2 π とする。
(1) z z z の絶対値は A \sqrt{\fbox{A}} A であり,偏角は B CD π \dfrac{\fbox{B}}{\fbox{CD}}\pi CD B π である。
(2) z n z^n z n が実数となる最小の自然数 n n n は n = EF n = \fbox{EF} n = EF であり,このとき z n = − GH z^n = -\fbox{GH} z n = − GH である。
(3) z n z^n z n が純虚数となる最小の自然数 n n n は n = I n = \fbox{I} n = I であり,このとき z n = J i z^n = \fbox{J}\,i z n = J i である。
解答 (1) 分子は − 1 + 3 i = 2 ( cos 2 π 3 + i sin 2 π 3 ) -1 + \sqrt{3}i = 2\left(\cos\dfrac{2\pi}{3} + i\sin\dfrac{2\pi}{3}\right) − 1 + 3 i = 2 ( cos 3 2 π + i sin 3 2 π ) ,分母は 1 + i = 2 ( cos π 4 + i sin π 4 ) 1 + i = \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right) 1 + i = 2 ( cos 4 π + i sin 4 π ) である。よって絶対値は 2 2 = 2 \dfrac{2}{\sqrt{2}} = \sqrt{2} 2 2 = 2 ,偏角は 2 π 3 − π 4 = 5 π 12 \dfrac{2\pi}{3} - \dfrac{\pi}{4} = \dfrac{5\pi}{12} 3 2 π − 4 π = 12 5 π である。したがって A = 2 \fbox{A} = 2 A = 2 ,B = 5 \fbox{B} = 5 B = 5 ,CD \fbox{CD} CD には 1 1 1 と 2 2 2 を入れる。
(2) z n = ( 2 ) n ( cos 5 n π 12 + i sin 5 n π 12 ) z^n = (\sqrt{2})^n\left(\cos\dfrac{5n\pi}{12} + i\sin\dfrac{5n\pi}{12}\right) z n = ( 2 ) n ( cos 12 5 nπ + i sin 12 5 nπ ) である。実数となるのは 5 n 12 \dfrac{5n}{12} 12 5 n が整数となるときで,5 5 5 と 12 12 12 は互いに素だから n n n は 12 12 12 の倍数である。最小の n = 12 n = 12 n = 12 で,EF \fbox{EF} EF には 1 1 1 と 2 2 2 を入れる。このとき z 12 = 2 6 ( cos 5 π + i sin 5 π ) = − 64 z^{12} = 2^6(\cos 5\pi + i\sin 5\pi) = -64 z 12 = 2 6 ( cos 5 π + i sin 5 π ) = − 64 であるから,GH \fbox{GH} GH には 6 6 6 と 4 4 4 を入れる。
(3) 純虚数となるのは 5 n π 12 = π 2 + k π \dfrac{5n\pi}{12} = \dfrac{\pi}{2} + k\pi 12 5 nπ = 2 π + k π ,すなわち 5 n = 6 + 12 k 5n = 6 + 12k 5 n = 6 + 12 k となるときである。n = 1 , 2 , … n = 1, 2, \dots n = 1 , 2 , … と順に試すと,5 n 5n 5 n を 12 12 12 で割った余りが 6 6 6 となる最小の n n n は 6 6 6 である(5 × 6 = 30 = 6 + 24 5 \times 6 = 30 = 6 + 24 5 × 6 = 30 = 6 + 24 )。よって I = 6 \fbox{I} = 6 I = 6 。このとき z 6 = 8 ( cos 5 π 2 + i sin 5 π 2 ) = 8 i z^6 = 8\left(\cos\dfrac{5\pi}{2} + i\sin\dfrac{5\pi}{2}\right) = 8i z 6 = 8 ( cos 2 5 π + i sin 2 5 π ) = 8 i であるから J = 8 \fbox{J} = 8 J = 8 。
中文翻译 题目:考虑复数 z = − 1 + 3 i 1 + i z = \dfrac{-1 + \sqrt{3}i}{1 + i} z = 1 + i − 1 + 3 i ,偏角 θ \theta θ 取 0 ≤ θ < 2 π 0 \le \theta < 2\pi 0 ≤ θ < 2 π 。(1)z z z 的模是 A \sqrt{\fbox{A}} A ,偏角是 B CD π \dfrac{\fbox{B}}{\fbox{CD}}\pi CD B π 。(2)使 z n z^n z n 为实数的最小自然数 n = EF n = \fbox{EF} n = EF ,此时 z n = − GH z^n = -\fbox{GH} z n = − GH 。(3)使 z n z^n z n 为纯虚数的最小自然数 n = I n = \fbox{I} n = I ,此时 z n = J i z^n = \fbox{J}\,i z n = J i 。