跳转到内容

第 17 章 · 複素数平面

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、nn 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<2π0 \le \theta < 2\pi)取,求 nn 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=zz‾\lvert z \rvert^2 = z\overline{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−z0∣=r\lvert z - z_0 \rvert = r 是圆);圆的方程见国内书第 29 章 讲法不同:EJU 要求不拆成 xx、yy 也能认出图形,还考 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)→ nn 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)。

本章六个知识点的先后关系:极形式是中心,往下通向棣莫弗定理和 n 次方根,往右通向旋转和图形

17.2 複素数平面と共役・絶対値の性質

Section titled “17.2 複素数平面と共役・絶対値の性質”

複素数平面:复数 z=a+biz = a + bi 对应坐标平面上的点 (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 zz」就是复数 zz 对应的点;「点 A(α)\mathrm{A}(\alpha)」表示点 A 对应复数 α\alpha。题目里说「3 点 A(α)\mathrm{A}(\alpha),B(β)\mathrm{B}(\beta),C(γ)\mathrm{C}(\gamma)」,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:以 00、α\alpha、β\beta 为三个顶点的平行四边形的第四个顶点。
  • β−α\beta - \alpha:从点 α\alpha 指向点 β\beta 的向量,平移到原点后的终点。所以 ∣β−α∣\lvert \beta - \alpha \rvert 是两点间的距离 AB\mathrm{AB}。
  • kαk\alpha(kk 是实数):在直线 0α0\alpha 上,长度是 ∣k∣\lvert k \rvert 倍。

共役複素数の性質:z=a+biz = a + bi 的共轭复数 z‾=a−bi\overline{z} = a - bi(定义见国内书第 17 章 17.2 节)。对任意复数 α\alpha、β\beta:

α+β‾=α‾+β‾,α−β‾=α‾−β‾,αβ‾=α‾ β‾,(αβ)‾=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).

一句话:共轭可以“穿过”加减乘除。由乘法一条还得 αn‾=α‾ n\overline{\alpha^n} = \overline{\alpha}^{\,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.

絶対値の性質:

∣z∣2=zz‾,∣αβ∣=∣α∣∣β∣,∣αβ∣=∣α∣∣β∣,∣zn∣=∣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.

特别地,∣z∣=1\lvert z \rvert = 1 时 zz‾=1z\overline{z} = 1,即

∣z∣=1  ⟺  z‾=1z.\lvert z \rvert = 1 \iff \overline{z} = \frac{1}{z}.

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,∣β∣=3\lvert \beta \rvert = 3,∣α−β∣=7\lvert \alpha - \beta \rvert = \sqrt{7}),问另一个模或 αβ‾+α‾β\alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta: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 这类,不知道 zz 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+2i)3(3−4i)2(2−i)4∣\left\lvert \dfrac{(1 + 2i)^3(3 - 4i)^2}{(2 - i)^4} \right\rvert:用“积的模 = 模的积”,不必先算出复数。
  • ∣z∣2\lvert z \rvert^2 和 z2z^2 一般不相等。要把模平方去掉绝对值,只能写 zz‾z\overline{z}。
  • 展开 ∣α+β∣2\lvert \alpha + \beta \rvert^2 时,两个“交叉项”是 αβ‾\alpha\overline{\beta} 和 α‾β\overline{\alpha}\beta,它们互为共轭,和是实数(等于 αβ‾\alpha\overline{\beta} 的实部的 2 倍),不能合并成 2αβ2\alpha\beta。
  • 纯虚数的条件里要有 z≠0z \ne 0:0 满足 z‾=−z\overline{z} = -z,但 0 是实数,不是纯虚数。
  • EJU 题干的说法:「z‾\overline{z} は zz と共役な複素数を表す」「zz が実数であるための条件」「z−1z+1\dfrac{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:αβ‾=α‾ β‾\overline{\alpha\beta} = \overline{\alpha}\,\overline{\beta}。 设 α=a+bi\alpha = a + bi,β=c+di\beta = c + di。

αβ=(ac−bd)+(ad+bc)i,αβ‾=(ac−bd)−(ad+bc)i.\alpha\beta = (ac - bd) + (ad + bc)i, \qquad \overline{\alpha\beta} = (ac - bd) - (ad + bc)i. α‾ β‾=(a−bi)(c−di)=(ac−bd)−(ad+bc)i.\overline{\alpha}\,\overline{\beta} = (a - bi)(c - di) = (ac - bd) - (ad + bc)i.

两者相同。(关键一步:(a−bi)(c−di)(a - bi)(c - di) 里 (−b)(−d)i2=−bd(-b)(-d)i^2 = -bd,实部和 αβ\alpha\beta 的实部一样;虚部的两项都带一个负号,正好是 αβ\alpha\beta 虚部的相反数。)加减法按实部虚部分别算,显然成立。商:设 γ=αβ\gamma = \dfrac{\alpha}{\beta},则 α=βγ\alpha = \beta\gamma,两边取共轭 α‾=β‾ γ‾\overline{\alpha} = \overline{\beta}\,\overline{\gamma},所以 γ‾=α‾β‾\overline{\gamma} = \dfrac{\overline{\alpha}}{\overline{\beta}}。

结论 2:实数、纯虚数的判定。 z=a+biz = a + bi,z‾=z\overline{z} = z 即 a−bi=a+bia - bi = a + bi,即 b=0b = 0;z‾=−z\overline{z} = -z 即 a−bi=−a−bia - bi = -a - bi,即 a=0a = 0。再加 z≠0z \ne 0 保证 b≠0b \ne 0。

结论 3:∣αβ∣=∣α∣∣β∣\lvert \alpha\beta \rvert = \lvert \alpha \rvert \lvert \beta \rvert。 由 ∣z∣2=zz‾\lvert z \rvert^2 = z\overline{z}(国内书第 17 章 17.4 节)和结论 1:

∣αβ∣2=αβ αβ‾=αα‾⋅ββ‾=∣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.

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,β\beta が ∣α∣=2\lvert \alpha \rvert = 2,∣β∣=3\lvert \beta \rvert = 3,∣α−β∣=7\lvert \alpha - \beta \rvert = \sqrt{7} を満たしている。αβ‾+α‾β\alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta の値と ∣α+β∣\lvert \alpha + \beta \rvert を求めよ。

解答 与えられた絶対値を 22 乗し,∣z∣2=zz‾\lvert z \rvert^2 = z\overline{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‾)=αα‾−αβ‾−α‾β+ββ‾=∣α∣2+∣β∣2−(αβ‾+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).

代入すると 7=4+9−(αβ‾+α‾β)7 = 4 + 9 - (\alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta) であるから,αβ‾+α‾β=6\alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta = 6 である。同様に

∣α+β∣2=∣α∣2+∣β∣2+(αβ‾+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,

よって ∣α+β∣=19\lvert \alpha + \beta \rvert = \sqrt{19} である。

中文翻译 题目:复数 α\alpha、β\beta 满足 ∣α∣=2\lvert \alpha \rvert = 2,∣β∣=3\lvert \beta \rvert = 3,∣α−β∣=7\lvert \alpha - \beta \rvert = \sqrt{7}。求 αβ‾+α‾β\alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta 的值和 ∣α+β∣\lvert \alpha + \beta \rvert。解答:把已知的模平方,用 ∣z∣2=zz‾\lvert z \rvert^2 = z\overline{z} 化成“自己乘共轭”的形式:∣α−β∣2=(α−β)(α‾−β‾)=αα‾−αβ‾−α‾β+ββ‾=∣α∣2+∣β∣2−(αβ‾+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)。代入:7=4+9−(αβ‾+α‾β)7 = 4 + 9 - (\alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta),所以 αβ‾+α‾β=6\alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta = 6。同样 ∣α+β∣2=∣α∣2+∣β∣2+(αβ‾+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,所以 ∣α+β∣=19\lvert \alpha + \beta \rvert = \sqrt{19}。

解说 容易卡在:第一步把 (α−β)(α‾−β‾)(\alpha - \beta)(\overline{\alpha} - \overline{\beta}) 写成 (α−β)2(\alpha - \beta)^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 zz が ∣z∣=1\lvert z \rvert = 1,z≠−1z \ne -1 を満たすとき,w=z−1z+1w = \dfrac{z - 1}{z + 1} は純虚数または 00 であることを証明せよ。

单位圆上的点 z 和直径的两端 1、-1 连线,在 z 处成直角,所以 (z-1)/(z+1) 是纯虚数

解答 ∣z∣=1\lvert z \rvert = 1 より z‾=1z\overline{z} = \dfrac{1}{z} である。ww 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‾−1z‾+1=1z−11z+1=1−z1+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.

(3 番目の等号は分母と分子に zz を掛けたものである。)よって w‾=−w\overline{w} = -w であるから,ww の実部は 00 である。すなわち z=1z = 1 のとき w=0w = 0,z≠1z \ne 1 のとき ww は純虚数である。

中文翻译 题目:复数 zz 满足 ∣z∣=1\lvert z \rvert = 1,z≠−1z \ne -1。证明 w=z−1z+1w = \dfrac{z - 1}{z + 1} 是纯虚数或 0。解答:由 ∣z∣=1\lvert z \rvert = 1 得 z‾=1z\overline{z} = \dfrac{1}{z}。取 ww 的共轭,共轭穿过除法和加减:w‾=z‾−1z‾+1=1z−11z+1=1−z1+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。(第三个等号是分子分母同乘 zz。)所以 w‾=−w\overline{w} = -w,ww 的实部是 0:z=1z = 1 时 w=0w = 0,z≠1z \ne 1 时 ww 是纯虚数。

解说 另一种解法:看图形。w=z−1z+1w = \dfrac{z - 1}{z + 1} 的辐角就是从向量”−1→z-1 \to z“转到向量”1→z1 \to z“的角(17.6 节)。zz 在单位圆上,11 和 −1-1 是直径的两端,由”直径所对的圆周角是直角”,这个角是 ±π2\pm\dfrac{\pi}{2},所以 ww 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+2i)3(3−4i)2(2−i)4∣\left\lvert \dfrac{(1 + 2i)^3(3 - 4i)^2}{(2 - i)^4} \right\rvert を求めよ。

解答 ∣1+2i∣=5\lvert 1 + 2i \rvert = \sqrt{5},∣3−4i∣=5\lvert 3 - 4i \rvert = 5,∣2−i∣=5\lvert 2 - i \rvert = \sqrt{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⋅52(5)4=55⋅2525=55.\frac{(\sqrt{5})^3 \cdot 5^2}{(\sqrt{5})^4} = \frac{5\sqrt{5} \cdot 25}{25} = 5\sqrt{5}.

中文翻译 题目:求 ∣(1+2i)3(3−4i)2(2−i)4∣\left\lvert \dfrac{(1 + 2i)^3(3 - 4i)^2}{(2 - i)^4} \right\rvert。解答:∣1+2i∣=5\lvert 1 + 2i \rvert = \sqrt{5},∣3−4i∣=5\lvert 3 - 4i \rvert = 5,∣2−i∣=5\lvert 2 - i \rvert = \sqrt{5}。积、商、幂的模等于模的积、商、幂:(5)3⋅52(5)4=55⋅2525=55\frac{(\sqrt{5})^3 \cdot 5^2}{(\sqrt{5})^4} = \frac{5\sqrt{5} \cdot 25}{25} = 5\sqrt{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 的模是 (5)4=25(\sqrt{5})^4 = 25,不是 454\sqrt{5};(1+2i)3(1 + 2i)^3 的模是 (5)3=55(\sqrt{5})^3 = 5\sqrt{5}。分子分母各自约掉 2525,剩下 555\sqrt{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)。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。
  • ∣z∣=1\lvert z \rvert = 1 时,z+1z=z+z‾z + \dfrac{1}{z} = z + \overline{z} 是实数,等于 zz 的实部的 2 倍。推导:1z=z‾\dfrac{1}{z} = \overline{z},再用国内书第 17 章 17.4 节的 z+z‾=2az + \overline{z} = 2a。
  • 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。推导:00、α\alpha、α+β\alpha + \beta 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 的最值时就是它。
  • 实系数多项式:f(x)f(x) 的系数都是实数时,f(z‾)=f(z)‾f(\overline{z}) = \overline{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)=0f(z) = 0 时 f(z‾)=0f(\overline{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 写 z2=4z^2 = 4。 为什么错:z2z^2 是复数,例如 z=2iz = 2i 时 z2=−4z^2 = -4;只有 zz‾z\overline{z} 才等于 ∣z∣2\lvert z \rvert^2。 正确做法:写 zz‾=4z\overline{z} = 4,需要时再用 z‾=4z\overline{z} = \dfrac{4}{z}。
  • 错在哪:展开 ∣α+β∣2=∣α∣2+2αβ+∣β∣2\lvert \alpha + \beta \rvert^2 = \lvert \alpha \rvert^2 + 2\alpha\beta + \lvert \beta \rvert^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}),交叉项是 αβ‾+α‾β\alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta。 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“就说明 zz 是纯虚数。 为什么错:z=0z = 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 かつ z≠0z \ne 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=zz‾\lvert z \rvert^2 = z\overline{z} 是复数里“去掉绝对值”的唯一办法。实数里 ∣x∣2=x2\lvert x \rvert^2 = x^2,复数里要换成“乘它的翻折”:zz 和 z‾\overline{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、zz‾=∣z∣2z\overline{z} = \lvert z \rvert^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}) 是把圆的方程写成 zz‾z\overline{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)}。

偏角と極形式:z≠0z \ne 0,记 r=∣z∣r = \lvert z \rvert。从实轴正方向转到线段 0z0z 的角 θ\theta 叫 zz 的偏角(国内叫辐角),记作 arg⁡z\arg z。于是

z=r(cos⁡θ+isin⁡θ)(r>0),z = r(\cos\theta + i\sin\theta) \quad (r > 0),

这叫 zz 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 2π2\pi 的整数倍。日本教科书写 arg⁡z=θ+2nπ\arg z = \theta + 2n\pi(nn 是整数);EJU 题目会写明范围,最常见的是「ただし,偏角 θ\theta は 0≤θ<2π0 \le \theta < 2\pi とする」,有时是 −π<θ≤π-\pi < \theta \le \pi。答案必须落在题目给的范围里。
  • 极形式的格式固定:r>0r > 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 z1=r1(cos⁡θ1+isin⁡θ1)z_1 = r_1(\cos\theta_1 + i\sin\theta_1),z2=r2(cos⁡θ2+isin⁡θ2)z_2 = r_2(\cos\theta_2 + i\sin\theta_2),则

z1z2=r1r2{cos⁡(θ1+θ2)+isin⁡(θ1+θ2)},z1z2=r1r2{cos⁡(θ1−θ2)+isin⁡(θ1−θ2)}.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\}.

写成模和偏角:

∣z1z2∣=∣z1∣∣z2∣,arg⁡(z1z2)=arg⁡z1+arg⁡z2,arg⁡z1z2=arg⁡z1−arg⁡z2.\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.