解答:(1)分子 − 1 + 3 i = 2 ( cos 2 π 3 + i sin 2 π 3 ) -1 + \sqrt{3}i = 2\left(\cos\dfrac{2\pi}{3} + i\sin\dfrac{2\pi}{3}\right) − 1 + 3 i = 2 ( cos 3 2 π + i sin 3 2 π ) ,分母 1 + i = 2 ( cos π 4 + i sin π 4 ) 1 + i = \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right) 1 + i = 2 ( cos 4 π + i sin 4 π ) 。模 2 2 = 2 \dfrac{2}{\sqrt{2}} = \sqrt{2} 2 2 = 2 ,偏角 2 π 3 − π 4 = 5 π 12 \dfrac{2\pi}{3} - \dfrac{\pi}{4} = \dfrac{5\pi}{12} 3 2 π − 4 π = 12 5 π 。所以 A = 2 \fbox{A} = 2 A = 2 ,B = 5 \fbox{B} = 5 B = 5 ,CD \fbox{CD} CD 填 1 和 2。(2)z n = ( 2 ) n ( cos 5 n π 12 + i sin 5 n π 12 ) z^n = (\sqrt{2})^n\left(\cos\dfrac{5n\pi}{12} + i\sin\dfrac{5n\pi}{12}\right) z n = ( 2 ) n ( cos 12 5 nπ + i sin 12 5 nπ ) 。实数的条件是 5 n 12 \dfrac{5n}{12} 12 5 n 为整数,5 与 12 互素,所以 n n n 是 12 的倍数,最小 n = 12 n = 12 n = 12 ,EF \fbox{EF} EF 填 1 和 2。此时 z 12 = 2 6 ( cos 5 π + i sin 5 π ) = − 64 z^{12} = 2^6(\cos 5\pi + i\sin 5\pi) = -64 z 12 = 2 6 ( cos 5 π + i sin 5 π ) = − 64 ,GH \fbox{GH} GH 填 6 和 4。(3)纯虚数的条件是 5 n π 12 = π 2 + k π \dfrac{5n\pi}{12} = \dfrac{\pi}{2} + k\pi 12 5 nπ = 2 π + k π ,即 5 n = 6 + 12 k 5n = 6 + 12k 5 n = 6 + 12 k 。n = 1 , 2 , … n = 1, 2, \dots n = 1 , 2 , … 依次试,5 n 5n 5 n 除以 12 余 6 的最小 n n n 是 6(5 × 6 = 30 = 6 + 24 5 \times 6 = 30 = 6 + 24 5 × 6 = 30 = 6 + 24 ),I = 6 \fbox{I} = 6 I = 6 。此时 z 6 = 8 ( cos 5 π 2 + i sin 5 π 2 ) = 8 i z^6 = 8\left(\cos\dfrac{5\pi}{2} + i\sin\dfrac{5\pi}{2}\right) = 8i z 6 = 8 ( cos 2 5 π + i sin 2 5 π ) = 8 i ,J = 8 \fbox{J} = 8 J = 8 。
解说 两分钟做法:商先化极形式,模相除、偏角相减;再套棣莫弗,实数的条件看 sin \sin sin 为 0(π \pi π 的整数倍),纯虚数的条件看 cos \cos cos 为 0(π 2 \dfrac{\pi}{2} 2 π 的奇数倍)。空格判断:A = 2 \fbox{A} = 2 A = 2 是模的平方里填的数;偏角 5 π 12 \dfrac{5\pi}{12} 12 5 π 按 B CD π \dfrac{\fbox{B}}{\fbox{CD}}\pi CD B π 填「5」「1」「2」;GH \fbox{GH} GH 题干已写出负号,只填「6」「4」;J i \fbox{J}\,i J i 填系数 8,符号由题干给出。
問題 2 (複素数と図形:三角形の形状)
O を原点とする複素数平面上で,0 でない複素数 α \alpha α ,β \beta β が
α 2 − 2 α β + 4 β 2 = 0 , ∣ β ∣ = 2 \alpha^2 - 2\alpha\beta + 4\beta^2 = 0, \qquad \lvert \beta \rvert = 2 α 2 − 2 α β + 4 β 2 = 0 , ∣ β ∣ = 2
を満たしている。A ( α ) \mathrm{A}(\alpha) A ( α ) ,B ( β ) \mathrm{B}(\beta) B ( β ) とする。
(1) α β = A ± B i \dfrac{\alpha}{\beta} = \fbox{A} \pm \sqrt{\fbox{B}}\,i β α = A ± B i である。
(2) ∣ α ∣ = C \lvert \alpha \rvert = \fbox{C} ∣ α ∣ = C ,∠ A O B = π D \angle\mathrm{AOB} = \dfrac{\pi}{\fbox{D}} ∠ AOB = D π ,A B = E F \mathrm{AB} = \fbox{E}\sqrt{\fbox{F}} AB = E F である。したがって,△ O A B \triangle\mathrm{OAB} △ OAB の形状は G \fbox{G} G である。G \fbox{G} G に当てはまるものを,次の ⓪~③ の中から一つ選びなさい。
⓪ 正三角形 ① ∠ O A B = 90 ° \angle\mathrm{OAB} = 90° ∠ OAB = 90° の直角三角形 ② ∠ O B A = 90 ° \angle\mathrm{OBA} = 90° ∠ OBA = 90° の直角三角形 ③ O A = A B \mathrm{OA} = \mathrm{AB} OA = AB の二等辺三角形
(3) さらに β = 1 + 3 i \beta = 1 + \sqrt{3}i β = 1 + 3 i で,α \alpha α の虚部が正であるとき,α = − H + I J i \alpha = -\fbox{H} + \fbox{I}\sqrt{\fbox{J}}\,i α = − H + I J i であり,△ O A B \triangle\mathrm{OAB} △ OAB の外接円の中心は − K + L i -\fbox{K} + \sqrt{\fbox{L}}\,i − K + L i ,半径は M \fbox{M} M である。
解答 (1) β 2 \beta^2 β 2 で割り,w = α β w = \dfrac{\alpha}{\beta} w = β α とおくと w 2 − 2 w + 4 = 0 w^2 - 2w + 4 = 0 w 2 − 2 w + 4 = 0 ,w = 1 ± 3 i w = 1 \pm \sqrt{3}i w = 1 ± 3 i である。よって A = 1 \fbox{A} = 1 A = 1 ,B = 3 \fbox{B} = 3 B = 3 。
(2) w = 2 { cos ( ± π 3 ) + i sin ( ± π 3 ) } w = 2\left\{\cos\left(\pm\dfrac{\pi}{3}\right) + i\sin\left(\pm\dfrac{\pi}{3}\right)\right\} w = 2 { cos ( ± 3 π ) + i sin ( ± 3 π ) } であるから,∣ α ∣ = 2 ∣ β ∣ = 4 \lvert \alpha \rvert = 2\lvert \beta \rvert = 4 ∣ α ∣ = 2 ∣ β ∣ = 4 ,∠ A O B = π 3 \angle\mathrm{AOB} = \dfrac{\pi}{3} ∠ AOB = 3 π である。よって C = 4 \fbox{C} = 4 C = 4 ,D = 3 \fbox{D} = 3 D = 3 。余弦定理より A B 2 = 16 + 4 − 2 ⋅ 4 ⋅ 2 ⋅ 1 2 = 12 \mathrm{AB}^2 = 16 + 4 - 2 \cdot 4 \cdot 2 \cdot \dfrac{1}{2} = 12 AB 2 = 16 + 4 − 2 ⋅ 4 ⋅ 2 ⋅ 2 1 = 12 ,A B = 2 3 \mathrm{AB} = 2\sqrt{3} AB = 2 3 で,E = 2 \fbox{E} = 2 E = 2 ,F = 3 \fbox{F} = 3 F = 3 。このとき O B 2 + A B 2 = 4 + 12 = 16 = O A 2 \mathrm{OB}^2 + \mathrm{AB}^2 = 4 + 12 = 16 = \mathrm{OA}^2 OB 2 + AB 2 = 4 + 12 = 16 = OA 2 であるから,∠ O B A = 90 ° \angle\mathrm{OBA} = 90° ∠ OBA = 90° であり,G \fbox{G} G は ② である。
(3) α = ( 1 ± 3 i ) β \alpha = (1 \pm \sqrt{3}i)\beta α = ( 1 ± 3 i ) β である。( 1 + 3 i ) ( 1 + 3 i ) = 1 + 2 3 i − 3 = − 2 + 2 3 i (1 + \sqrt{3}i)(1 + \sqrt{3}i) = 1 + 2\sqrt{3}i - 3 = -2 + 2\sqrt{3}i ( 1 + 3 i ) ( 1 + 3 i ) = 1 + 2 3 i − 3 = − 2 + 2 3 i で虚部は正,( 1 − 3 i ) ( 1 + 3 i ) = 4 (1 - \sqrt{3}i)(1 + \sqrt{3}i) = 4 ( 1 − 3 i ) ( 1 + 3 i ) = 4 で虚部は 0 0 0 となり,条件に合わない。よって α = − 2 + 2 3 i \alpha = -2 + 2\sqrt{3}i α = − 2 + 2 3 i で,H = 2 \fbox{H} = 2 H = 2 ,I = 2 \fbox{I} = 2 I = 2 ,J = 3 \fbox{J} = 3 J = 3 。直角三角形の外接円は斜辺 O A \mathrm{OA} OA を直径とする円だから,中心は O A \mathrm{OA} OA の中点 α 2 = − 1 + 3 i \dfrac{\alpha}{2} = -1 + \sqrt{3}i 2 α = − 1 + 3 i ,半径は O A 2 = 2 \dfrac{\mathrm{OA}}{2} = 2 2 OA = 2 である。よって K = 1 \fbox{K} = 1 K = 1 ,L = 3 \fbox{L} = 3 L = 3 ,M = 2 \fbox{M} = 2 M = 2 。
中文翻译 题目:在以 O 为原点的复平面上,非零复数 α \alpha α 、β \beta β 满足 α 2 − 2 α β + 4 β 2 = 0 \alpha^2 - 2\alpha\beta + 4\beta^2 = 0 α 2 − 2 α β + 4 β 2 = 0 ,∣ β ∣ = 2 \lvert \beta \rvert = 2 ∣ β ∣ = 2 ,记 A ( α ) \mathrm{A}(\alpha) A ( α ) 、B ( β ) \mathrm{B}(\beta) B ( β ) 。(1)α β = A ± B i \dfrac{\alpha}{\beta} = \fbox{A} \pm \sqrt{\fbox{B}}\,i β α = A ± B i 。