偏角的等式都是“相差 2π2\pi 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+isin⁡θ\cos\theta + i\sin\theta(模为 1),就是把点绕原点旋转 θ\theta(θ>0\theta > 0 是逆时针,日文「正の向き」);乘 r(cos⁡θ+isin⁡θ)r(\cos\theta + i\sin\theta),就是旋转 θ\theta 再把到原点的距离放大 rr 倍(「回転して rr 倍に拡大」)。

√3+i 与 1+i 相乘:模 2 乘 √2,偏角 π/6 加 π/4,积的偏角是 5π/12

  • 题目要求把复数写成极形式,而复数是 −2(cos⁡π6+isin⁡π6)-2\left(\cos\dfrac{\pi}{6} + i\sin\dfrac{\pi}{6}\right)、sin⁡α+icos⁡α\sin\alpha + i\cos\alpha、1+cos⁡θ+isin⁡θ1 + \cos\theta + i\sin\theta 这类“不标准”的样子:先调成 r>0r > 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⁡5π12\cos\dfrac{5\pi}{12}、sin⁡π12\sin\dfrac{\pi}{12} 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 α2β\dfrac{\alpha^2}{\beta}、αβ‾\alpha\overline{\beta} 等的偏角或模:各自化成极形式,偏角加减、模乘除。
  • 题目说「点 zz を原点のまわりに θ\theta だけ回転し,原点からの距離を rr 倍した点」:乘 r(cos⁡θ+isin⁡θ)r(\cos\theta + i\sin\theta)。
  • rr 必须是正数。−2(cos⁡π6+isin⁡π6)-2\left(\cos\dfrac{\pi}{6} + i\sin\dfrac{\pi}{6}\right) 不是极形式:−1=cos⁡π+isin⁡π-1 = \cos\pi + i\sin\pi,所以它等于 2(cos⁡7π6+isin⁡7π6)2\left(\cos\dfrac{7\pi}{6} + i\sin\dfrac{7\pi}{6}\right)。
  • 正弦在前的要换角:sin⁡α+icos⁡α=cos⁡(π2−α)+isin⁡(π2−α)\sin\alpha + i\cos\alpha = \cos\left(\dfrac{\pi}{2} - \alpha\right) + i\sin\left(\dfrac{\pi}{2} - \alpha\right)。
  • 减号的要换成负角:cos⁡α−isin⁡α=cos⁡(−α)+isin⁡(−α)\cos\alpha - i\sin\alpha = \cos(-\alpha) + i\sin(-\alpha)。
  • 定偏角要同时看 cos⁡θ\cos\theta、sin⁡θ\sin\theta 的符号(看点在哪个象限),不能只看 tan⁡θ\tan\theta。
  • EJU 的英文题写 polar form、argument,并注明 0≤θ<2π0 \le \theta < 2\pi;日文题写「極形式で表せ」「偏角を θ\theta 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⁡(z1z2)=arg⁡z1+arg⁡z2\arg(z_1 z_2) = \arg z_1 + \arg z_2 的含义。 由积的公式,θ1+θ2\theta_1 + \theta_2 是 z1z2z_1 z_2 的一个偏角。偏角本来就差 2π2\pi 的整数倍,所以这个等式的意思是“两边相差 2π2\pi 的整数倍”。(关键一步:θ1=3π2\theta_1 = \dfrac{3\pi}{2},θ2=π2\theta_2 = \dfrac{\pi}{2} 时 θ1+θ2=2π\theta_1 + \theta_2 = 2\pi,若题目要求 0≤θ<2π0 \le \theta < 2\pi,偏角要写 0。)

结论 2:1+cos⁡θ+isin⁡θ1 + \cos\theta + i\sin\theta 的极形式。 用二倍角公式(国内书第 13 章 13.3 节):1+cos⁡θ=2cos⁡2θ21 + \cos\theta = 2\cos^2\dfrac{\theta}{2},sin⁡θ=2sin⁡θ2cos⁡θ2\sin\theta = 2\sin\dfrac{\theta}{2}\cos\dfrac{\theta}{2},所以

1+cos⁡θ+isin⁡θ=2cos⁡θ2(cos⁡θ2+isin⁡θ2).1 + \cos\theta + i\sin\theta = 2\cos\frac{\theta}{2}\left(\cos\frac{\theta}{2} + i\sin\frac{\theta}{2}\right).

cos⁡θ2>0\cos\dfrac{\theta}{2} > 0 时这就是极形式;cos⁡θ2<0\cos\dfrac{\theta}{2} < 0 时要把负号吸收成 cos⁡π+isin⁡π\cos\pi + i\sin\pi,偏角加 π\pi。

例 1 (场景:化“不标准”的式子为极形式)

問題 0<θ<π0 < \theta < \pi とする。z=1+cos⁡θ+isin⁡θz = 1 + \cos\theta + i\sin\theta を極形式で表せ。また,w=sin⁡π5+icos⁡π5w = \sin\dfrac{\pi}{5} + i\cos\dfrac{\pi}{5} を極形式で表せ(偏角は 0≦arg⁡<2π0 \leqq \arg < 2\pi の範囲とする)。

解答 証明で示した結論 2 より

z=2cos⁡θ2(cos⁡θ2+isin⁡θ2).z = 2\cos\frac{\theta}{2}\left(\cos\frac{\theta}{2} + i\sin\frac{\theta}{2}\right).

0<θ<π0 < \theta < \pi のとき 0<θ2<π20 < \dfrac{\theta}{2} < \dfrac{\pi}{2} で cos⁡θ2>0\cos\dfrac{\theta}{2} > 0 であるから,絶対値は 2cos⁡θ22\cos\dfrac{\theta}{2},偏角は θ2\dfrac{\theta}{2} である。

ww については,sin⁡π5=cos⁡(π2−π5)=cos⁡3π10\sin\dfrac{\pi}{5} = \cos\left(\dfrac{\pi}{2} - \dfrac{\pi}{5}\right) = \cos\dfrac{3\pi}{10},cos⁡π5=sin⁡3π10\cos\dfrac{\pi}{5} = \sin\dfrac{3\pi}{10} であるから

w=cos⁡3π10+isin⁡3π10.w = \cos\frac{3\pi}{10} + i\sin\frac{3\pi}{10}.

中文翻译 题目:0<θ<π0 < \theta < \pi。把 z=1+cos⁡θ+isin⁡θz = 1 + \cos\theta + i\sin\theta 写成极形式,并把 w=sin⁡π5+icos⁡π5w = \sin\dfrac{\pi}{5} + i\cos\dfrac{\pi}{5} 写成极形式(偏角在 0≤arg⁡<2π0 \le \arg < 2\pi 内)。解答:由证明里的结论 2,z=2cos⁡θ2(cos⁡θ2+isin⁡θ2)z = 2\cos\frac{\theta}{2}\left(\cos\frac{\theta}{2} + i\sin\frac{\theta}{2}\right)。0<θ<π0 < \theta < \pi 时 0<θ2<π20 < \dfrac{\theta}{2} < \dfrac{\pi}{2},cos⁡θ2>0\cos\dfrac{\theta}{2} > 0,所以模是 2cos⁡θ22\cos\dfrac{\theta}{2},偏角是 θ2\dfrac{\theta}{2}。ww:sin⁡π5=cos⁡(π2−π5)=cos⁡3π10\sin\dfrac{\pi}{5} = \cos\left(\dfrac{\pi}{2} - \dfrac{\pi}{5}\right) = \cos\dfrac{3\pi}{10},cos⁡π5=sin⁡3π10\cos\dfrac{\pi}{5} = \sin\dfrac{3\pi}{10},所以 w=cos⁡3π10+isin⁡3π10w = \cos\frac{3\pi}{10} + i\sin\frac{3\pi}{10}。

解说 容易卡在:ww 直接说偏角是 π5\dfrac{\pi}{5}。正弦在前时,偏角是 π2\dfrac{\pi}{2} 减原来的角。zz 的模也要注意:模是 2cos⁡θ22\cos\dfrac{\theta}{2},随 θ\theta 变化,不是常数 2;正因为 0<θ2<π20 < \dfrac{\theta}{2} < \dfrac{\pi}{2} 时 cos⁡θ2>0\cos\dfrac{\theta}{2} > 0,它才满足极形式 r>0r > 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) を計算し,これを用いて cos⁡5π12\cos\dfrac{5\pi}{12},sin⁡5π12\sin\dfrac{5\pi}{12} を求めよ。

解答 代数形式で計算すると

(3+i)(1+i)=3+3i+i+i2=(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.

極形式では,3+i=2(cos⁡π6+isin⁡π6)\sqrt{3} + i = 2\left(\cos\dfrac{\pi}{6} + i\sin\dfrac{\pi}{6}\right),1+i=2(cos⁡π4+isin⁡π4)1 + i = \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right) であるから,積は

22(cos⁡5π12+isin⁡5π12).2\sqrt{2}\left(\cos\frac{5\pi}{12} + i\sin\frac{5\pi}{12}\right).

22 つの式は等しいから,実部と虚部をそれぞれ比較して

cos⁡5π12=3−122=6−24,sin⁡5π12=3+122=6+24.\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}.

中文翻译 题目:计算 (3+i)(1+i)(\sqrt{3} + i)(1 + i),并由此求 cos⁡5π12\cos\dfrac{5\pi}{12}、sin⁡5π12\sin\dfrac{5\pi}{12}。解答:代数形式:(3+i)(1+i)=3+3i+i+i2=(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。极形式:3+i=2(cos⁡π6+isin⁡π6)\sqrt{3} + i = 2\left(\cos\dfrac{\pi}{6} + i\sin\dfrac{\pi}{6}\right),1+i=2(cos⁡π4+isin⁡π4)1 + i = \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right),积为 22(cos⁡5π12+isin⁡5π12)2\sqrt{2}\left(\cos\frac{5\pi}{12} + i\sin\frac{5\pi}{12}\right)。两式相等,实部、虚部分别相等:cos⁡5π12=3−122=6−24\cos\frac{5\pi}{12} = \frac{\sqrt{3} - 1}{2\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{6} - \sqrt{2}}{4},sin⁡5π12=3+122=6+24\sin\frac{5\pi}{12} = \frac{\sqrt{3} + 1}{2\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{6} + \sqrt{2}}{4}。

解说 最后一步分母有理化,EJU 填空时必须这样写:3−122=(3−1)24=6−24\dfrac{\sqrt{3} - 1}{2\sqrt{2}} = \dfrac{(\sqrt{3} - 1)\sqrt{2}}{4} = \dfrac{\sqrt{6} - \sqrt{2}}{4}。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,β=1−3i\beta = 1 - \sqrt{3}i とする。α2β\dfrac{\alpha^2}{\beta} の絶対値と偏角 θ\theta(0≦θ<2π0 \leqq \theta < 2\pi)を求め,a+bia + bi の形に表せ。

解答 α=2(cos⁡π4+isin⁡π4)\alpha = \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right) である。また β\beta の絶対値は 22 で,点 (1,−3)(1, -\sqrt{3}) は第 44 象限にあるから,β=2(cos⁡5π3+isin⁡5π3)\beta = 2\left(\cos\dfrac{5\pi}{3} + i\sin\dfrac{5\pi}{3}\right) である。

∣α2β∣=(2)22=1,arg⁡α2β=2⋅π4−5π3=−7π6.\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}.

2π2\pi を加えて範囲に戻すと θ=5π6\theta = \dfrac{5\pi}{6} である。よって

α2β=cos⁡5π6+isin⁡5π6=−32+12i.\frac{\alpha^2}{\beta} = \cos\frac{5\pi}{6} + i\sin\frac{5\pi}{6} = -\frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{1}{2}i.

中文翻译 题目:α=1+i\alpha = 1 + i,β=1−3i\beta = 1 - \sqrt{3}i。求 α2β\dfrac{\alpha^2}{\beta} 的模和偏角 θ\theta(0≤θ<2π0 \le \theta < 2\pi),并写成 a+bia + bi 的形式。解答:α=2(cos⁡π4+isin⁡π4)\alpha = \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right);β\beta 的模是 2,点 (1,−3)(1, -\sqrt{3}) 在第四象限,β=2(cos⁡5π3+isin⁡5π3)\beta = 2\left(\cos\dfrac{5\pi}{3} + i\sin\dfrac{5\pi}{3}\right)。∣α2β∣=(2)22=1\left\lvert \frac{\alpha^2}{\beta} \right\rvert = \frac{(\sqrt{2})^2}{2} = 1,arg⁡α2β=2⋅π4−5π3=−7π6\arg\frac{\alpha^2}{\beta} = 2 \cdot \frac{\pi}{4} - \frac{5\pi}{3} = -\frac{7\pi}{6}。加 2π2\pi 调回范围:θ=5π6\theta = \dfrac{5\pi}{6}。所以 α2β=cos⁡5π6+isin⁡5π6=−32+12i\frac{\alpha^2}{\beta} = \cos\frac{5\pi}{6} + i\sin\frac{5\pi}{6} = -\frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{1}{2}i。

解说 另一种解法:直接算。α2=2i\alpha^2 = 2i,2i1−3i=2i(1+3i)1+3=2i−234=−32+12i\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,再读出模 1、偏角 5π6\dfrac{5\pi}{6}。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 −7π6-\dfrac{7\pi}{6} 不在 0≤θ<2π0 \le \theta < 2\pi 内,要加 2π2\pi 调回。

例 4 (场景:绕原点旋转并放大)

問題 点 2+4i2 + 4i を原点のまわりに正の向きに π4\dfrac{\pi}{4} だけ回転し,さらに原点からの距離を 2\sqrt{2} 倍にした点を求めよ。

解答 2(cos⁡π4+isin⁡π4)=1+i\sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right) = 1 + i を掛ければよい。

(2+4i)(1+i)=2+2i+4i+4i2=−2+6i.(2 + 4i)(1 + i) = 2 + 2i + 4i + 4i^2 = -2 + 6i.

中文翻译 题目:把点 2+4i2 + 4i 绕原点逆时针旋转 π4\dfrac{\pi}{4},再把到原点的距离变成 2\sqrt{2} 倍,求所得的点。解答:乘 2(cos⁡π4+isin⁡π4)=1+i\sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right) = 1 + i:(2+4i)(1+i)=2+2i+4i+4i2=−2+6i(2 + 4i)(1 + i) = 2 + 2i + 4i + 4i^2 = -2 + 6i。

解说 “旋转 π4\dfrac{\pi}{4} 再放大 2\sqrt{2} 倍”正好合成一个乘法因子 2(cos⁡π4+isin⁡π4)=1+i\sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right) = 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⁡(−π4)+isin⁡(−π4)\cos\left(-\dfrac{\pi}{4}\right) + i\sin\left(-\dfrac{\pi}{4}\right) 再乘 2\sqrt{2},结果不同,读题时先确认方向。

  • z‾=r{cos⁡(−θ)+isin⁡(−θ)}\overline{z} = r\left\{\cos(-\theta) + i\sin(-\theta)\right\},1z=1r{cos⁡(−θ)+isin⁡(−θ)}\dfrac{1}{z} = \dfrac{1}{r}\left\{\cos(-\theta) + i\sin(-\theta)\right\},即 arg⁡z‾=arg⁡1z=−arg⁡z\arg\overline{z} = \arg\dfrac{1}{z} = -\arg z。推导:国内书第 17 章 17.5 节常用推论。
  • 乘 ii 是逆时针转 π2\dfrac{\pi}{2},乘 −i-i 是顺时针转 π2\dfrac{\pi}{2},乘 −1-1 是转 π\pi。推导:i=cos⁡π2+isin⁡π2i = \cos\dfrac{\pi}{2} + i\sin\dfrac{\pi}{2},模为 1。
  • 乘 1+i1 + i 是“转 π4\dfrac{\pi}{4}、放大 2\sqrt{2} 倍”;乘 1+3i2\dfrac{1 + \sqrt{3}i}{2} 是“转 π3\dfrac{\pi}{3}”;乘 3+i2\dfrac{\sqrt{3} + i}{2} 是“转 π6\dfrac{\pi}{6}”。推导:把这些数写成极形式。EJU 常用这几个,最好记住。
  • arg⁡βα\arg\dfrac{\beta}{\alpha} 是从线段 0α0\alpha 转到线段 0β0\beta 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⁡π6+isin⁡π6)-2\left(\cos\dfrac{\pi}{6} + i\sin\dfrac{\pi}{6}\right) 的模是 −2-2、偏角是 π6\dfrac{\pi}{6}。 为什么错:极形式要求 r>0r > 0;前面的负号相当于再乘 cos⁡π+isin⁡π\cos\pi + i\sin\pi,点在第三象限。 正确做法:写成 2(cos⁡7π6+isin⁡7π6)2\left(\cos\dfrac{7\pi}{6} + i\sin\dfrac{7\pi}{6}\right),模 2、偏角 7π6\dfrac{7\pi}{6}。
  • 错在哪:例 3 写偏角 −7π6-\dfrac{7\pi}{6} 就交卷。 为什么错:题目要求 0≤θ<2π0 \le \theta < 2\pi,−7π6-\dfrac{7\pi}{6} 不在范围内,填空格对不上。 正确做法:偏角相加减之后,加减 2π2\pi 调回题目的范围。
  • 错在哪:sin⁡α+icos⁡α\sin\alpha + i\cos\alpha 的偏角写成 α\alpha。 为什么错:极形式是余弦在前;正弦在前时实部是 sin⁡α\sin\alpha,对应的角是 π2−α\dfrac{\pi}{2} - \alpha。 正确做法:先用 sin⁡α=cos⁡(π2−α)\sin\alpha = \cos\left(\dfrac{\pi}{2} - \alpha\right)、cos⁡α=sin⁡(π2−α)\cos\alpha = \sin\left(\dfrac{\pi}{2} - \alpha\right) 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“,虚部是”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) 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 nn,

(cos⁡θ+isin⁡θ)n=cos⁡nθ+isin⁡nθ.(\cos\theta + i\sin\theta)^n = \cos n\theta + i\sin n\theta.

于是 z=r(cos⁡θ+isin⁡θ)z = r(\cos\theta + i\sin\theta) 的 nn 次幂是

zn=rn(cos⁡nθ+isin⁡nθ).z^n = r^n(\cos n\theta + i\sin n\theta).

模变成 nn 次方,偏角变成 nn 倍。nn 可以是 0 和负整数:z0=1z^0 = 1,z−n=1znz^{-n} = \dfrac{1}{z^n}。

国内书第 17 章 17.5 节只把它当推论提了一句(nn 为正整数),EJU 把它当一个独立的中项目,常和”znz^n 何时是实数”、“zn=az^n = a 的解”一起考。

  • 题目要求 (1+3i)7(1 + \sqrt{3}i)^7、(1−i)−6(1 - i)^{-6} 这类高次幂或负次幂:化极形式,模取 nn 次方、偏角乘 nn。
  • 题目问“使 znz^n 为实数(纯虚数、等于 1)的最小自然数 nn”:看 nθn\theta 什么时候是 π\pi 的整数倍(π2\dfrac{\pi}{2} 的奇数倍、2π2\pi 的整数倍)。
  • 题目给出 z+1z=3z + \dfrac{1}{z} = \sqrt{3} 之类,问 zn+1znz^n + \dfrac{1}{z^n}:先解出 z=cos⁡θ+isin⁡θz = \cos\theta + i\sin\theta,再用 zn+z−n=2cos⁡nθz^n + z^{-n} = 2\cos n\theta。
  • 定理只对“标准极形式”成立。(sin⁡θ+icos⁡θ)n(\sin\theta + i\cos\theta)^n 不等于 sin⁡nθ+icos⁡nθ\sin n\theta + i\cos n\theta,要先换成 cos⁡(π2−θ)+isin⁡(π2−θ)\cos\left(\dfrac{\pi}{2} - \theta\right) + i\sin\left(\dfrac{\pi}{2} - \theta\right)。
  • 模也要 nn 次方。(1+3i)7(1 + \sqrt{3}i)^7 的模是 27=1282^7 = 128,不是 2。
  • 偏角乘 nn 之后往往超过 2π2\pi,先减去 2π2\pi 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」「znz^n が実数となる最小の自然数 nn は」「znz^n が純虚数となる」。

nn 是正整数:用数学归纳法(国内书第 23 章 23.6 节)。n=1n = 1 时显然成立。设 n=kn = k 时成立,则

(cos⁡θ+isin⁡θ)k+1=(cos⁡kθ+isin⁡kθ)(cos⁡θ+isin⁡θ)=cos⁡(k+1)θ+isin⁡(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.

(关键一步:第二个等号用的是 17.3 节积的公式,模 1×1=11 \times 1 = 1,偏角 kθ+θk\theta + \theta。)所以 n=k+1n = k + 1 时也成立。

n=0n = 0:两边都是 1。

nn 是负整数:设 n=−mn = -m,mm 是正整数。由商的公式,

(cos⁡θ+isin⁡θ)−m=1cos⁡mθ+isin⁡mθ=cos⁡(−mθ)+isin⁡(−mθ)=cos⁡nθ+isin⁡nθ.(\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.

例 1 (场景:高次幂、负次幂)

問題 (1+3i)7(1 + \sqrt{3}i)^7 と (1−i)−6(1 - i)^{-6} を計算せよ。

解答 1+3i=2(cos⁡π3+isin⁡π3)1 + \sqrt{3}i = 2\left(\cos\dfrac{\pi}{3} + i\sin\dfrac{\pi}{3}\right) であるから,ド・モアブルの定理より

(1+3i)7=27(cos⁡7π3+isin⁡7π3)=128(cos⁡π3+isin⁡π3)=64+643i.(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.

ここで 7π3=2π+π3\dfrac{7\pi}{3} = 2\pi + \dfrac{\pi}{3} である。また,1−i=2{cos⁡(−π4)+isin⁡(−π4)}1 - i = \sqrt{2}\left\{\cos\left(-\dfrac{\pi}{4}\right) + i\sin\left(-\dfrac{\pi}{4}\right)\right\} であるから

(1−i)−6=(2)−6(cos⁡3π2+isin⁡3π2)=18(0−i)=−18i.(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.

中文翻译 题目:计算 (1+3i)7(1 + \sqrt{3}i)^7 和 (1−i)−6(1 - i)^{-6}。解答:1+3i=2(cos⁡π3+isin⁡π3)1 + \sqrt{3}i = 2\left(\cos\dfrac{\pi}{3} + i\sin\dfrac{\pi}{3}\right),由棣莫弗定理 (1+3i)7=27(cos⁡7π3+isin⁡7π3)=128(cos⁡π3+isin⁡π3)=64+643i(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。这里 7π3=2π+π3\dfrac{7\pi}{3} = 2\pi + \dfrac{\pi}{3}。又 1−i=2{cos⁡(−π4)+isin⁡(−π4)}1 - i = \sqrt{2}\left\{\cos\left(-\dfrac{\pi}{4}\right) + i\sin\left(-\dfrac{\pi}{4}\right)\right\},所以 (1−i)−6=(2)−6(cos⁡3π2+isin⁡3π2)=18(0−i)=−18i(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。

解说 另一种解法(第二问):(1−i)2=1−2i+i2=−2i(1 - i)^2 = 1 - 2i + i^2 = -2i,所以 (1−i)6=(−2i)3=−8i3=8i(1 - i)^6 = (-2i)^3 = -8i^3 = 8i,(1−i)−6=18i=−i8(1 - i)^{-6} = \dfrac{1}{8i} = -\dfrac{i}{8}。底数平方后正好是纯虚数时,这样口算更快;底数的偏角是 π3\dfrac{\pi}{3}、π6\dfrac{\pi}{6} 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 nn 次方:(1+3i)7(1 + \sqrt{3}i)^7 的模是 27=1282^7 = 128,不是 2。

例 2 (场景:znz^n 为实数、纯虚数的 nn)

問題 z=3+i1+iz = \dfrac{\sqrt{3} + i}{1 + i} とする。znz^n が実数となる最小の自然数 nn と,そのときの znz^n の値を求めよ。また,znz^n が純虚数となる最小の自然数 nn と,そのときの znz^n を求めよ。

解答 分子は 2(cos⁡π6+isin⁡π6)2\left(\cos\dfrac{\pi}{6} + i\sin\dfrac{\pi}{6}\right),分母は 2(cos⁡π4+isin⁡π4)\sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right) であるから

z=2{cos⁡(−π12)+isin⁡(−π12)},zn=(2)n{cos⁡(−nπ12)+isin⁡(−nπ12)}.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\}.
  • 実数となるのは sin⁡nπ12=0\sin\dfrac{n\pi}{12} = 0,すなわち nπ12\dfrac{n\pi}{12} が π\pi の整数倍となるときで,最小の nn は 1212。このとき z12=(2)12(cos⁡(−π)+isin⁡(−π))=64×(−1)=−64z^{12} = (\sqrt{2})^{12}\left(\cos(-\pi) + i\sin(-\pi)\right) = 64 \times (-1) = -64。
  • 純虚数となるのは cos⁡nπ12=0\cos\dfrac{n\pi}{12} = 0,すなわち nπ12=π2+kπ\dfrac{n\pi}{12} = \dfrac{\pi}{2} + k\pi となるときで,最小の nn は 66。このとき z6=8{cos⁡(−π2)+isin⁡(−π2)}=−8iz^6 = 8\left\{\cos\left(-\dfrac{\pi}{2}\right) + i\sin\left(-\dfrac{\pi}{2}\right)\right\} = -8i。

中文翻译 题目:z=3+i1+iz = \dfrac{\sqrt{3} + i}{1 + i}。求使 znz^n 为实数的最小自然数 nn 和这时 znz^n 的值;再求使 znz^n 为纯虚数的最小自然数 nn 和 znz^n。解答:分子 2(cos⁡π6+isin⁡π6)2\left(\cos\dfrac{\pi}{6} + i\sin\dfrac{\pi}{6}\right),分母 2(cos⁡π4+isin⁡π4)\sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right),z=2{cos⁡(−π12)+isin⁡(−π12)}z = \sqrt{2}\left\{\cos\left(-\frac{\pi}{12}\right) + i\sin\left(-\frac{\pi}{12}\right)\right\},zn=(2)n{cos⁡(−nπ12)+isin⁡(−nπ12)}z^n = (\sqrt{2})^n\left\{\cos\left(-\frac{n\pi}{12}\right) + i\sin\left(-\frac{n\pi}{12}\right)\right\}。实数:sin⁡nπ12=0\sin\dfrac{n\pi}{12} = 0,nπ12\dfrac{n\pi}{12} 是 π\pi 的整数倍,最小 n=12n = 12,此时 z12=(2)12(cos⁡(−π)+isin⁡(−π))=64×(−1)=−64z^{12} = (\sqrt{2})^{12}\left(\cos(-\pi) + i\sin(-\pi)\right) = 64 \times (-1) = -64。纯虚数:cos⁡nπ12=0\cos\dfrac{n\pi}{12} = 0,nπ12=π2+kπ\dfrac{n\pi}{12} = \dfrac{\pi}{2} + k\pi,最小 n=6n = 6,此时 z6=8{cos⁡(−π2)+isin⁡(−π2)}=−8iz^6 = 8\left\{\cos\left(-\dfrac{\pi}{2}\right) + i\sin\left(-\dfrac{\pi}{2}\right)\right\} = -8i。

解说 容易卡在:直接展开 zz 的代数形式,得到 (3+1)+(1−3)i2\dfrac{(\sqrt{3} + 1) + (1 - \sqrt{3})i}{2},之后就算不下去了。商先化极形式。求”znz^n 为实数“时不要只想着正实数:负实数也是实数,nπ12=π\dfrac{n\pi}{12} = \pi 时 z12=−64z^{12} = -64 已经是实数,所以条件是 π\pi 的整数倍,不是 2π2\pi 的整数倍。

例 3 (场景:z+1zz + \dfrac{1}{z} 型)

問題 複素数 zz が z+1z=3z + \dfrac{1}{z} = \sqrt{3} を満たしている。z10+1z10z^{10} + \dfrac{1}{z^{10}} を求めよ。

解答 両辺に zz を掛けると z2−3z+1=0z^2 - \sqrt{3}z + 1 = 0 であるから,z=3±i2=cos⁡(±π6)+isin⁡(±π6)z = \dfrac{\sqrt{3} \pm i}{2} = \cos\left(\pm\dfrac{\pi}{6}\right) + i\sin\left(\pm\dfrac{\pi}{6}\right)(複号同順)。θ=±π6\theta = \pm\dfrac{\pi}{6} とおくと

z10+z−10=(cos⁡10θ+isin⁡10θ)+(cos⁡10θ−isin⁡10θ)=2cos⁡10θ=2cos⁡5π3=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.

22 つの zz で結果が同じになるのは,cos⁡\cos が偶関数だからである。

中文翻译 题目:复数 zz 满足 z+1z=3z + \dfrac{1}{z} = \sqrt{3}。求 z10+1z10z^{10} + \dfrac{1}{z^{10}}。解答:两边乘 zz:z2−3z+1=0z^2 - \sqrt{3}z + 1 = 0,z=3±i2=cos⁡(±π6)+isin⁡(±π6)z = \dfrac{\sqrt{3} \pm i}{2} = \cos\left(\pm\dfrac{\pi}{6}\right) + i\sin\left(\pm\dfrac{\pi}{6}\right)(复号同顺)。取 θ=±π6\theta = \pm\dfrac{\pi}{6},z10+z−10=(cos⁡10θ+isin⁡10θ)+(cos⁡10θ−isin⁡10θ)=2cos⁡10θ=2cos⁡5π3=1z^{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。两个 zz 的结果相同,因为 cos⁡\cos 是偶函数。

解说 z+1z=3z + \dfrac{1}{z} = \sqrt{3} 型:两边乘 zz 得二次方程,解出 zz 后写成极形式,再用 zn+z−n=2cos⁡nθz^n + z^{-n} = 2\cos n\theta。zz 的两个值 ±π6\pm\dfrac{\pi}{6} 互为共轭,2cos⁡10θ2\cos 10\theta 相同,所以不必分开算。cos⁡10θ=cos⁡5π3=12\cos 10\theta = \cos\dfrac{5\pi}{3} = \dfrac{1}{2},乘 2 得 1。

  • 3 倍角の公式:cos⁡3θ=4cos⁡3θ−3cos⁡θ\cos 3\theta = 4\cos^3\theta - 3\cos\theta,sin⁡3θ=3sin⁡θ−4sin⁡3θ\sin 3\theta = 3\sin\theta - 4\sin^3\theta。推导:(cos⁡θ+isin⁡θ)3(\cos\theta + i\sin\theta)^3 用二项式展开,实部 cos⁡3θ−3cos⁡θsin⁡2θ\cos^3\theta - 3\cos\theta\sin^2\theta、虚部 3cos⁡2θsin⁡θ−sin⁡3θ3\cos^2\theta\sin\theta - \sin^3\theta,与棣莫弗的 cos⁡3θ+isin⁡3θ\cos 3\theta + i\sin 3\theta 比较,再用 sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2\theta + \cos^2\theta = 1。
  • ∣z∣=1\lvert z \rvert = 1,z=cos⁡θ+isin⁡θz = \cos\theta + i\sin\theta 时,zn+1zn=2cos⁡nθz^n + \dfrac{1}{z^n} = 2\cos n\theta,zn−1zn=2isin⁡nθz^n - \dfrac{1}{z^n} = 2i\sin n\theta。推导:z−n=cos⁡nθ−isin⁡nθz^{-n} = \cos n\theta - i\sin n\theta,与 znz^n 相加减。
  • znz^n 为实数   ⟺  narg⁡z\iff n\arg z 是 π\pi 的整数倍;znz^n 为纯虚数   ⟺  narg⁡z\iff n\arg z 是 π2\dfrac{\pi}{2} 的奇数倍;zn=1  ⟺  ∣z∣=1z^n = 1 \iff \lvert z \rvert = 1 且 narg⁡zn\arg z 是 2π2\pi 的整数倍。推导:看 sin⁡nθ\sin n\theta、cos⁡nθ\cos n\theta 哪个为 0,模为 rnr^n。
  • 错在哪:(1+3i)7=cos⁡7π3+isin⁡7π3(1 + \sqrt{3}i)^7 = \cos\dfrac{7\pi}{3} + i\sin\dfrac{7\pi}{3}。 为什么错:漏了模的 7 次方,∣1+3i∣=2\lvert 1 + \sqrt{3}i \rvert = 2。 正确做法:先写出 rr,znz^n 前面乘 rnr^n。
  • 错在哪:(sin⁡θ+icos⁡θ)2=sin⁡2θ+icos⁡2θ(\sin\theta + i\cos\theta)^2 = \sin 2\theta + i\cos 2\theta。 为什么错:棣莫弗只对 cos⁡θ+isin⁡θ\cos\theta + i\sin\theta 成立。取 θ=0\theta = 0:左边是 i2=−1i^2 = -1,右边是 0+i=i0 + i = i,不相等。 正确做法:先写成 cos⁡(π2−θ)+isin⁡(π2−θ)\cos\left(\dfrac{\pi}{2} - \theta\right) + i\sin\left(\dfrac{\pi}{2} - \theta\right) 再用定理,平方是 cos⁡(π−2θ)+isin⁡(π−2θ)=−cos⁡2θ+isin⁡2θ\cos(\pi - 2\theta) + i\sin(\pi - 2\theta) = -\cos 2\theta + i\sin 2\theta。
  • 错在哪:例 2 求”znz^n 为实数“时只考虑 znz^n 为正实数,得 n=24n = 24。 为什么错:负实数也是实数,nπ12=π\dfrac{n\pi}{12} = \pi 时 zn=−64z^n = -64 已经是实数。 正确做法:实数的条件是 nθ=kπn\theta = k\pi(kk 是整数),不是 2kπ2k\pi。

z=cos⁡θ+isin⁡θz = \cos\theta + i\sin\theta 是单位圆上的点,乘 zz 一次就沿单位圆转 θ\theta。znz^n 就是从 1 出发转 nn 次,停在角 nθn\theta 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 rr:r>1r > 1 时点沿螺线向外走,r<1r < 1 时向内走。