(2)∣ α ∣ = C \lvert \alpha \rvert = \fbox{C} ∣ α ∣ = C ,∠ A O B = π D \angle\mathrm{AOB} = \dfrac{\pi}{\fbox{D}} ∠ AOB = D π ,A B = E F \mathrm{AB} = \fbox{E}\sqrt{\fbox{F}} AB = E F ,所以 △ O A B \triangle\mathrm{OAB} △ OAB 的形状是 G \fbox{G} G (从 ⓪ 正三角形、① ∠ O A B = 90 ° \angle\mathrm{OAB} = 90° ∠ OAB = 90° 的直角三角形、② ∠ O B A = 90 ° \angle\mathrm{OBA} = 90° ∠ OBA = 90° 的直角三角形、③ O A = A B \mathrm{OA} = \mathrm{AB} OA = AB 的等腰三角形中选一个)。(3)再设 β = 1 + 3 i \beta = 1 + \sqrt{3}i β = 1 + 3 i ,α \alpha α 的虚部为正,则 α = − H + I J i \alpha = -\fbox{H} + \fbox{I}\sqrt{\fbox{J}}\,i α = − H + I J i ,△ O A B \triangle\mathrm{OAB} △ OAB 外接圆的圆心是 − K + L i -\fbox{K} + \sqrt{\fbox{L}}\,i − K + L i ,半径是 M \fbox{M} M 。解答:(1)除以 β 2 \beta^2 β 2 ,设 w = α β w = \dfrac{\alpha}{\beta} w = β α :w 2 − 2 w + 4 = 0 w^2 - 2w + 4 = 0 w 2 − 2 w + 4 = 0 ,w = 1 ± 3 i w = 1 \pm \sqrt{3}i w = 1 ± 3 i ,A = 1 \fbox{A} = 1 A = 1 ,B = 3 \fbox{B} = 3 B = 3 。(2)w = 2 { cos ( ± π 3 ) + i sin ( ± π 3 ) } w = 2\left\{\cos\left(\pm\dfrac{\pi}{3}\right) + i\sin\left(\pm\dfrac{\pi}{3}\right)\right\} w = 2 { cos ( ± 3 π ) + i sin ( ± 3 π ) } ,所以 ∣ α ∣ = 2 ∣ β ∣ = 4 \lvert \alpha \rvert = 2\lvert \beta \rvert = 4 ∣ α ∣ = 2 ∣ β ∣ = 4 ,∠ A O B = π 3 \angle\mathrm{AOB} = \dfrac{\pi}{3} ∠ AOB = 3 π ,C = 4 \fbox{C} = 4 C = 4 ,D = 3 \fbox{D} = 3 D = 3 。余弦定理:A B 2 = 16 + 4 − 2 ⋅ 4 ⋅ 2 ⋅ 1 2 = 12 \mathrm{AB}^2 = 16 + 4 - 2 \cdot 4 \cdot 2 \cdot \dfrac{1}{2} = 12 AB 2 = 16 + 4 − 2 ⋅ 4 ⋅ 2 ⋅ 2 1 = 12 ,A B = 2 3 \mathrm{AB} = 2\sqrt{3} AB = 2 3 ,E = 2 \fbox{E} = 2 E = 2 ,F = 3 \fbox{F} = 3 F = 3 。此时 O B 2 + A B 2 = 4 + 12 = 16 = O A 2 \mathrm{OB}^2 + \mathrm{AB}^2 = 4 + 12 = 16 = \mathrm{OA}^2 OB 2 + AB 2 = 4 + 12 = 16 = OA 2 ,所以 ∠ O B A = 90 ° \angle\mathrm{OBA} = 90° ∠ OBA = 90° ,G \fbox{G} G 选 ②。(3)α = ( 1 ± 3 i ) β \alpha = (1 \pm \sqrt{3}i)\beta α = ( 1 ± 3 i ) β 。( 1 + 3 i ) ( 1 + 3 i ) = 1 + 2 3 i − 3 = − 2 + 2 3 i (1 + \sqrt{3}i)(1 + \sqrt{3}i) = 1 + 2\sqrt{3}i - 3 = -2 + 2\sqrt{3}i ( 1 + 3 i ) ( 1 + 3 i ) = 1 + 2 3 i − 3 = − 2 + 2 3 i ,虚部为正;( 1 − 3 i ) ( 1 + 3 i ) = 4 (1 - \sqrt{3}i)(1 + \sqrt{3}i) = 4 ( 1 − 3 i ) ( 1 + 3 i ) = 4 ,虚部为 0,不合条件。所以 α = − 2 + 2 3 i \alpha = -2 + 2\sqrt{3}i α = − 2 + 2 3 i ,H = 2 \fbox{H} = 2 H = 2 ,I = 2 \fbox{I} = 2 I = 2 ,J = 3 \fbox{J} = 3 J = 3 。直角三角形的外接圆以斜边 O A \mathrm{OA} OA 为直径,圆心是 O A \mathrm{OA} OA 的中点 α 2 = − 1 + 3 i \dfrac{\alpha}{2} = -1 + \sqrt{3}i 2 α = − 1 + 3 i ,半径 O A 2 = 2 \dfrac{\mathrm{OA}}{2} = 2 2 OA = 2 ,K = 1 \fbox{K} = 1 K = 1 ,L = 3 \fbox{L} = 3 L = 3 ,M = 2 \fbox{M} = 2 M = 2 。