“znz^n 何时是实数”就变成“转多少次后落在实轴上”:每次转 π12\dfrac{\pi}{12},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 zn=az^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:znz^n 是公比为 zz 的等比数列,1+z+⋯+zn−11 + z + \dots + z^{n - 1} 用等比求和公式。

方程式 zn=az^n = a の解き方(a≠0a \ne 0,nn 是正整数):把棣莫弗定理倒过来用。

  1. 把 aa 写成极形式 a=R(cos⁡φ+isin⁡φ)a = R(\cos\varphi + i\sin\varphi)。
  2. 设 z=r(cos⁡θ+isin⁡θ)z = r(\cos\theta + i\sin\theta)(r>0r > 0),由棣莫弗,zn=rn(cos⁡nθ+isin⁡nθ)z^n = r^n(\cos n\theta + i\sin n\theta)。
  3. 比较模:rn=Rr^n = R,rr 是正实数,所以 r=Rnr = \sqrt[n]{R}。
  4. 比较偏角:nθ=φ+2kπn\theta = \varphi + 2k\pi(kk 是整数),θ=φn+2kπn\theta = \dfrac{\varphi}{n} + \dfrac{2k\pi}{n}。
  5. k=0,1,…,n−1k = 0, 1, \dots, n - 1 给出 nn 个不同的解;k=nk = n 又回到 k=0k = 0 的点。

解方程 z 的 n 次方 = a 的五步:a 化极形式,设 z 的极形式,比较模,比较偏角,k 取 0 到 n-1

所以 zn=az^n = a 在复数范围内恰好有 nn 个解,它们都在以原点为中心、半径 Rn\sqrt[n]{R} 的圆上,相邻两个的偏角差 2πn\dfrac{2\pi}{n},构成一个正 nn 角形的顶点。

1 の nn 乗根:a=1a = 1 的情形。R=1R = 1,φ=0\varphi = 0,解是

zk=cos⁡2kπn+isin⁡2kπn(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).

记 α=cos⁡2πn+isin⁡2πn\alpha = \cos\dfrac{2\pi}{n} + i\sin\dfrac{2\pi}{n},由棣莫弗 zk=αkz_k = \alpha^k,所以 1 的 nn 次方根就是 1,α,α2,…,αn−11, \alpha, \alpha^2, \dots, \alpha^{n - 1},它们是内接于单位圆、有一个顶点在 1 的正 nn 边形的顶点。n=3n = 3 时就是 1,ω,ω21, \omega, \omega^2(国内书第 17 章 17.4 节常用推论里的 ω\omega)。

1 の nn 乗根の性質(n≥2n \ge 2,α\alpha 同上):

1+α+α2+⋯+αn−1=0,zn−1=(z−1)(zn−1+zn−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).

α≠1\alpha \ne 1 是 zn−1+⋯+z+1=0z^{n - 1} + \dots + z + 1 = 0 的解。

  • 题目要求解 z3=8iz^3 = 8i、z4=−8+83iz^4 = -8 + 8\sqrt{3}i 这类方程:按五步做,写出全部 nn 个解。
  • 题目给出 α=cos⁡2π5+isin⁡2π5\alpha = \cos\dfrac{2\pi}{5} + i\sin\dfrac{2\pi}{5}(或 α5=1\alpha^5 = 1,α≠1\alpha \ne 1),求 1+α+⋯+α41 + \alpha + \dots + \alpha^4、(1−α)(1−α2)⋯(1 - \alpha)(1 - \alpha^2)\cdots、cos⁡2π5\cos\dfrac{2\pi}{5} 等:用 αn=1\alpha^n = 1 和 1+α+⋯+αn−1=01 + \alpha + \dots + \alpha^{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 nn 边形,面积用 nn 个等腰三角形算。
  • nn 次方程有 nn 个解,一个都不能少。z3=8z^3 = 8 的解不只是 2,还有 −1±3i-1 \pm \sqrt{3}i。
  • 偏角的周期 2kπ2k\pi 要在除以 nn 之前加上:θ=φ+2kπn\theta = \dfrac{\varphi + 2k\pi}{n},写成 φn+2kπ\dfrac{\varphi}{n} + 2k\pi 会只剩一个解。
  • 模 rr 是正实数,rn=Rr^n = R 只取正的 nn 次方根,不用考虑 −Rn-\sqrt[n]{R}(负号已经包含在偏角里)。
  • 解写成 a+bia + bi 时要把每个 θ\theta 的三角函数值算出来。偏角不是特殊角的(如 z5=1z^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 z3=8iz^3 = 8i の解は」「1 の 5 乗根のうち 1 でないものの 1 つを α\alpha とする」「解を表す点を頂点とする正六角形」。

结论 1:恰好 nn 个解。 由说明中的步骤,zz 是解当且仅当 r=Rnr = \sqrt[n]{R} 且 θ=φ+2kπn\theta = \dfrac{\varphi + 2k\pi}{n}(kk 是整数)。(关键一步:两个复数相等,当且仅当模相等、偏角相差 2π2\pi 的整数倍。所以 rn(cos⁡nθ+isin⁡nθ)=R(cos⁡φ+isin⁡φ)r^n(\cos n\theta + i\sin n\theta) = R(\cos\varphi + i\sin\varphi) 等价于 rn=Rr^n = R 且 nθ−φn\theta - \varphi 是 2π2\pi 的整数倍。)k=0,1,…,n−1k = 0, 1, \dots, n - 1 时,θ\theta 落在长为 2π2\pi 的区间 [φn,φn+2π)\left[\dfrac{\varphi}{n}, \dfrac{\varphi}{n} + 2\pi\right) 内且互不相同,给出 nn 个不同的点;其他 kk 与其中某一个相差 nn 的倍数,θ\theta 相差 2π2\pi 的倍数,是同一个点。

结论 2:1+α+⋯+αn−1=01 + \alpha + \dots + \alpha^{n - 1} = 0。 记左边为 SS。αS=α+α2+⋯+αn\alpha S = \alpha + \alpha^2 + \dots + \alpha^n,两式相减:

(α−1)S=αn−1=0.(\alpha - 1)S = \alpha^n - 1 = 0.

α≠1\alpha \ne 1,所以 S=0S = 0。这就是等比数列求和(国内书第 23 章 23.3 节)。

结论 3:zn−1=(z−1)(z−α)(z−α2)⋯(z−αn−1)z^n - 1 = (z - 1)(z - \alpha)(z - \alpha^2)\cdots(z - \alpha^{n - 1})。 左边是 nn 次多项式,有 nn 个不同的根 1,α,…,αn−11, \alpha, \dots, \alpha^{n - 1};由因数定理(本书第 10 章),它能被每个 z−αkz - \alpha^k 整除,比较最高次项系数即得。

例 1 (场景:解 zn=az^n = a)

問題 方程式 z3=8iz^3 = 8i を解け。

解答 8i=8(cos⁡π2+isin⁡π2)8i = 8\left(\cos\dfrac{\pi}{2} + i\sin\dfrac{\pi}{2}\right) である。z=r(cos⁡θ+isin⁡θ)z = r(\cos\theta + i\sin\theta)(r>0r > 0)とおくと

r3(cos⁡3θ+isin⁡3θ)=8(cos⁡π2+isin⁡π2).r^3(\cos 3\theta + i\sin 3\theta) = 8\left(\cos\frac{\pi}{2} + i\sin\frac{\pi}{2}\right).

絶対値について r3=8r^3 = 8 より r=2r = 2,偏角について 3θ=π2+2kπ3\theta = \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi より θ=π6+2kπ3\theta = \dfrac{\pi}{6} + \dfrac{2k\pi}{3} である。k=0,1,2k = 0, 1, 2 のとき θ=π6,5π6,3π2\theta = \dfrac{\pi}{6}, \dfrac{5\pi}{6}, \dfrac{3\pi}{2} で,

z=3+i,−3+i,−2i.z = \sqrt{3} + i, \quad -\sqrt{3} + i, \quad -2i.

中文翻译 题目:解方程 z3=8iz^3 = 8i。解答:8i=8(cos⁡π2+isin⁡π2)8i = 8\left(\cos\dfrac{\pi}{2} + i\sin\dfrac{\pi}{2}\right)。设 z=r(cos⁡θ+isin⁡θ)z = r(\cos\theta + i\sin\theta)(r>0r > 0),r3(cos⁡3θ+isin⁡3θ)=8(cos⁡π2+isin⁡π2)r^3(\cos 3\theta + i\sin 3\theta) = 8\left(\cos\frac{\pi}{2} + i\sin\frac{\pi}{2}\right)。模:r3=8r^3 = 8,r=2r = 2;偏角:3θ=π2+2kπ3\theta = \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi,θ=π6+2kπ3\theta = \dfrac{\pi}{6} + \dfrac{2k\pi}{3}。k=0,1,2k = 0, 1, 2 时 θ=π6,5π6,3π2\theta = \dfrac{\pi}{6}, \dfrac{5\pi}{6}, \dfrac{3\pi}{2},z=3+iz = \sqrt{3} + i,−3+i-\sqrt{3} + i,−2i-2i。

解说 验算:(−2i)3=−8i3=8i(-2i)^3 = -8i^3 = 8i。另一种解法:先找一个解再旋转。看出 −2i-2i 是解后,其他解是它乘 1 的立方根 ω=−12+32i\omega = -\dfrac{1}{2} + \dfrac{\sqrt{3}}{2}i 和 ω2\omega^2(因为 (zω)3=z3ω3=z3(z\omega)^3 = z^3\omega^3 = z^3):−2i⋅ω=3+i-2i \cdot \omega = \sqrt{3} + i,−2i⋅ω2=−3+i-2i \cdot \omega^2 = -\sqrt{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 nn 次方根的性质求值)

問題 α=cos⁡2π5+isin⁡2π5\alpha = \cos\dfrac{2\pi}{5} + i\sin\dfrac{2\pi}{5} とする。

(1) α4+α3+α2+α+1\alpha^4 + \alpha^3 + \alpha^2 + \alpha + 1 を求めよ。

(2) (1−α)(1−α2)(1−α3)(1−α4)(1 - \alpha)(1 - \alpha^2)(1 - \alpha^3)(1 - \alpha^4) を求めよ。

(3) cos⁡2π5\cos\dfrac{2\pi}{5} を求めよ。

解答 (1) α5=cos⁡2π+isin⁡2π=1\alpha^5 = \cos 2\pi + i\sin 2\pi = 1 で α≠1\alpha \ne 1 であるから,証明で示した結論 2 より和は 00 である。

(2) 証明で示した結論 3 より z5−1=(z−1)(z−α)(z−α2)(z−α3)(z−α4)z^5 - 1 = (z - 1)(z - \alpha)(z - \alpha^2)(z - \alpha^3)(z - \alpha^4) である。両辺を z−1z - 1 で割ると

z4+z3+z2+z+1=(z−α)(z−α2)(z−α3)(z−α4).z^4 + z^3 + z^2 + z + 1 = (z - \alpha)(z - \alpha^2)(z - \alpha^3)(z - \alpha^4).

z=1z = 1 を代入すると,求める積は 1+1+1+1+1=51 + 1 + 1 + 1 + 1 = 5 である。

(3) (1) の式の両辺を α2\alpha^2 で割ると

α2+α+1+1α+1α2=0.\alpha^2 + \alpha + 1 + \frac{1}{\alpha} + \frac{1}{\alpha^2} = 0.

t=α+1αt = \alpha + \dfrac{1}{\alpha} とおく。17.4 節の公式 z+1z=2cos⁡θz + \dfrac{1}{z} = 2\cos\theta より t=2cos⁡2π5t = 2\cos\dfrac{2\pi}{5} で,α2+1α2=t2−2\alpha^2 + \dfrac{1}{\alpha^2} = t^2 - 2 であるから,t2+t−1=0t^2 + t - 1 = 0,t=−1±52t = \dfrac{-1 \pm \sqrt{5}}{2}。0<2π5<π20 < \dfrac{2\pi}{5} < \dfrac{\pi}{2} より t>0t > 0 であるから t=−1+52t = \dfrac{-1 + \sqrt{5}}{2} で,

cos⁡2π5=t2=−1+54.\cos\frac{2\pi}{5} = \frac{t}{2} = \frac{-1 + \sqrt{5}}{4}.

中文翻译 题目:α=cos⁡2π5+isin⁡2π5\alpha = \cos\dfrac{2\pi}{5} + i\sin\dfrac{2\pi}{5}。(1)求 α4+α3+α2+α+1\alpha^4 + \alpha^3 + \alpha^2 + \alpha + 1。(2)求 (1−α)(1−α2)(1−α3)(1−α4)(1 - \alpha)(1 - \alpha^2)(1 - \alpha^3)(1 - \alpha^4)。(3)求 cos⁡2π5\cos\dfrac{2\pi}{5}。解答:(1)α5=cos⁡2π+isin⁡2π=1\alpha^5 = \cos 2\pi + i\sin 2\pi = 1,α≠1\alpha \ne 1,由结论 2,和为 0。(2)由结论 3,z5−1=(z−1)(z−α)(z−α2)(z−α3)(z−α4)z^5 - 1 = (z - 1)(z - \alpha)(z - \alpha^2)(z - \alpha^3)(z - \alpha^4),两边除以 z−1z - 1:z4+z3+z2+z+1=(z−α)(z−α2)(z−α3)(z−α4)z^4 + z^3 + z^2 + z + 1 = (z - \alpha)(z - \alpha^2)(z - \alpha^3)(z - \alpha^4)。代入 z=1z = 1:所求的积 =1+1+1+1+1=5= 1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 5。(3)(1)的式子两边除以 α2\alpha^2:α2+α+1+1α+1α2=0\alpha^2 + \alpha + 1 + \frac{1}{\alpha} + \frac{1}{\alpha^2} = 0。设 t=α+1αt = \alpha + \dfrac{1}{\alpha}。由 17.4 节的公式 z+1z=2cos⁡θz + \dfrac{1}{z} = 2\cos\theta,t=2cos⁡2π5t = 2\cos\dfrac{2\pi}{5},且 α2+1α2=t2−2\alpha^2 + \dfrac{1}{\alpha^2} = t^2 - 2,所以 t2+t−1=0t^2 + t - 1 = 0,t=−1±52t = \dfrac{-1 \pm \sqrt{5}}{2}。0<2π5<π20 < \dfrac{2\pi}{5} < \dfrac{\pi}{2},t>0t > 0,取 t=−1+52t = \dfrac{-1 + \sqrt{5}}{2},cos⁡2π5=t2=−1+54\cos\frac{2\pi}{5} = \frac{t}{2} = \frac{-1 + \sqrt{5}}{4}。

解说 容易卡在:(3)不知道为什么要除以 α2\alpha^2。目的是凑出对称的 α+1α\alpha + \dfrac{1}{\alpha},它正好是 2cos⁡2π52\cos\dfrac{2\pi}{5},四次方程就降成了二次方程。二次方程的两个根对应 cos⁡2π5\cos\dfrac{2\pi}{5} 和 cos⁡4π5\cos\dfrac{4\pi}{5}(α2\alpha^2 也满足同一个方程),要用角的范围挑:2π5\dfrac{2\pi}{5} 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 z6=−64z^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。

z 的 6 次方 = -64 的 6 个解在半径 2 的圆上,从偏角 π/6 开始每隔 π/3 一个,构成正六边形

解答 −64=64(cos⁡π+isin⁡π)-64 = 64(\cos\pi + i\sin\pi) である。r6=64r^6 = 64 より r=2r = 2,6θ=π+2kπ6\theta = \pi + 2k\pi より θ=π6+kπ3\theta = \dfrac{\pi}{6} + \dfrac{k\pi}{3}(k=0,1,…,5k = 0, 1, \dots, 5)で,

z=±3±i (4 個),±2i.z = \pm\sqrt{3} \pm i \ (\text{4 個}), \quad \pm 2i.