解说 两分钟做法:关系式里 α \alpha α 、β \beta β 同时出现,先除以 β 2 \beta^2 β 2 设 w = α β w = \dfrac{\alpha}{\beta} w = β α ,变成二次方程;w w w 的模给边长之比,w w w 的偏角给夹角。形状判断:先算三边,再用勾股定理的逆定理确认直角在哪个顶点。选项排除:①、② 都写“直角三角形”,直角顶点不同,要用 O A 2 = O B 2 + A B 2 \mathrm{OA}^2 = \mathrm{OB}^2 + \mathrm{AB}^2 OA 2 = OB 2 + AB 2 判断直角在 B,选 ② 不是 ①;③ 的 O A = A B \mathrm{OA} = \mathrm{AB} OA = AB 本身不成立(O A = 4 \mathrm{OA} = 4 OA = 4 ,A B = 2 3 \mathrm{AB} = 2\sqrt{3} AB = 2 3 )。空格判断:A \fbox{A} A 、B \fbox{B} B 来自二次方程的根;H \fbox{H} H 题干已写出负号,只填 2;K \fbox{K} K 的系数 1 也要填。
問題 3 (方程式の表す図形と軌跡)
複素数平面上で,点 z z z が ∣ z − 3 i ∣ = 2 ∣ z ∣ \lvert z - 3i \rvert = 2\lvert z \rvert ∣ z − 3 i ∣ = 2 ∣ z ∣ を満たしながら動く。
(1) 点 z z z は,点 AB i \fbox{AB}\,i AB i を中心とする半径 C \fbox{C} C の円を描く。
(2) ∣ z − 3 − 3 i ∣ \lvert z - 3 - 3i \rvert ∣ z − 3 − 3 i ∣ の最大値は D \fbox{D} D ,最小値は E \fbox{E} E である。
(3) w = ( 1 + i ) z w = (1 + i)z w = ( 1 + i ) z とおくと,点 w w w は,点 F − G i \fbox{F} - \fbox{G}\,i F − G i を中心とする半径 H I \fbox{H}\sqrt{\fbox{I}} H I の円を描く。
解答 (1) 両辺を 2 2 2 乗すると ( z − 3 i ) ( z ‾ + 3 i ) = 4 z z ‾ (z - 3i)(\overline{z} + 3i) = 4z\overline{z} ( z − 3 i ) ( z + 3 i ) = 4 z z である。展開して z z ‾ + 3 i z − 3 i z ‾ + 9 = 4 z z ‾ z\overline{z} + 3iz - 3i\overline{z} + 9 = 4z\overline{z} z z + 3 i z − 3 i z + 9 = 4 z z ,整理すると
z z ‾ − i z + i z ‾ − 3 = 0. z\overline{z} - iz + i\overline{z} - 3 = 0. z z − i z + i z − 3 = 0.
z z ‾ + α ‾ z + α z ‾ z\overline{z} + \overline{\alpha}z + \alpha\overline{z} z z + α z + α z と比べると,α ‾ = − i \overline{\alpha} = -i α = − i ,α = i \alpha = i α = i である。よって ∣ z + i ∣ 2 − 1 − 3 = 0 \lvert z + i \rvert^2 - 1 - 3 = 0 ∣ z + i ∣ 2 − 1 − 3 = 0 ,すなわち ∣ z − ( − i ) ∣ = 2 \lvert z - (-i) \rvert = 2 ∣ z − ( − i )∣ = 2 で,中心は − i -i − i ,半径は 2 2 2 である。したがって AB \fbox{AB} AB には「-」と 1 1 1 ,C = 2 \fbox{C} = 2 C = 2 。
(2) ∣ z − ( 3 + 3 i ) ∣ \lvert z - (3 + 3i) \rvert ∣ z − ( 3 + 3 i )∣ は円上の点 z z z と点 3 + 3 i 3 + 3i 3 + 3 i の距離である。中心 − i -i − i と 3 + 3 i 3 + 3i 3 + 3 i の距離は ∣ 3 + 4 i ∣ = 5 \lvert 3 + 4i \rvert = 5 ∣ 3 + 4 i ∣ = 5 で半径 2 2 2 より大きいから,点 3 + 3 i 3 + 3i 3 + 3 i は円の外にある。よって最大値は 5 + 2 = 7 5 + 2 = 7 5 + 2 = 7 ,最小値は 5 − 2 = 3 5 - 2 = 3 5 − 2 = 3 で,D = 7 \fbox{D} = 7 D = 7 ,E = 3 \fbox{E} = 3 E = 3 。
(3) z = w 1 + i z = \dfrac{w}{1 + i} z = 1 + i w を ∣ z + i ∣ = 2 \lvert z + i \rvert = 2 ∣ z + i ∣ = 2 に代入すると ∣ w 1 + i + i ∣ = 2 \left\lvert \dfrac{w}{1 + i} + i \right\rvert = 2 1 + i w + i = 2 である。両辺に ∣ 1 + i ∣ = 2 \lvert 1 + i \rvert = \sqrt{2} ∣ 1 + i ∣ = 2 を掛けると
∣ w + i ( 1 + i ) ∣ = 2 2 , ∣ w − ( 1 − i ) ∣ = 2 2 . \lvert w + i(1 + i) \rvert = 2\sqrt{2}, \qquad \lvert w - (1 - i) \rvert = 2\sqrt{2}. ∣ w + i ( 1 + i )∣ = 2 2 , ∣ w − ( 1 − i )∣ = 2 2 .