66 個の点は半径 22 の円上にあり,隣り合う偏角の差は π3\dfrac{\pi}{3} であるから,正六角形の頂点になる。この六角形は 11 辺の長さ 22 の正三角形 66 個に分けられるから,面積は

6×34×22=63.6 \times \frac{\sqrt{3}}{4} \times 2^2 = 6\sqrt{3}.

中文翻译 题目:求方程 z6=−64z^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+isin⁡π)-64 = 64(\cos\pi + i\sin\pi)。r6=64r^6 = 64,r=2r = 2;6θ=π+2kπ6\theta = \pi + 2k\pi,θ=π6+kπ3\theta = \dfrac{\pi}{6} + \dfrac{k\pi}{3}(k=0,1,…,5k = 0, 1, \dots, 5):z=±3±iz = \pm\sqrt{3} \pm i(4 个),±2i\pm 2i。6 个点在半径 2 的圆上,相邻偏角差 π3\dfrac{\pi}{3},是正六边形。它由 6 个边长为 2 的正三角形组成,面积 6×34×22=636 \times \frac{\sqrt{3}}{4} \times 2^2 = 6\sqrt{3}。

解说 zn=az^n = a 的解在半径为 ∣a∣n\sqrt[n]{\lvert a \rvert} 的圆上均匀分布,相邻偏角差 2πn\dfrac{2\pi}{n},所以 n=6n = 6 时构成正六边形;半径 22 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“是四个点(两个 ±\pm 独立取号),加上 ±2i\pm 2i 共 6 个,不要漏写或多写。

  • 1 の 3 乗根:1,ω,ω21, \omega, \omega^2,ω=−1+3i2\omega = \dfrac{-1 + \sqrt{3}i}{2},ω3=1\omega^3 = 1,ω2+ω+1=0\omega^2 + \omega + 1 = 0,ω‾=ω2\overline{\omega} = \omega^2。推导:本节结论 2 取 n=3n = 3;详见本书第 10 章。
  • zn=az^n = a 的 nn 个解之和为 0(n≥2n \ge 2)。推导:解是 z0,z0α,…,z0αn−1z_0, z_0\alpha, \dots, z_0\alpha^{n - 1}(z0z_0 是其中一个解),和为 z0(1+α+⋯+αn−1)=0z_0(1 + \alpha + \dots + \alpha^{n - 1}) = 0。几何上,正多边形的顶点的“重心”是中心 0。
  • 半径 rr 的圆内接正 nn 边形的面积 =n2r2sin⁡2πn= \dfrac{n}{2}r^2\sin\dfrac{2\pi}{n}。推导:分成 nn 个顶角 2πn\dfrac{2\pi}{n}、两腰为 rr 的等腰三角形,每个面积 12r2sin⁡2πn\dfrac{1}{2}r^2\sin\dfrac{2\pi}{n}(国内书第 16 章 16.4 节)。
  • αn=1\alpha^n = 1 时 α‾=1α=αn−1\overline{\alpha} = \dfrac{1}{\alpha} = \alpha^{n - 1}。推导:∣α∣=1\lvert \alpha \rvert = 1,用 17.2 节的 z‾=1z\overline{z} = \dfrac{1}{z},再用 α⋅αn−1=1\alpha \cdot \alpha^{n - 1} = 1。
  • α\alpha 的高次幂按 nn 取余数降次:α5=1\alpha^5 = 1 时 α2026=α2025α=α\alpha^{2026} = \alpha^{2025}\alpha = \alpha。推导:2025=5×4052025 = 5 \times 405。
  • 错在哪:z3=8z^3 = 8 的解只写 z=2z = 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+3i, −1−3iz = 2, \ -1 + \sqrt{3}i, \ -1 - \sqrt{3}i(2 乘 1,ω,ω21, \omega, \omega^2)。
  • 错在哪:例 1 写 θ=π6+2kπ\theta = \dfrac{\pi}{6} + 2k\pi。 为什么错:先除以 3 再加 2kπ2k\pi,所有 kk 都给同一个点,只剩一个解。 正确做法:3θ=π2+2kπ3\theta = \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi,整体除以 3:θ=π6+2kπ3\theta = \dfrac{\pi}{6} + \dfrac{2k\pi}{3}。
  • 错在哪:例 2(3)取了 t=−1−52t = \dfrac{-1 - \sqrt{5}}{2}。 为什么错:二次方程的两个根对应 cos⁡2π5\cos\dfrac{2\pi}{5} 和 cos⁡4π5\cos\dfrac{4\pi}{5}(α2\alpha^2 也满足同一个方程),要用角的范围挑。 正确做法:2π5\dfrac{2\pi}{5} 在第一象限,余弦为正,取正根。

zn=az^n = a 的 nn 个解像钟面上均匀分布的刻度:先找到一个,其余的每隔 2πn\dfrac{2\pi}{n} 一个,绕一圈正好 nn 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 nn 次方根之和为 0 也可以这样想:nn 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 nn 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+⋯+αn−1=01 + \alpha + \dots + \alpha^{n - 1} = 0)。
  • 前置:本书第 10 章 いろいろな式,因数定理和 ω\omega。
  • 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。

17.6 複素数と図形:回転・角・三角形の形状

Section titled “17.6 複素数と図形:回転・角・三角形の形状”

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)、B(β)\mathrm{B}(\beta)、C(γ)\mathrm{C}(\gamma):

AB を m:n に内分する点 nα+mβm+n,外分する点 −nα+mβm−n,△ABC の重心 α+β+γ3.\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}.

点 α\alpha のまわりの回転:点 β\beta 绕点 α\alpha 旋转 θ\theta 得到的点 γ\gamma 满足

γ−α=(cos⁡θ+isin⁡θ)(β−α),即 γ=α+(cos⁡θ+isin⁡θ)(β−α).\gamma - \alpha = (\cos\theta + i\sin\theta)(\beta - \alpha), \qquad \text{即} \ \gamma = \alpha + (\cos\theta + i\sin\theta)(\beta - \alpha).

三步:先把旋转中心 α\alpha 平移到原点(β−α\beta - \alpha),在原点旋转(乘 cos⁡θ+isin⁡θ\cos\theta + i\sin\theta),再平移回去(加 α\alpha)。

B(3+i) 绕 A(1+i) 逆时针转 π/3 得到 C,ABC 是正三角形;顺时针转得到另一个点 C’

2 直線のなす角:三个不同的点 A(α)\mathrm{A}(\alpha)、B(β)\mathrm{B}(\beta)、C(γ)\mathrm{C}(\gamma),

arg⁡γ−αβ−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}.

∠BAC\angle\mathrm{BAC} 的大小是这个偏角的绝对值(取 −π<θ≤π-\pi < \theta \le \pi 时)。

共線・垂直の条件:

3 点 A,B,C が一直線上にある  ⟺  γ−αβ−α が実数,AB⊥AC  ⟺  γ−αβ−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}.

三角形の形状:把比值写成极形式 γ−αβ−α=r(cos⁡θ+isin⁡θ)\dfrac{\gamma - \alpha}{\beta - \alpha} = r(\cos\theta + i\sin\theta),就同时知道了两边之比和夹角:

ACAB=r,∠BAC=∣θ∣.\frac{\mathrm{AC}}{\mathrm{AB}} = r, \qquad \angle\mathrm{BAC} = \lvert \theta \rvert.
比值 γ−αβ−α\dfrac{\gamma - \alpha}{\beta - \alpha} 三角形 ABC 的形状
cos⁡(±π3)+isin⁡(±π3)=1±3i2\cos\left(\pm\dfrac{\pi}{3}\right) + i\sin\left(\pm\dfrac{\pi}{3}\right) = \dfrac{1 \pm \sqrt{3}i}{2} 正三角形
±i\pm i ∠A=90°\angle\mathrm{A} = 90° 的直角二等辺三角形
纯虚数 kiki(k≠±1k \ne \pm 1) ∠A=90°\angle\mathrm{A} = 90° 的直角三角形
模为 1 AB=AC\mathrm{AB} = \mathrm{AC} 的二等辺三角形

由关系式判断三角形形状的步骤:化成比值,写成极形式,读出两边之比和夹角

  • 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 を点 α\alpha を中心として θ\theta だけ回転した点」:用 γ=α+(cos⁡θ+isin⁡θ)(β−α)\gamma = \alpha + (\cos\theta + i\sin\theta)(\beta - \alpha)。
  • 题目要求三点共线、两直线垂直时的参数,或求 ∠BAC\angle\mathrm{BAC}:算比值 γ−αβ−α\dfrac{\gamma - \alpha}{\beta - \alpha},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、β\beta、γ\gamma 之间的关系式(如 2α2−2αβ+β2=02\alpha^2 - 2\alpha\beta + \beta^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+isin⁡θ)β\gamma = (\cos\theta + i\sin\theta)\beta 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 和 β−α\beta - \alpha。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 π3\dfrac{\pi}{3}”),通常 ±π3\pm\dfrac{\pi}{3} 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 を点 α\alpha を中心として π3\dfrac{\pi}{3} だけ回転した点」「∠BAC\angle\mathrm{BAC} の大きさ」「3 点が一直線上にあるとき」「△OAB\triangle\mathrm{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 旋转的公式。 平移整个平面使 α\alpha 变到原点:点 zz 变成 z−αz - \alpha。平移不改变图形,所以”β\beta 绕 α\alpha 转 θ\theta 得 γ\gamma“等价于”β−α\beta - \alpha 绕原点转 θ\theta 得 γ−α\gamma - \alpha“。由 17.3 节,绕原点转 θ\theta 就是乘 cos⁡θ+isin⁡θ\cos\theta + i\sin\theta,所以 γ−α=(cos⁡θ+isin⁡θ)(β−α)\gamma - \alpha = (\cos\theta + i\sin\theta)(\beta - \alpha)。

结论 2:比值的偏角是夹角,模是边之比。 β−α\beta - \alpha 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 同理是 AC 的方向。由商的公式,

∣γ−αβ−α∣=∣γ−α∣∣β−α∣=ACAB,arg⁡γ−αβ−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).

(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,即比值是实数;垂直就是角为 ±π2\pm\dfrac{\pi}{2},即比值是纯虚数(比值不为 0,因为 γ≠α\gamma \ne \alpha)。

例 1 (场景:旋转求顶点)

問題 A(1+i)\mathrm{A}(1 + i),B(3+i)\mathrm{B}(3 + i) とする。△ABC\triangle\mathrm{ABC} が正三角形となる点 C(γ)\mathrm{C}(\gamma) を求めよ。

解答 C\mathrm{C} は B\mathrm{B} を A\mathrm{A} のまわりに ±π3\pm\dfrac{\pi}{3} だけ回転した点である。β−α=2\beta - \alpha = 2 であるから

γ=(1+i)+(12±32i)⋅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.

よって γ=2+(1+3)i\gamma = 2 + (1 + \sqrt{3})i または γ=2+(1−3)i\gamma = 2 + (1 - \sqrt{3})i である。

中文翻译 题目:A(1+i)\mathrm{A}(1 + i),B(3+i)\mathrm{B}(3 + i)。求使 △ABC\triangle\mathrm{ABC} 为正三角形的点 C(γ)\mathrm{C}(\gamma)。解答:C 是 B 绕 A 旋转 ±π3\pm\dfrac{\pi}{3} 得到的点。β−α=2\beta - \alpha = 2,γ=(1+i)+(12±32i)⋅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。所以 γ=2+(1+3)i\gamma = 2 + (1 + \sqrt{3})i 或 γ=2+(1−3)i\gamma = 2 + (1 - \sqrt{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 32×2=3\dfrac{\sqrt{3}}{2} \times 2 = \sqrt{3}。AB 的中点是 2+i2 + i,AB 是水平的,往上下各走 3\sqrt{3}:2+(1±3)i2 + (1 \pm \sqrt{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,±π3\pm\dfrac{\pi}{3} 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),B(3+2i)\mathrm{B}(3 + 2i),C(a+4i)\mathrm{C}(a + 4i)(aa は実数)とする。33 点 A\mathrm{A},B\mathrm{B},C\mathrm{C} が一直線上にあるときの aa と,AB⊥AC\mathrm{AB} \perp \mathrm{AC} となるときの aa を求めよ。

解答

γ−αβ−α=(a−1)+3i2+i={(a−1)+3i}(2−i)5=(2a+1)+(7−a)i5.\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}.
  • 一直線上にあるとき:虚部が 00 であるから 7−a=07 - a = 0,a=7a = 7。
  • AB⊥AC\mathrm{AB} \perp \mathrm{AC} のとき:実部が 00(虚部 7−a≠07 - a \ne 0)であるから 2a+1=02a + 1 = 0,a=−12a = -\dfrac{1}{2}。

中文翻译 题目:A(1+i)\mathrm{A}(1 + i),B(3+2i)\mathrm{B}(3 + 2i),C(a+4i)\mathrm{C}(a + 4i)(aa 是实数)。求 3 点共线时的 aa,以及 AB⊥AC\mathrm{AB} \perp \mathrm{AC} 时的 aa。解答:γ−αβ−α=(a−1)+3i2+i={(a−1)+3i}(2−i)5=(2a+1)+(7−a)i5\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}。共线:虚部为 0,7−a=07 - a = 0,a=7a = 7。垂直:实部为 0(虚部 7−a≠07 - a \ne 0),2a+1=02a + 1 = 0,a=−12a = -\dfrac{1}{2}。

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 是“转到的边”AC,分母 β−α\beta - \alpha 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} を原点とし,00 でない複素数 α\alpha,β\beta が 2α2−2αβ+β2=02\alpha^2 - 2\alpha\beta + \beta^2 = 0 を満たしている。A(α)\mathrm{A}(\alpha),B(β)\mathrm{B}(\beta) とするとき,△OAB\triangle\mathrm{OAB} はどのような三角形か。

β = (1+i)α 时,OB 是 OA 的 √2 倍、夹角 π/4,三角形 OAB 在 A 处是直角,且 OA = AB

解答 両辺を α2\alpha^2(α≠0\alpha \ne 0)で割り,w=βαw = \dfrac{\beta}{\alpha} とおくと

w2−2w+2=0,w=1±i=2{cos⁡(±π4)+isin⁡(±π4)}.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\}.

よって OBOA=2\dfrac{\mathrm{OB}}{\mathrm{OA}} = \sqrt{2},∠AOB=π4\angle\mathrm{AOB} = \dfrac{\pi}{4} である。OA=k\mathrm{OA} = k とおくと,余弦定理より

AB2=k2+2k2−2⋅k⋅2kcos⁡π4=k2,\mathrm{AB}^2 = k^2 + 2k^2 - 2 \cdot k \cdot \sqrt{2}k \cos\frac{\pi}{4} = k^2,

よって AB=k=OA\mathrm{AB} = k = \mathrm{OA} で,OA2+AB2=2k2=OB2\mathrm{OA}^2 + \mathrm{AB}^2 = 2k^2 = \mathrm{OB}^2 が成り立つ。したがって,△OAB\triangle\mathrm{OAB} は ∠A=90°\angle\mathrm{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、β\beta 是不为 0 的复数,满足 2α2−2αβ+β2=02\alpha^2 - 2\alpha\beta + \beta^2 = 0。A(α)\mathrm{A}(\alpha)、B(β)\mathrm{B}(\beta)。△OAB\triangle\mathrm{OAB} 是什么形状?解答:两边除以 α2\alpha^2(α≠0\alpha \ne 0),设 w=βαw = \dfrac{\beta}{\alpha}:w2−2w+2=0w^2 - 2w + 2 = 0,w=1±i=2{cos⁡(±π4)+isin⁡(±π4)}w = 1 \pm i = \sqrt{2}\left\{\cos\left(\pm\frac{\pi}{4}\right) + i\sin\left(\pm\frac{\pi}{4}\right)\right\}。所以 OBOA=2\dfrac{\mathrm{OB}}{\mathrm{OA}} = \sqrt{2},∠AOB=π4\angle\mathrm{AOB} = \dfrac{\pi}{4}。设 OA=k\mathrm{OA} = k,由余弦定理 AB2=k2+2k2−2⋅k⋅2kcos⁡π4=k2\mathrm{AB}^2 = k^2 + 2k^2 - 2 \cdot k \cdot \sqrt{2}k \cos\frac{\pi}{4} = k^2,AB=k=OA\mathrm{AB} = k = \mathrm{OA},且 OA2+AB2=2k2=OB2\mathrm{OA}^2 + \mathrm{AB}^2 = 2k^2 = \mathrm{OB}^2。△OAB\triangle\mathrm{OAB} 是 ∠A=90°\angle\mathrm{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−α0−α=1−βα=1−(1±i)=∓i\dfrac{\beta - \alpha}{0 - \alpha} = 1 - \dfrac{\beta}{\alpha} = 1 - (1 \pm i) = \mp i,模为 1、偏角 ∓π2\mp\dfrac{\pi}{2},直接读出 AB=AO\mathrm{AB} = \mathrm{AO},∠OAB=90°\angle\mathrm{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),B(4+2i)\mathrm{B}(4 + 2i),C(2+3i)\mathrm{C}(2 + 3i) とする。∠BAC\angle\mathrm{BAC} を求め,△ABC\triangle\mathrm{ABC} の形状を答えよ。

解答

γ−αβ−α=1+2i3+i=(1+2i)(3−i)10=5+5i10=22(cos⁡π4+isin⁡π4).\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).