よって中心は 1 − i 1 - i 1 − i ,半径は 2 2 2\sqrt{2} 2 2 で,F = 1 \fbox{F} = 1 F = 1 ,G = 1 \fbox{G} = 1 G = 1 ,H = 2 \fbox{H} = 2 H = 2 ,I = 2 \fbox{I} = 2 I = 2 。
中文翻译 题目:复平面上点 z z z 满足 ∣ z − 3 i ∣ = 2 ∣ z ∣ \lvert z - 3i \rvert = 2\lvert z \rvert ∣ z − 3 i ∣ = 2 ∣ z ∣ 运动。(1)点 z z z 描出以 AB i \fbox{AB}\,i AB i 为中心、半径 C \fbox{C} C 的圆。(2)∣ z − 3 − 3 i ∣ \lvert z - 3 - 3i \rvert ∣ z − 3 − 3 i ∣ 的最大值是 D \fbox{D} D ,最小值是 E \fbox{E} E 。(3)设 w = ( 1 + i ) z w = (1 + i)z w = ( 1 + i ) z ,点 w w w 描出以 F − G i \fbox{F} - \fbox{G}\,i F − G i 为中心、半径 H I \fbox{H}\sqrt{\fbox{I}} H I 的圆。解答:(1)两边平方:( z − 3 i ) ( z ‾ + 3 i ) = 4 z z ‾ (z - 3i)(\overline{z} + 3i) = 4z\overline{z} ( z − 3 i ) ( z + 3 i ) = 4 z z 。展开 z z ‾ + 3 i z − 3 i z ‾ + 9 = 4 z z ‾ z\overline{z} + 3iz - 3i\overline{z} + 9 = 4z\overline{z} z z + 3 i z − 3 i z + 9 = 4 z z ,整理 z z ‾ − i z + i z ‾ − 3 = 0 z\overline{z} - iz + i\overline{z} - 3 = 0 z z − i z + i z − 3 = 0 。对照 z z ‾ + α ‾ z + α z ‾ z\overline{z} + \overline{\alpha}z + \alpha\overline{z} z z + α z + α z :α ‾ = − i \overline{\alpha} = -i α = − i ,α = i \alpha = i α = i 。所以 ∣ z + i ∣ 2 − 1 − 3 = 0 \lvert z + i \rvert^2 - 1 - 3 = 0 ∣ z + i ∣ 2 − 1 − 3 = 0 ,∣ z − ( − i ) ∣ = 2 \lvert z - (-i) \rvert = 2 ∣ z − ( − i )∣ = 2 ,中心 − i -i − i ,半径 2。AB \fbox{AB} AB 填「-」和 1,C = 2 \fbox{C} = 2 C = 2 。(2)∣ z − ( 3 + 3 i ) ∣ \lvert z - (3 + 3i) \rvert ∣ z − ( 3 + 3 i )∣ 是圆上的点到 3 + 3 i 3 + 3i 3 + 3 i 的距离。圆心 − i -i − i 到 3 + 3 i 3 + 3i 3 + 3 i 的距离 ∣ 3 + 4 i ∣ = 5 \lvert 3 + 4i \rvert = 5 ∣ 3 + 4 i ∣ = 5 ,大于半径 2,点在圆外。最大值 5 + 2 = 7 5 + 2 = 7 5 + 2 = 7 ,最小值 5 − 2 = 3 5 - 2 = 3 5 − 2 = 3 ,D = 7 \fbox{D} = 7 D = 7 ,E = 3 \fbox{E} = 3 E = 3 。(3)z = w 1 + i z = \dfrac{w}{1 + i} z = 1 + i w 代入 ∣ z + i ∣ = 2 \lvert z + i \rvert = 2 ∣ z + i ∣ = 2 :∣ w 1 + i + i ∣ = 2 \left\lvert \dfrac{w}{1 + i} + i \right\rvert = 2 1 + i w + i = 2 ,两边乘 ∣ 1 + i ∣ = 2 \lvert 1 + i \rvert = \sqrt{2} ∣ 1 + i ∣ = 2 :∣ w + i ( 1 + i ) ∣ = 2 2 \lvert w + i(1 + i) \rvert = 2\sqrt{2} ∣ w + i ( 1 + i )∣ = 2 2 ,∣ w − ( 1 − i ) ∣ = 2 2 \lvert w - (1 - i) \rvert = 2\sqrt{2} ∣ w − ( 1 − i )∣ = 2 2 。中心 1 − i 1 - i 1 − i ,半径 2 2 2\sqrt{2} 2 2 ,F = 1 \fbox{F} = 1 F = 1 ,G = 1 \fbox{G} = 1 G = 1 ,H = 2 \fbox{H} = 2 H = 2 ,I = 2 \fbox{I} = 2 I = 2 。