よって ∠BAC=π4\angle\mathrm{BAC} = \dfrac{\pi}{4},AC=22AB\mathrm{AC} = \dfrac{\sqrt{2}}{2}\mathrm{AB} である。AB=∣3+i∣=10\mathrm{AB} = \lvert 3 + i \rvert = \sqrt{10},AC=5\mathrm{AC} = \sqrt{5},BC=∣(2+3i)−(4+2i)∣=∣−2+i∣=5\mathrm{BC} = \lvert (2 + 3i) - (4 + 2i) \rvert = \lvert -2 + i \rvert = \sqrt{5} である。AC=BC\mathrm{AC} = \mathrm{BC} かつ AC2+BC2=10=AB2\mathrm{AC}^2 + \mathrm{BC}^2 = 10 = \mathrm{AB}^2 であるから,△ABC\triangle\mathrm{ABC} は ∠C=90°\angle\mathrm{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),B(4+2i)\mathrm{B}(4 + 2i),C(2+3i)\mathrm{C}(2 + 3i)。求 ∠BAC\angle\mathrm{BAC},并判断 △ABC\triangle\mathrm{ABC} 的形状。解答:γ−αβ−α=1+2i3+i=(1+2i)(3−i)10=5+5i10=22(cos⁡π4+isin⁡π4)\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)。所以 ∠BAC=π4\angle\mathrm{BAC} = \dfrac{\pi}{4},AC=22AB\mathrm{AC} = \dfrac{\sqrt{2}}{2}\mathrm{AB}。AB=∣3+i∣=10\mathrm{AB} = \lvert 3 + i \rvert = \sqrt{10},AC=5\mathrm{AC} = \sqrt{5},BC=∣(2+3i)−(4+2i)∣=∣−2+i∣=5\mathrm{BC} = \lvert (2 + 3i) - (4 + 2i) \rvert = \lvert -2 + i \rvert = \sqrt{5}。AC=BC\mathrm{AC} = \mathrm{BC},AC2+BC2=10=AB2\mathrm{AC}^2 + \mathrm{BC}^2 = 10 = \mathrm{AB}^2,是 ∠C=90°\angle\mathrm{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 22\dfrac{\sqrt{2}}{2} 说明 AC=22AB\mathrm{AC} = \dfrac{\sqrt{2}}{2}\mathrm{AB},偏角 π4\dfrac{\pi}{4} 说明 ∠BAC=π4\angle\mathrm{BAC} = \dfrac{\pi}{4}。判断形状还要看第三边:用两点间距离算出 BC=5\mathrm{BC} = \sqrt{5},和 AC\mathrm{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:△ABC\triangle\mathrm{ABC} 是正三角形   ⟺  α2+β2+γ2=αβ+βγ+γα\iff \alpha^2 + \beta^2 + \gamma^2 = \alpha\beta + \beta\gamma + \gamma\alpha。推导:正三角形   ⟺  u=γ−αβ−α=1±3i2  ⟺  u2−u+1=0\iff u = \dfrac{\gamma - \alpha}{\beta - \alpha} = \dfrac{1 \pm \sqrt{3}i}{2} \iff u^2 - u + 1 = 0;把 uu 代入并乘 (β−α)2(\beta - \alpha)^2,得 (γ−α)2−(γ−α)(β−α)+(β−α)2=0(\gamma - \alpha)^2 - (\gamma - \alpha)(\beta - \alpha) + (\beta - \alpha)^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),γ=β+i(β−α)\gamma = \beta + i(\beta - \alpha)。推导:D 是 B 绕 A 转 π2\dfrac{\pi}{2};BC→=AD→\overrightarrow{\mathrm{BC}} = \overrightarrow{\mathrm{AD}}。
  • 原点を通る場合:O、A(α)\mathrm{A}(\alpha)、B(β)\mathrm{B}(\beta) 共线   ⟺  βα\iff \dfrac{\beta}{\alpha} 是实数   ⟺  αβ‾=α‾β\iff \alpha\overline{\beta} = \overline{\alpha}\beta;OA⊥OB  ⟺  αβ‾+α‾β=0\mathrm{OA} \perp \mathrm{OB} \iff \alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta = 0。推导:βα=βα‾∣α∣2\dfrac{\beta}{\alpha} = \dfrac{\beta\overline{\alpha}}{\lvert \alpha \rvert^2},用 17.2 节的实数、纯虚数判定。
  • △OAB\triangle\mathrm{OAB} 的面积 =12∣α∣∣β∣sin⁡∠AOB= \dfrac{1}{2}\lvert \alpha \rvert \lvert \beta \rvert \sin\angle\mathrm{AOB},∠AOB\angle\mathrm{AOB} 由 arg⁡βα\arg\dfrac{\beta}{\alpha} 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) 转 π3\dfrac{\pi}{3},写成 γ=(12+32i)β\gamma = \left(\dfrac{1}{2} + \dfrac{\sqrt{3}}{2}i\right)\beta。 为什么错:乘 cos⁡θ+isin⁡θ\cos\theta + i\sin\theta 是绕原点转。 正确做法:γ=α+(12+32i)(β−α)\gamma = \alpha + \left(\dfrac{1}{2} + \dfrac{\sqrt{3}}{2}i\right)(\beta - \alpha),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,±π3\pm\dfrac{\pi}{3} 都写。

复数把“旋转 + 伸缩”压缩成一次乘法。所以一个比值 γ−αβ−α\dfrac{\gamma - \alpha}{\beta - \alpha} 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,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−αz−β\arg\dfrac{z - \alpha}{z - \beta} 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。

17.7 複素数と図形:方程式の表す図形

Section titled “17.7 複素数と図形:方程式の表す図形”

∣z−α∣\lvert z - \alpha \rvert 是点 zz 到点 α\alpha 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(r>0r > 0) 点 α\alpha を中心とする半径 rr の円
∣z−α∣=∣z−β∣\lvert z - \alpha \rvert = \lvert z - \beta \rvert 2 点 α\alpha,β\beta 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(k>0k > 0,k≠1k \ne 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:1k : 1(k≠1k \ne 1)的点的轨迹是圆,中心和半径是

中心 α−k2β1−k2,半径 k∣α−β∣∣1−k2∣.\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}.

公式不必背,题目里用下面“平方、乘共轭、整理”的办法现场推。

zz‾z\overline{z} の形の方程式:cc 是实数,

zz‾+α‾z+αz‾+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.

∣α∣2−c>0\lvert \alpha \rvert^2 - c > 0 时,这是中心 −α-\alpha、半径 ∣α∣2−c\sqrt{\lvert \alpha \rvert^2 - c} 的圆。这是“配方”的复数版。

軌跡(w=f(z)w = f(z)):点 zz 在某图形上动,求 w=f(z)w = f(z) 描出的图形。做法:从 w=f(z)w = f(z) 解出 zz(用 ww 表示),代入 zz 满足的方程,得到 ww 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、zz‾+(1+i)z+(1−i)z‾=2z\overline{z} + (1 + i)z + (1 - i)\overline{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=ρ2\lvert z - \gamma \rvert^2 = \rho^2。
  • 题目说「点 zz が円 … 上を動くとき,w=1zw = \dfrac{1}{z}(或 w=(1+i)zw = (1 + i)z 等)が描く図形」:解出 zz 代入。
  • 题目说 zz 在某个圆上动,求 ∣z−c∣\lvert z - c \rvert 或 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 平方后右边是 4∣z−1∣24\lvert z - 1 \rvert^2。
  • 整理 zz‾z\overline{z} 形式时,α‾z\overline{\alpha}z 和 αz‾\alpha\overline{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 zz 的限制条件(如 z≠0z \ne 0)要转成 ww 的限制,可能要去掉点。
  • 拿不准时可以设 z=x+yiz = x + yi 化成 xx、yy 的方程,这是保底的方法;但 EJU 的誘導往往按 zz‾z\overline{z} 的形式出空格,两种都要会。
  • EJU 题干:「点 zz は … を満たしながら動く」「ww が描く図形は点 A\fbox{A} を中心とする半径 B\fbox{B} の円である」「∣z∣\lvert z \rvert 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‾)=k2(z−β)(z‾−β‾).(z - \alpha)(\overline{z} - \overline{\alpha}) = k^2(z - \beta)(\overline{z} - \overline{\beta}).

展开整理,

(1−k2)zz‾−(α‾−k2β‾)z−(α−k2β)z‾+∣α∣2−k2∣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.

除以 1−k21 - k^2(关键一步:k≠1k \ne 1 才能除;k=1k = 1 时 zz‾z\overline{z} 项消失,剩下一次式,是直线,即垂直平分线),记 γ=α−k2β1−k2\gamma = \dfrac{\alpha - k^2\beta}{1 - k^2},上式就是

zz‾−γ‾z−γz‾+∣α∣2−k2∣β∣21−k2=0,∣z−γ∣2=∣γ∣2−∣α∣2−k2∣β∣21−k2.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}.

右边通分后分子是 ∣α−k2β∣2−(1−k2)(∣α∣2−k2∣β∣2)=k2∣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(展开验证,交叉项 −k2(αβ‾+α‾β)-k^2(\alpha\overline{\beta} + \overline{\alpha}\beta) 和 ∣α∣2\lvert \alpha \rvert^2、∣β∣2\lvert \beta \rvert^2 凑成 k2∣α−β∣2k^2\lvert \alpha - \beta \rvert^2),所以右边 =k2∣α−β∣2(1−k2)2>0= \dfrac{k^2\lvert \alpha - \beta \rvert^2}{(1 - k^2)^2} > 0,是圆,半径如说明所写。

结论 2:zz‾z\overline{z} 形式。 ∣z+α∣2=(z+α)(z‾+α‾)=zz‾+α‾z+αz‾+∣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,把原方程的前三项换成 ∣z+α∣2−∣α∣2\lvert z + \alpha \rvert^2 - \lvert \alpha \rvert^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 はどのような図形を表すか。

到 -2 和 1 的距离之比为 2 比 1 的点 z,在以 2 为中心、半径 2 的圆上

解答 両辺を 22 乗すると (z+2)(z‾+2)=4(z−1)(z‾−1)(z + 2)(\overline{z} + 2) = 4(z - 1)(\overline{z} - 1) である。展開すると

zz‾+2z+2z‾+4=4zz‾−4z−4z‾+4,z\overline{z} + 2z + 2\overline{z} + 4 = 4z\overline{z} - 4z - 4\overline{z} + 4, 3zz‾−6z−6z‾=0,zz‾−2z−2z‾=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.

よって ∣z−2∣=2\lvert z - 2 \rvert = 2 である。すなわち,点 22 を中心とする半径 22 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 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)。展开:zz‾+2z+2z‾+4=4zz‾−4z−4z‾+4z\overline{z} + 2z + 2\overline{z} + 4 = 4z\overline{z} - 4z - 4\overline{z} + 4,3zz‾−6z−6z‾=03z\overline{z} - 6z - 6\overline{z} = 0,zz‾−2z−2z‾=0z\overline{z} - 2z - 2\overline{z} = 0,(z−2)(z‾−2)=4(z - 2)(\overline{z} - 2) = 4。所以 ∣z−2∣=2\lvert z - 2 \rvert = 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 2:12 : 1 内分和外分的点”。A(−2)\mathrm{A}(-2)、B(1)\mathrm{B}(1),内分点 1⋅(−2)+2⋅13=0\dfrac{1 \cdot (-2) + 2 \cdot 1}{3} = 0,外分点 −1⋅(−2)+2⋅12−1=4\dfrac{-1 \cdot (-2) + 2 \cdot 1}{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∣24\lvert z - 1 \rvert^2。

例 2 (场景:zz‾z\overline{z} 形式的方程)

問題 方程式 zz‾+(1+i)z+(1−i)z‾=2z\overline{z} + (1 + i)z + (1 - i)\overline{z} = 2 はどのような図形を表すか。

解答 zz‾+α‾z+αz‾z\overline{z} + \overline{\alpha}z + \alpha\overline{z} の形と比べると,α‾=1+i\overline{\alpha} = 1 + i,α=1−i\alpha = 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 と変形できるから

∣z−(−1+i)∣2=4.\lvert z - (-1 + i) \rvert^2 = 4.

よって,点 −1+i-1 + i を中心とする半径 22 の円である。

中文翻译 题目:方程 zz‾+(1+i)z+(1−i)z‾=2z\overline{z} + (1 + i)z + (1 - i)\overline{z} = 2 表示什么图形?解答:对照 zz‾+α‾z+αz‾z\overline{z} + \overline{\alpha}z + \alpha\overline{z}:α‾=1+i\overline{\alpha} = 1 + i,α=1−i\alpha = 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,所以 ∣z−(−1+i)∣2=4\lvert z - (-1 + i) \rvert^2 = 4。以 −1+i-1 + i 为中心、半径 2 的圆。

解说 容易卡在:把中心写成 1−i1 - i 或 1+i1 + i。∣z+α∣\lvert z + \alpha \rvert 的中心是 −α-\alpha。这里 α=1−i\alpha = 1 - i,中心是 −(1−i)=−1+i-(1 - i) = -1 + i。

例 3 (场景:w=f(z)w = f(z) 的轨迹)

問題 点 zz が円 ∣z−1∣=1\lvert z - 1 \rvert = 1 上を(z≠0z \ne 0)動くとき,w=1zw = \dfrac{1}{z} が描く図形を求めよ。

z 在过原点的圆 |z-1| = 1 上,w = 1/z 落在直线 Re w = 1/2 上

解答 z=1wz = \dfrac{1}{w}(w≠0w \ne 0)を代入すると

∣1w−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.

ww は 11 からの距離と 00 からの距離が等しいから,00 と 11 を結ぶ線分の垂直二等分線上にある。すなわち直線 Re w=12\mathrm{Re}\,w = \dfrac{1}{2}(実部が 12\dfrac{1}{2} である点全体)である。逆に,この直線上のどの ww も 00 でなく,z=1wz = \dfrac{1}{w} は円上にあって 00 でないから,軌跡は直線全体である。

中文翻译 题目:点 zz 在圆 ∣z−1∣=1\lvert z - 1 \rvert = 1 上(z≠0z \ne 0)运动。求 w=1zw = \dfrac{1}{z} 描出的图形。解答:z=1wz = \dfrac{1}{w}(w≠0w \ne 0)代入:∣1w−1∣=1\left\lvert \frac{1}{w} - 1 \right\rvert = 1,∣1−w∣∣w∣=1\frac{\lvert 1 - w \rvert}{\lvert w \rvert} = 1,∣w−1∣=∣w∣\lvert w - 1 \rvert = \lvert w \rvert。ww 到 1 和到 0 的距离相等,所以 ww 在 0 和 1 的垂直平分线上,即直线 Re w=12\mathrm{Re}\,w = \dfrac{1}{2}(实部为 12\dfrac{1}{2} 的点全体)。反过来,这条直线上每个 ww 都不为 0,z=1wz = \dfrac{1}{w} 在圆上且不为 0,所以轨迹是整条直线。

解说 容易卡在:把 w=1zw = \dfrac{1}{z} 直接代成 ∣w−1∣=1\lvert w - 1 \rvert = 1,说 ww 也在同一个圆上。已知条件是关于 zz 的,要先用 ww 表示 zz,即 z=1wz = \dfrac{1}{w},再代入 zz 的方程。z≠0z \ne 0 这个限制对应 w≠0w \ne 0,而 Re w=12\mathrm{Re}\,w = \dfrac{1}{2} 上确实没有 w=0w = 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 zz が円 ∣z−2i∣=1\lvert z - 2i \rvert = 1 上を動くとき,arg⁡z\arg z(0≦arg⁡z<2π0 \leqq \arg z < 2\pi)の範囲と,arg⁡z\arg z が最大となるときの zz を求めよ。

原点到圆 |z-2i| = 1 的两条切线,偏角在 π/3 和 2π/3 之间,左边的切点偏角最大

解答 円の中心を C(2i)\mathrm{C}(2i),半径を 11 とすると,OC=2\mathrm{OC} = 2 である。原点からこの円に引いた 22 本の接線の接点を T\mathrm{T} とすると,∠OTC=90°\angle\mathrm{OTC} = 90° で sin⁡∠COT=12\sin\angle\mathrm{COT} = \dfrac{1}{2} であるから,∠COT=π6\angle\mathrm{COT} = \dfrac{\pi}{6} である。OC\mathrm{OC} の向きは π2\dfrac{\pi}{2} であるから

π3≦arg⁡z≦2π3.\frac{\pi}{3} \leqq \arg z \leqq \frac{2\pi}{3}.