解说 两分钟做法:含模的方程先两边平方、乘共轭,整理成 z z ‾ + α ‾ z + α z ‾ + c = 0 z\overline{z} + \overline{\alpha}z + \alpha\overline{z} + c = 0 z z + α z + α z + c = 0 ,配方读出中心和半径;∣ z − c ∣ \lvert z - c \rvert ∣ z − c ∣ 的最值看圆心到 c c c 的距离与半径的和差。第 (3) 问也可以直接看:乘 1 + i 1 + i 1 + i 是转 π 4 \dfrac{\pi}{4} 4 π 、放大 2 \sqrt{2} 2 倍,圆心 − i -i − i 变成 ( 1 + i ) ( − i ) = 1 − i (1 + i)(-i) = 1 - i ( 1 + i ) ( − i ) = 1 − i ,半径变成 2 2 2\sqrt{2} 2 2 。空格判断:AB \fbox{AB} AB 是中心 − i -i − i ,负号占一格,系数 1 也要填;G \fbox{G} G 题干已写负号,只填 1;H I \fbox{H}\sqrt{\fbox{I}} H I 填 2 和 2。
日文
读音
中文
例句或说明
複素数平面
ふくそすうへいめん
复平面
「複素数平面上の点 z z z 」
実軸
じつじく
实轴
虚軸
きょじく
虚轴
共役複素数
きょうやくふくそすう
共轭复数
「z ‾ \overline{z} z は z z z と共役な複素数」
絶対値
ぜったいち
模(绝对值)
「z z z の絶対値 ∣ z ∣ \lvert z \rvert ∣ z ∣ 」
実数
じっすう
实数
「z n z^n z n が実数となる」
純虚数
じゅんきょすう
纯虚数
「z − 1 z + 1 \dfrac{z - 1}{z + 1} z + 1 z − 1 は純虚数である」
実部
じつぶ
实部
虚部
きょぶ
虚部
「α \alpha α の虚部が正である」
極形式
きょくけいしき
极形式(三角形式)
「z z z を極形式で表すと」
偏角
へんかく
辐角
「偏角 θ \theta θ は 0 ≦ θ < 2 π 0 \leqq \theta < 2\pi 0 ≦ θ < 2 π とする」
ド・モアブルの定理
ど・もあぶるのていり
棣莫弗定理
「ド・モアブルの定理により」
1 の n n n 乗根
いちのえぬじょうこん
1 的 n n n 次方根
「1 の 5 乗根のうち 1 でないもの」
n n n 乗根
えぬじょうこん
n n n 次方根
「8 i 8i 8 i の 3 乗根」
回転
かいてん
旋转
「原点のまわりに θ \theta θ だけ回転した点」
〜を中心として
〜をちゅうしんとして
以……为中心
「点 α \alpha α を中心として π 3 \dfrac{\pi}{3} 3 π 回転する」
正の向き
せいのむき
正方向(逆时针)
「正の向きに π 2 \dfrac{\pi}{2} 2 π 回転」
負の向き
ふのむき
负方向(顺时针)
拡大
かくだい
放大
「原点からの距離を 2 倍に拡大した点」
内分点
ないぶんてん
内分点
「線分 AB を 2 : 1 2 : 1 2 : 1 に内分する点」
外分点
がいぶんてん
外分点
重心
じゅうしん
重心
外接円
がいせつえん
外接圆
「△ O A B \triangle\mathrm{OAB} △ OAB の外接円の中心」
一直線上にある
いっちょくせんじょうにある
共线
「3 点 A,B,C が一直線上にある」
垂直
すいちょく
垂直
「A B ⊥ A C \mathrm{AB} \perp \mathrm{AC} AB ⊥ AC 」
2 直線のなす角
にちょくせんのなすかく
两直线的夹角
「∠ B A C \angle\mathrm{BAC} ∠ BAC の大きさ」
正三角形
せいさんかくけい
正三角形
直角二等辺三角形
ちょっかくにとうへんさんかくけい
等腰直角三角形
中文语序相反
二等辺三角形
にとうへんさんかくけい
等腰三角形
形状
けいじょう
形状
「△ O A B \triangle\mathrm{OAB} △ OAB の形状」
垂直二等分線
すいちょくにとうぶんせん
垂直平分线
「線分 AB の垂直二等分線」
アポロニウスの円
あぽろにうすのえん
阿波罗尼斯圆
距離の比が一定の点の軌跡
軌跡
きせき
轨迹
〜を満たしながら動く
〜をみたしながらうごく
满足……而运动
「点 z z z が ∣ z ∣ = 1 \lvert z \rvert = 1 ∣ z ∣ = 1 を満たしながら動く」
〜が描く図形
〜がえがくずけい
……描出的图形
「点 w w w が描く図形」
〜上を動く
〜じょうをうごく
在……上运动
「点 z z z が円 ∣ z − 1 ∣ = 1 \lvert z - 1 \rvert = 1 ∣ z − 1 ∣ = 1 上を動く」
最小の自然数
さいしょうのしぜんすう
最小的自然数
「z n z^n z n が実数となる最小の自然数 n n n 」
複号同順
ふくごうどうじゅん
正负号按顺序对应
± \pm ± と ∓ \mp ∓ が上下で対応する
∣ α ∣ = 1 \lvert \alpha \rvert = 1 ∣ α ∣ = 1 ,∣ β ∣ = 2 \lvert \beta \rvert = 2 ∣ β ∣ = 2 ,∣ α + β ∣ = 3 \lvert \alpha + \beta \rvert = \sqrt{3} ∣ α + β ∣ = 3 ,求 ∣ α − β ∣ \lvert \alpha - \beta \rvert ∣ α − β ∣ 。
∣ z ∣ = 2 \lvert z \rvert = 2 ∣ z ∣ = 2 ,z z z 的实部是 a a a 。把 z + 4 z z + \dfrac{4}{z} z + z 4 用 a a a 表示。
把 − 1 − 3 i -1 - \sqrt{3}i − 1 − 3 i 写成极形式(0 ≤ θ < 2 π 0 \le \theta < 2\pi 0 ≤ θ < 2 π )。
α = 2 ( cos π 12 + i sin π 12 ) \alpha = 2\left(\cos\dfrac{\pi}{12} + i\sin\dfrac{\pi}{12}\right) α = 2 ( cos 12 π + i sin 12 π ) ,β = 2 ( cos π 3 + i sin π 3 ) \beta = \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{3} + i\sin\dfrac{\pi}{3}\right) β = 2 ( cos 3 π + i sin 3 π ) ,把 α β \dfrac{\alpha}{\beta} β α 写成 a + b i a + bi a + bi 的形式。
计算 ( 3 − i ) − 4 (\sqrt{3} - i)^{-4} ( 3 − i ) − 4 。
z = 1 + i 3 + i z = \dfrac{1 + i}{\sqrt{3} + i} z = 3 + i 1 + i 。求使 z n z^n z n 为实数的最小自然数 n n n 和这时的 z n z^n z n 。
解方程 z 4 = − 8 + 8 3 i z^4 = -8 + 8\sqrt{3}i z 4 = − 8 + 8 3 i 。
α = cos 2 π 7 + i sin 2 π 7 \alpha = \cos\dfrac{2\pi}{7} + i\sin\dfrac{2\pi}{7} α = cos 7 2 π + i sin 7 2 π ,求 α + α 2 + α 3 + α 4 + α 5 + α 6 \alpha + \alpha^2 + \alpha^3 + \alpha^4 + \alpha^5 + \alpha^6 α + α 2 + α 3 + α 4 + α 5 + α 6 。
正方形 ABCD 的顶点按逆时针排列,A ( 1 + i ) \mathrm{A}(1 + i) A ( 1 + i ) ,B ( 4 + 2 i ) \mathrm{B}(4 + 2i) B ( 4 + 2 i ) ,求 C、D 对应的复数。
三点 0 0 0 、1 + 2 i 1 + 2i 1 + 2 i 、a + 6 i a + 6i a + 6 i 在一条直线上,求实数 a a a 。
方程 ∣ z − 2 ∣ = 2 ∣ z + 1 ∣ \lvert z - 2 \rvert = 2\lvert z + 1 \rvert ∣ z − 2 ∣ = 2 ∣ z + 1 ∣ 表示什么图形?
点 z z z 在单位圆 ∣ z ∣ = 1 \lvert z \rvert = 1 ∣ z ∣ = 1 上运动,求 w = ( 1 − i ) z + 2 i w = (1 - i)z + 2i w = ( 1 − i ) z + 2 i 描出的图形。
答案 :1. 7 \sqrt{7} 7 ;2. 2 a 2a 2 a ;3. 2 ( cos 4 π 3 + i sin 4 π 3 ) 2\left(\cos\dfrac{4\pi}{3} + i\sin\dfrac{4\pi}{3}\right) 2 ( cos 3 4 π + i sin 3 4 π ) ;4. 1 − i 1 - i 1 − i ;5. − 1 32 + 3 32 i -\dfrac{1}{32} + \dfrac{\sqrt{3}}{32}i − 32 1 + 32 3 i ;6. n = 12 n = 12 n = 12 ,z 12 = − 1 64 z^{12} = -\dfrac{1}{64} z 12 = − 64 1 ;7. 3 + i \sqrt{3} + i 3 + i ,− 1 + 3 i -1 + \sqrt{3}i − 1 + 3 i ,− 3 − i -\sqrt{3} - i − 3 − i ,1 − 3 i 1 - \sqrt{3}i 1 − 3 i ;8. − 1 -1 − 1 ;9. C ( 3 + 5 i ) \mathrm{C}(3 + 5i) C ( 3 + 5 i ) ,D ( 4 i ) \mathrm{D}(4i) D ( 4 i ) ;10. a = 3 a = 3 a = 3 ;11. 中心 − 2 -2 − 2 、半径 2 的圆;12. 中心 2 i 2i 2 i 、半径 2 \sqrt{2} 2 的圆。