最大となるとき,zz は左側の接点で,OT=22−12=3\mathrm{OT} = \sqrt{2^2 - 1^2} = \sqrt{3} であるから

z=3(cos⁡2π3+isin⁡2π3)=−32+32i.z = \sqrt{3}\left(\cos\frac{2\pi}{3} + i\sin\frac{2\pi}{3}\right) = -\frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{3}{2}i.

中文翻译 题目:点 zz 在圆 ∣z−2i∣=1\lvert z - 2i \rvert = 1 上运动。求 arg⁡z\arg z(0≤arg⁡z<2π0 \le \arg z < 2\pi)的范围,以及 arg⁡z\arg z 最大时的 zz。解答:圆心 C(2i)\mathrm{C}(2i),半径 1,OC=2\mathrm{OC} = 2。从原点作圆的两条切线,切点为 T,∠OTC=90°\angle\mathrm{OTC} = 90°,sin⁡∠COT=12\sin\angle\mathrm{COT} = \dfrac{1}{2},∠COT=π6\angle\mathrm{COT} = \dfrac{\pi}{6}。OC 的方向是 π2\dfrac{\pi}{2},所以 π3≤arg⁡z≤2π3\frac{\pi}{3} \le \arg z \le \frac{2\pi}{3}。最大时 zz 是左边的切点,OT=22−12=3\mathrm{OT} = \sqrt{2^2 - 1^2} = \sqrt{3},z=3(cos⁡2π3+isin⁡2π3)=−32+32iz = \sqrt{3}\left(\cos\frac{2\pi}{3} + i\sin\frac{2\pi}{3}\right) = -\frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{3}{2}i。

解说 容易卡在:认为 arg⁡z\arg z 最大时 zz 是圆的最左点 −1+2i-1 + 2i。最左点的偏角是 π−arctan⁡2<2π3\pi - \arctan 2 < \dfrac{2\pi}{3};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⁡∠COT=rOC=12\sin\angle\mathrm{COT} = \dfrac{r}{\mathrm{OC}} = \dfrac{1}{2} 得到,所以范围是 π2±π6\dfrac{\pi}{2} \pm \dfrac{\pi}{6}。

  • アポロニウスの円の直径:满足 PA:PB=k:1\mathrm{PA} : \mathrm{PB} = k : 1 的圆,直径的两端是线段 AB 按 k:1k : 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 是 α\alpha、β\beta 的实系数组合),所以它们是直径两端。
  • 圆 ∣z−α∣=r\lvert z - \alpha \rvert = r 上的点,∣z∣\lvert z \rvert 的最大值 ∣α∣+r\lvert \alpha \rvert + r,最小值 ∣∣α∣−r∣\lvert \lvert \alpha \rvert - r \rvert(原点在圆内时最小值是 r−∣α∣r - \lvert \alpha \rvert)。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−αz−β=θ\arg\dfrac{z - \alpha}{z - \beta} = \theta(定值,0<∣θ∣<π0 < \lvert \theta \rvert < \pi)的点 zz 在以 AB 为弦的一段圆弧上。推导:17.6 节,θ\theta 是在 zz 处从 zβz\beta 方向转到 zαz\alpha 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=1zw = \dfrac{1}{z} 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 ww‾w\overline{w} 项。
  • ∣z−α∣+∣z−β∣=2a\lvert z - \alpha \rvert + \lvert z - \beta \rvert = 2a(2a>∣α−β∣2a > \lvert \alpha - \beta \rvert)是以 α\alpha、β\beta 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 平方成 ∣z+2∣2=2∣z−1∣2\lvert z + 2 \rvert^2 = 2\lvert z - 1 \rvert^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。
  • 错在哪:例 3 把 w=1zw = \dfrac{1}{z} 直接代成 ∣w−1∣=1\lvert w - 1 \rvert = 1,说 ww 也在同一个圆上。 为什么错:已知条件是关于 zz 的,要先用 ww 表示 zz(z=1wz = \dfrac{1}{w}),再代入 zz 的方程。 正确做法:∣1w−1∣=1\left\lvert \dfrac{1}{w} - 1 \right\rvert = 1,整理得 ∣w−1∣=∣w∣\lvert w - 1 \rvert = \lvert w \rvert。
  • 错在哪:例 4 认为 arg⁡z\arg z 最大时 zz 是圆的最左点 −1+2i-1 + 2i。 为什么错:最左点的偏角是 π−arctan⁡2<2π3\pi - \arctan 2 < \dfrac{2\pi}{3};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 就是”zz 离 α\alpha 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=1zw = \dfrac{1}{z} 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(1z=z‾∣z∣2\dfrac{1}{z} = \dfrac{\overline{z}}{\lvert z \rvert^2})。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=zz‾\lvert z \rvert^2 = z\overline{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 BCDπ\dfrac{\fbox{B}}{\fbox{CD}}\pi 的样子)→ (2) 用棣莫弗求 znz^n,或问使 znz^n 为实数的最小 nn → (3) 解 zn=az^n = a,或求 1+α+…1 + \alpha + \dots 之类的值。
  • 形状线:(1) 由关系式求比值 βα\dfrac{\beta}{\alpha} → (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,求 α\alpha、面积、外接圆。
  • 轨迹线:(1) 把方程化成 ∣z−γ∣=ρ\lvert z - \gamma \rvert = \rho,填中心和半径 → (2) 求 ∣z−c∣\lvert z - c \rvert 的最值 → (3) w=f(z)w = f(z) 的轨迹。

填涂提醒:偏角 512π\dfrac{5}{12}\pi 填进 BCDπ\dfrac{\fbox{B}}{\fbox{CD}}\pi 是「5」「1」「2」;中心 −i-i 填进 AB i\fbox{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+3i1+iz = \dfrac{-1 + \sqrt{3}i}{1 + i} について考える。ただし,偏角 θ\theta は 0≦θ<2π0 \leqq \theta < 2\pi とする。

(1) zz の絶対値は A\sqrt{\fbox{A}} であり,偏角は BCDπ\dfrac{\fbox{B}}{\fbox{CD}}\pi である。

(2) znz^n が実数となる最小の自然数 nn は n=EFn = \fbox{EF} であり,このとき zn=−GHz^n = -\fbox{GH} である。

(3) znz^n が純虚数となる最小の自然数 nn は n=In = \fbox{I} であり,このとき zn=J iz^n = \fbox{J}\,i である。

解答 (1) 分子は −1+3i=2(cos⁡2π3+isin⁡2π3)-1 + \sqrt{3}i = 2\left(\cos\dfrac{2\pi}{3} + i\sin\dfrac{2\pi}{3}\right),分母は 1+i=2(cos⁡π4+isin⁡π4)1 + i = \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right) である。よって絶対値は 22=2\dfrac{2}{\sqrt{2}} = \sqrt{2},偏角は 2π3−π4=5π12\dfrac{2\pi}{3} - \dfrac{\pi}{4} = \dfrac{5\pi}{12} である。したがって A=2\fbox{A} = 2,B=5\fbox{B} = 5,CD\fbox{CD} には 11 と 22 を入れる。

(2) zn=(2)n(cos⁡5nπ12+isin⁡5nπ12)z^n = (\sqrt{2})^n\left(\cos\dfrac{5n\pi}{12} + i\sin\dfrac{5n\pi}{12}\right) である。実数となるのは 5n12\dfrac{5n}{12} が整数となるときで,55 と 1212 は互いに素だから nn は 1212 の倍数である。最小の n=12n = 12 で,EF\fbox{EF} には 11 と 22 を入れる。このとき z12=26(cos⁡5π+isin⁡5π)=−64z^{12} = 2^6(\cos 5\pi + i\sin 5\pi) = -64 であるから,GH\fbox{GH} には 66 と 44 を入れる。

(3) 純虚数となるのは 5nπ12=π2+kπ\dfrac{5n\pi}{12} = \dfrac{\pi}{2} + k\pi,すなわち 5n=6+12k5n = 6 + 12k となるときである。n=1,2,…n = 1, 2, \dots と順に試すと,5n5n を 1212 で割った余りが 66 となる最小の nn は 66 である(5×6=30=6+245 \times 6 = 30 = 6 + 24)。よって I=6\fbox{I} = 6。このとき z6=8(cos⁡5π2+isin⁡5π2)=8iz^6 = 8\left(\cos\dfrac{5\pi}{2} + i\sin\dfrac{5\pi}{2}\right) = 8i であるから J=8\fbox{J} = 8。

中文翻译 题目:考虑复数 z=−1+3i1+iz = \dfrac{-1 + \sqrt{3}i}{1 + i},偏角 θ\theta 取 0≤θ<2π0 \le \theta < 2\pi。(1)zz 的模是 A\sqrt{\fbox{A}},偏角是 BCDπ\dfrac{\fbox{B}}{\fbox{CD}}\pi。(2)使 znz^n 为实数的最小自然数 n=EFn = \fbox{EF},此时 zn=−GHz^n = -\fbox{GH}。(3)使 znz^n 为纯虚数的最小自然数 n=In = \fbox{I},此时 zn=J iz^n = \fbox{J}\,i。解答:(1)分子 −1+3i=2(cos⁡2π3+isin⁡2π3)-1 + \sqrt{3}i = 2\left(\cos\dfrac{2\pi}{3} + i\sin\dfrac{2\pi}{3}\right),分母 1+i=2(cos⁡π4+isin⁡π4)1 + i = \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right)。模 22=2\dfrac{2}{\sqrt{2}} = \sqrt{2},偏角 2π3−π4=5π12\dfrac{2\pi}{3} - \dfrac{\pi}{4} = \dfrac{5\pi}{12}。所以 A=2\fbox{A} = 2,B=5\fbox{B} = 5,CD\fbox{CD} 填 1 和 2。(2)zn=(2)n(cos⁡5nπ12+isin⁡5nπ12)z^n = (\sqrt{2})^n\left(\cos\dfrac{5n\pi}{12} + i\sin\dfrac{5n\pi}{12}\right)。实数的条件是 5n12\dfrac{5n}{12} 为整数,5 与 12 互素,所以 nn 是 12 的倍数,最小 n=12n = 12,EF\fbox{EF} 填 1 和 2。此时 z12=26(cos⁡5π+isin⁡5π)=−64z^{12} = 2^6(\cos 5\pi + i\sin 5\pi) = -64,GH\fbox{GH} 填 6 和 4。(3)纯虚数的条件是 5nπ12=π2+kπ\dfrac{5n\pi}{12} = \dfrac{\pi}{2} + k\pi,即 5n=6+12k5n = 6 + 12k。n=1,2,…n = 1, 2, \dots 依次试,5n5n 除以 12 余 6 的最小 nn 是 6(5×6=30=6+245 \times 6 = 30 = 6 + 24),I=6\fbox{I} = 6。此时 z6=8(cos⁡5π2+isin⁡5π2)=8iz^6 = 8\left(\cos\dfrac{5\pi}{2} + i\sin\dfrac{5\pi}{2}\right) = 8i,J=8\fbox{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 为 0(π\pi 的整数倍),纯虚数的条件看 cos⁡\cos 为 0(π2\dfrac{\pi}{2} 的奇数倍)。空格判断:A=2\fbox{A} = 2 是模的平方里填的数;偏角 5π12\dfrac{5\pi}{12} 按 BCDπ\dfrac{\fbox{B}}{\fbox{CD}}\pi 填「5」「1」「2」;GH\fbox{GH} 题干已写出负号,只填「6」「4」;J i\fbox{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,β\beta が

α2−2αβ+4β2=0,∣β∣=2\alpha^2 - 2\alpha\beta + 4\beta^2 = 0, \qquad \lvert \beta \rvert = 2

を満たしている。A(α)\mathrm{A}(\alpha),B(β)\mathrm{B}(\beta) とする。

(1) αβ=A±B i\dfrac{\alpha}{\beta} = \fbox{A} \pm \sqrt{\fbox{B}}\,i である。

(2) ∣α∣=C\lvert \alpha \rvert = \fbox{C},∠AOB=πD\angle\mathrm{AOB} = \dfrac{\pi}{\fbox{D}},AB=EF\mathrm{AB} = \fbox{E}\sqrt{\fbox{F}} である。したがって,△OAB\triangle\mathrm{OAB} の形状は G\fbox{G} である。G\fbox{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 ∠OAB=90°\angle\mathrm{OAB} = 90° の直角三角形 ② ∠OBA=90°\angle\mathrm{OBA} = 90° の直角三角形 ③ OA=AB\mathrm{OA} = \mathrm{AB} の二等辺三角形

(3) さらに β=1+3i\beta = 1 + \sqrt{3}i で,α\alpha の虚部が正であるとき,α=−H+IJ i\alpha = -\fbox{H} + \fbox{I}\sqrt{\fbox{J}}\,i であり,△OAB\triangle\mathrm{OAB} の外接円の中心は −K+L i-\fbox{K} + \sqrt{\fbox{L}}\,i,半径は M\fbox{M} である。

解答 (1) β2\beta^2 で割り,w=αβw = \dfrac{\alpha}{\beta} とおくと w2−2w+4=0w^2 - 2w + 4 = 0,w=1±3iw = 1 \pm \sqrt{3}i である。よって A=1\fbox{A} = 1,B=3\fbox{B} = 3。

(2) w=2{cos⁡(±π3)+isin⁡(±π3)}w = 2\left\{\cos\left(\pm\dfrac{\pi}{3}\right) + i\sin\left(\pm\dfrac{\pi}{3}\right)\right\} であるから,∣α∣=2∣β∣=4\lvert \alpha \rvert = 2\lvert \beta \rvert = 4,∠AOB=π3\angle\mathrm{AOB} = \dfrac{\pi}{3} である。よって C=4\fbox{C} = 4,D=3\fbox{D} = 3。余弦定理より AB2=16+4−2⋅4⋅2⋅12=12\mathrm{AB}^2 = 16 + 4 - 2 \cdot 4 \cdot 2 \cdot \dfrac{1}{2} = 12,AB=23\mathrm{AB} = 2\sqrt{3} で,E=2\fbox{E} = 2,F=3\fbox{F} = 3。このとき OB2+AB2=4+12=16=OA2\mathrm{OB}^2 + \mathrm{AB}^2 = 4 + 12 = 16 = \mathrm{OA}^2 であるから,∠OBA=90°\angle\mathrm{OBA} = 90° であり,G\fbox{G} は ② である。

(3) α=(1±3i)β\alpha = (1 \pm \sqrt{3}i)\beta である。(1+3i)(1+3i)=1+23i−3=−2+23i(1 + \sqrt{3}i)(1 + \sqrt{3}i) = 1 + 2\sqrt{3}i - 3 = -2 + 2\sqrt{3}i で虚部は正,(1−3i)(1+3i)=4(1 - \sqrt{3}i)(1 + \sqrt{3}i) = 4 で虚部は 00 となり,条件に合わない。よって α=−2+23i\alpha = -2 + 2\sqrt{3}i で,H=2\fbox{H} = 2,I=2\fbox{I} = 2,J=3\fbox{J} = 3。直角三角形の外接円は斜辺 OA\mathrm{OA} を直径とする円だから,中心は OA\mathrm{OA} の中点 α2=−1+3i\dfrac{\alpha}{2} = -1 + \sqrt{3}i,半径は OA2=2\dfrac{\mathrm{OA}}{2} = 2 である。よって K=1\fbox{K} = 1,L=3\fbox{L} = 3,M=2\fbox{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、β\beta 满足 α2−2αβ+4β2=0\alpha^2 - 2\alpha\beta + 4\beta^2 = 0,∣β∣=2\lvert \beta \rvert = 2,记 A(α)\mathrm{A}(\alpha)、B(β)\mathrm{B}(\beta)。(1)αβ=A±B i\dfrac{\alpha}{\beta} = \fbox{A} \pm \sqrt{\fbox{B}}\,i。(2)∣α∣=C\lvert \alpha \rvert = \fbox{C},∠AOB=πD\angle\mathrm{AOB} = \dfrac{\pi}{\fbox{D}},AB=EF\mathrm{AB} = \fbox{E}\sqrt{\fbox{F}},所以 △OAB\triangle\mathrm{OAB} 的形状是 G\fbox{G}(从 ⓪ 正三角形、① ∠OAB=90°\angle\mathrm{OAB} = 90° 的直角三角形、② ∠OBA=90°\angle\mathrm{OBA} = 90° 的直角三角形、③ OA=AB\mathrm{OA} = \mathrm{AB} 的等腰三角形中选一个)。(3)再设 β=1+3i\beta = 1 + \sqrt{3}i,α\alpha 的虚部为正,则 α=−H+IJ i\alpha = -\fbox{H} + \fbox{I}\sqrt{\fbox{J}}\,i,△OAB\triangle\mathrm{OAB} 外接圆的圆心是 −K+L i-\fbox{K} + \sqrt{\fbox{L}}\,i,半径是 M\fbox{M}。解答:(1)除以 β2\beta^2,设 w=αβw = \dfrac{\alpha}{\beta}:w2−2w+4=0w^2 - 2w + 4 = 0,w=1±3iw = 1 \pm \sqrt{3}i,A=1\fbox{A} = 1,B=3\fbox{B} = 3。(2)w=2{cos⁡(±π3)+isin⁡(±π3)}w = 2\left\{\cos\left(\pm\dfrac{\pi}{3}\right) + i\sin\left(\pm\dfrac{\pi}{3}\right)\right\},所以 ∣α∣=2∣β∣=4\lvert \alpha \rvert = 2\lvert \beta \rvert = 4,∠AOB=π3\angle\mathrm{AOB} = \dfrac{\pi}{3},C=4\fbox{C} = 4,D=3\fbox{D} = 3。余弦定理:AB2=16+4−2⋅4⋅2⋅12=12\mathrm{AB}^2 = 16 + 4 - 2 \cdot 4 \cdot 2 \cdot \dfrac{1}{2} = 12,AB=23\mathrm{AB} = 2\sqrt{3},E=2\fbox{E} = 2,F=3\fbox{F} = 3。此时 OB2+AB2=4+12=16=OA2\mathrm{OB}^2 + \mathrm{AB}^2 = 4 + 12 = 16 = \mathrm{OA}^2,所以 ∠OBA=90°\angle\mathrm{OBA} = 90°,G\fbox{G} 选 ②。(3)α=(1±3i)β\alpha = (1 \pm \sqrt{3}i)\beta。(1+3i)(1+3i)=1+23i−3=−2+23i(1 + \sqrt{3}i)(1 + \sqrt{3}i) = 1 + 2\sqrt{3}i - 3 = -2 + 2\sqrt{3}i,虚部为正;(1−3i)(1+3i)=4(1 - \sqrt{3}i)(1 + \sqrt{3}i) = 4,虚部为 0,不合条件。所以 α=−2+23i\alpha = -2 + 2\sqrt{3}i,H=2\fbox{H} = 2,I=2\fbox{I} = 2,J=3\fbox{J} = 3。直角三角形的外接圆以斜边 OA\mathrm{OA} 为直径,圆心是 OA\mathrm{OA} 的中点 α2=−1+3i\dfrac{\alpha}{2} = -1 + \sqrt{3}i,半径 OA2=2\dfrac{\mathrm{OA}}{2} = 2,K=1\fbox{K} = 1,L=3\fbox{L} = 3,M=2\fbox{M} = 2。

解说 两分钟做法:关系式里 α\alpha、β\beta 同时出现,先除以 β2\beta^2 设 w=αβw = \dfrac{\alpha}{\beta},变成二次方程;ww 的模给边长之比,ww 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 OA2=OB2+AB2\mathrm{OA}^2 = \mathrm{OB}^2 + \mathrm{AB}^2 判断直角在 B,选 ② 不是 ①;③ 的 OA=AB\mathrm{OA} = \mathrm{AB} 本身不成立(OA=4\mathrm{OA} = 4,AB=23\mathrm{AB} = 2\sqrt{3})。空格判断:A\fbox{A}、B\fbox{B} 来自二次方程的根;H\fbox{H} 题干已写出负号,只填 2;K\fbox{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 zz が ∣z−3i∣=2∣z∣\lvert z - 3i \rvert = 2\lvert z \rvert を満たしながら動く。

(1) 点 zz は,点 AB i\fbox{AB}\,i を中心とする半径 C\fbox{C} の円を描く。

(2) ∣z−3−3i∣\lvert z - 3 - 3i \rvert の最大値は D\fbox{D},最小値は E\fbox{E} である。

(3) w=(1+i)zw = (1 + i)z とおくと,点 ww は,点 F−G i\fbox{F} - \fbox{G}\,i を中心とする半径 HI\fbox{H}\sqrt{\fbox{I}} の円を描く。

解答 (1) 両辺を 22 乗すると (z−3i)(z‾+3i)=4zz‾(z - 3i)(\overline{z} + 3i) = 4z\overline{z} である。展開して zz‾+3iz−3iz‾+9=4zz‾z\overline{z} + 3iz - 3i\overline{z} + 9 = 4z\overline{z},整理すると

zz‾−iz+iz‾−3=0.z\overline{z} - iz + i\overline{z} - 3 = 0.

zz‾+α‾z+αz‾z\overline{z} + \overline{\alpha}z + \alpha\overline{z} と比べると,α‾=−i\overline{\alpha} = -i,α=i\alpha = i である。よって ∣z+i∣2−1−3=0\lvert z + i \rvert^2 - 1 - 3 = 0,すなわち ∣z−(−i)∣=2\lvert z - (-i) \rvert = 2 で,中心は −i-i,半径は 22 である。したがって AB\fbox{AB} には「-」と 11,C=2\fbox{C} = 2。

(2) ∣z−(3+3i)∣\lvert z - (3 + 3i) \rvert は円上の点 zz と点 3+3i3 + 3i の距離である。中心 −i-i と 3+3i3 + 3i の距離は ∣3+4i∣=5\lvert 3 + 4i \rvert = 5 で半径 22 より大きいから,点 3+3i3 + 3i は円の外にある。よって最大値は 5+2=75 + 2 = 7,最小値は 5−2=35 - 2 = 3 で,D=7\fbox{D} = 7,E=3\fbox{E} = 3。

(3) z=w1+iz = \dfrac{w}{1 + i} を ∣z+i∣=2\lvert z + i \rvert = 2 に代入すると ∣w1+i+i∣=2\left\lvert \dfrac{w}{1 + i} + i \right\rvert = 2 である。両辺に ∣1+i∣=2\lvert 1 + i \rvert = \sqrt{2} を掛けると

∣w+i(1+i)∣=22,∣w−(1−i)∣=22.\lvert w + i(1 + i) \rvert = 2\sqrt{2}, \qquad \lvert w - (1 - i) \rvert = 2\sqrt{2}.

よって中心は 1−i1 - i,半径は 222\sqrt{2} で,F=1\fbox{F} = 1,G=1\fbox{G} = 1,H=2\fbox{H} = 2,I=2\fbox{I} = 2。

中文翻译 题目:复平面上点 zz 满足 ∣z−3i∣=2∣z∣\lvert z - 3i \rvert = 2\lvert z \rvert 运动。(1)点 zz 描出以 AB i\fbox{AB}\,i 为中心、半径 C\fbox{C} 的圆。(2)∣z−3−3i∣\lvert z - 3 - 3i \rvert 的最大值是 D\fbox{D},最小值是 E\fbox{E}。(3)设 w=(1+i)zw = (1 + i)z,点 ww 描出以 F−G i\fbox{F} - \fbox{G}\,i 为中心、半径 HI\fbox{H}\sqrt{\fbox{I}} 的圆。解答:(1)两边平方:(z−3i)(z‾+3i)=4zz‾(z - 3i)(\overline{z} + 3i) = 4z\overline{z}。展开 zz‾+3iz−3iz‾+9=4zz‾z\overline{z} + 3iz - 3i\overline{z} + 9 = 4z\overline{z},整理 zz‾−iz+iz‾−3=0z\overline{z} - iz + i\overline{z} - 3 = 0。对照 zz‾+α‾z+αz‾z\overline{z} + \overline{\alpha}z + \alpha\overline{z}:α‾=−i\overline{\alpha} = -i,α=i\alpha = i。所以 ∣z+i∣2−1−3=0\lvert z + i \rvert^2 - 1 - 3 = 0,∣z−(−i)∣=2\lvert z - (-i) \rvert = 2,中心 −i-i,半径 2。AB\fbox{AB} 填「-」和 1,C=2\fbox{C} = 2。(2)∣z−(3+3i)∣\lvert z - (3 + 3i) \rvert 是圆上的点到 3+3i3 + 3i 的距离。圆心 −i-i 到 3+3i3 + 3i 的距离 ∣3+4i∣=5\lvert 3 + 4i \rvert = 5,大于半径 2,点在圆外。最大值 5+2=75 + 2 = 7,最小值 5−2=35 - 2 = 3,D=7\fbox{D} = 7,E=3\fbox{E} = 3。(3)z=w1+iz = \dfrac{w}{1 + i} 代入 ∣z+i∣=2\lvert z + i \rvert = 2:∣w1+i+i∣=2\left\lvert \dfrac{w}{1 + i} + i \right\rvert = 2,两边乘 ∣1+i∣=2\lvert 1 + i \rvert = \sqrt{2}:∣w+i(1+i)∣=22\lvert w + i(1 + i) \rvert = 2\sqrt{2},∣w−(1−i)∣=22\lvert w - (1 - i) \rvert = 2\sqrt{2}。中心 1−i1 - i,半径 222\sqrt{2},F=1\fbox{F} = 1,G=1\fbox{G} = 1,H=2\fbox{H} = 2,I=2\fbox{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 zz‾+α‾z+αz‾+c=0z\overline{z} + \overline{\alpha}z + \alpha\overline{z} + c = 0,配方读出中心和半径;∣z−c∣\lvert z - c \rvert 的最值看圆心到 cc 的距离与半径的和差。第 (3) 问也可以直接看:乘 1+i1 + i 是转 π4\dfrac{\pi}{4}、放大 2\sqrt{2} 倍,圆心 −i-i 变成 (1+i)(−i)=1−i(1 + i)(-i) = 1 - i,半径变成 222\sqrt{2}。空格判断:AB\fbox{AB} 是中心 −i-i,负号占一格,系数 1 也要填;G\fbox{G} 题干已写负号,只填 1;HI\fbox{H}\sqrt{\fbox{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 zz」
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} は zz と共役な複素数」
絶対値 ぜったいち 模(绝对值) 「zz の絶対値 ∣z∣\lvert z \rvert」
実数 じっすう 实数 「znz^n が実数となる」
純虚数 じゅんきょすう 纯虚数 「z−1z+1\dfrac{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 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) 「zz を極形式で表すと」
偏角 へんかく 辐角 「偏角 θ\theta は 0≦θ<2π0 \leqq \theta < 2\pi 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 nn 乗根 いちのえぬじょうこん 1 的 nn 次方根 「1 の 5 乗根のうち 1 でないもの」
nn 乗根 えぬじょうこん nn 次方根 「8i8i の 3 乗根」
回転 かいてん 旋转 「原点のまわりに θ\theta 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 を中心として π3\dfrac{\pi}{3} 回転する」
正の向き せいのむき 正方向(逆时针) 「正の向きに π2\dfrac{\pi}{2} 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 2:12 : 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 「△OAB\triangle\mathrm{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 「AB⊥AC\mathrm{AB} \perp \mathrm{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 「∠BAC\angle\mathrm{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 「△OAB\triangle\mathrm{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 zz が ∣z∣=1\lvert z \rvert = 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 ww が描く図形」
〜上を動く 〜じょうをうごく 在……上运动 「点 zz が円 ∣z−1∣=1\lvert z - 1 \rvert = 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 「znz^n が実数となる最小の自然数 nn」
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
  1. ∣α∣=1\lvert \alpha \rvert = 1,∣β∣=2\lvert \beta \rvert = 2,∣α+β∣=3\lvert \alpha + \beta \rvert = \sqrt{3},求 ∣α−β∣\lvert \alpha - \beta \rvert。
  2. ∣z∣=2\lvert z \rvert = 2,zz 的实部是 aa。把 z+4zz + \dfrac{4}{z} 用 aa 表示。
  3. 把 −1−3i-1 - \sqrt{3}i 写成极形式(0≤θ<2π0 \le \theta < 2\pi)。
  4. α=2(cos⁡π12+isin⁡π12)\alpha = 2\left(\cos\dfrac{\pi}{12} + i\sin\dfrac{\pi}{12}\right),β=2(cos⁡π3+isin⁡π3)\beta = \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{3} + i\sin\dfrac{\pi}{3}\right),把 αβ\dfrac{\alpha}{\beta} 写成 a+bia + bi 的形式。
  5. 计算 (3−i)−4(\sqrt{3} - i)^{-4}。
  6. z=1+i3+iz = \dfrac{1 + i}{\sqrt{3} + i}。求使 znz^n 为实数的最小自然数 nn 和这时的 znz^n。
  7. 解方程 z4=−8+83iz^4 = -8 + 8\sqrt{3}i。
  8. α=cos⁡2π7+isin⁡2π7\alpha = \cos\dfrac{2\pi}{7} + i\sin\dfrac{2\pi}{7},求 α+α2+α3+α4+α5+α6\alpha + \alpha^2 + \alpha^3 + \alpha^4 + \alpha^5 + \alpha^6。
  9. 正方形 ABCD 的顶点按逆时针排列,A(1+i)\mathrm{A}(1 + i),B(4+2i)\mathrm{B}(4 + 2i),求 C、D 对应的复数。
  10. 三点 00、1+2i1 + 2i、a+6ia + 6i 在一条直线上,求实数 aa。
  11. 方程 ∣z−2∣=2∣z+1∣\lvert z - 2 \rvert = 2\lvert z + 1 \rvert 表示什么图形?
  12. 点 zz 在单位圆 ∣z∣=1\lvert z \rvert = 1 上运动,求 w=(1−i)z+2iw = (1 - i)z + 2i 描出的图形。

答案:1. 7\sqrt{7};2. 2a2a;3. 2(cos⁡4π3+isin⁡4π3)2\left(\cos\dfrac{4\pi}{3} + i\sin\dfrac{4\pi}{3}\right);4. 1−i1 - i;5. −132+332i-\dfrac{1}{32} + \dfrac{\sqrt{3}}{32}i;6. n=12n = 12,z12=−164z^{12} = -\dfrac{1}{64};7. 3+i\sqrt{3} + i,−1+3i-1 + \sqrt{3}i,−3−i-\sqrt{3} - i,1−3i1 - \sqrt{3}i;8. −1-1;9. C(3+5i)\mathrm{C}(3 + 5i),D(4i)\mathrm{D}(4i);10. a=3a = 3;11. 中心 −2-2、半径 2 的圆;12. 中心 2i2i、半径 2\sqrt{2} 的圆。