「複素数の極形式・複素数平面」に関する質問と回答


sin θ+i cos θ を極形式で表す
2さんさん    [Profile 大阪府に住む10代の秘密の方] 投稿日2002/9/17(火)22:25

複素数平面では 0°≦θ≦360°と偏角を定義してあるのに、
もっぱら arg-45°とか見かけますがどういうことでしょうか?

また、sinθ+icosθの極形式を求めよで、これ自身が極形式ではと、
おもうのですが、解説読んでもよくわかりません。
教えてください。

よくわからないと、いうのは cosθ=sin(90°-θ)なのですが、
この作業はいったいなんなんでしょうか?

Viperさん  [Profile 東京都に住む20代の男性の方] 投稿日:2002/9/17(火)22:35


複素数の偏角というものは一般角で考えても良いことになっているので,
0°≦θ≦360°と決めても良いし,決めなくてもよいことになっています.
決めないときには,
argz=-45°と書いてもargz=315°と書いてもかまいません.
決めないときには,
「360°の整数倍のずれはargに含め,適当に補正すれば等号が成り立つ」
場合に=で結んで良いことになっています.

一般に極形式は,
r(cosθ+isinθ)の形ですが,0でない複素数の極形式は,
r>0となるようにして,実部がcos,虚部がsinで表されるようにするのがルールです.
もちろんcosとsinの中身は一緒でなくてはなりませんし,isinの前も+で無ければなりません.

sinθ+icosθ を極形式で表せ,の場合,
sin(90°-θ)=cosθ
cos(90°-θ)=sinθ
なので,
cos(90°-θ)+isin(90°-θ)
が正解です.

-sinθ+icosθ
なら,
sin(90°+θ)=cosθ
cos(90°+θ)=-sinθ
なので,
cos(90°+θ)+isin(90°+θ)
が正解です.


2さんさん  [Profile 大阪府に住む10代の秘密の方] 投稿日:2002/9/17(火)22:53

どもありがとうございます。

>もちろんcosとsinの中身は一緒でなくてはなりませんし,isinの前も+で無ければなりません.

よく、意味がわかりません。

三角関数は得意なので、式はわかるのですが・・・


sin(90°-θ)=cosθ
cos(90°-θ)=sinθ
なので,
cos(90°-θ)+isin(90°-θ)
が正解です.

この作業の意味がわかりません。
なんなら、cos(180°+θ)=-cosθでもいいのですか?


Viperさん  [Profile 東京都に住む20代の男性の方] 投稿日:2002/9/17(火)22:57

極形式というのは,cos,sinの中身として偏角が出てこないといけません.
また,その外側に絶対値が出てこないといけないのです.

だから,
-(cosA+isinA)
とか,
sinA+icosA
とかでは極形式とは言えないのです.

一方,
cos(90°-θ)+isin(90°-θ)
とか,
cos(90°+θ)+isin(90°+θ)
は,
r(cosA+isinA)
の形になっていますよね?
だから,この形にすることが目的なのです.


2さんさん  [Profile 大阪府に住む10代の秘密の方] 投稿日:2002/9/18(水)05:35

ありがとうございます。

偏角って、θだけじゃなくて、数字がないといけないってことかな。

たとえば、3+4iを極形式で現せっというのは、

√5(cosA+isinA)だけど、具体的なAはでてないから、これでは
極形式って言えないってことですか?

新矢(管理人)  [Profile 近畿地方に住む秘密の男性の方] 投稿日:2002/9/18(水)06:41

○2さん
学年を教えていただけますか?

教科書はお読みになりましたか?
絶対値と偏角の意味は理解していますか?

Viper先生のレスにあるように、
極形式とは
r(cosθ+isinθ)の形で、ある複素数をその絶対値(原点との距離のことですから、当然プラスですね)と、偏角(x軸の正方向となす角)で表した形のことです。

“極形式で表す”ということは、その複素数の絶対値と偏角が一目でわかるようにしよう、ということです。

例えば、
-(1/2)+(√3/2)i
は複素数平面上に図示すると、絶対値(原点からの距離)は1で、偏角(x軸の正方向のなす角)は120°とわかりますね。
ですから極形式で表すと、
-(1/2)+(√3/2)i=cos120°+isin120° となりますね。
ここで間違ってはならないことは、
sin330°=-1/2、cos330°=√3/2 だからといって、
-(1/2)+(√3/2)i=sin330°+icos330°
と変形しても、これは極形式ではありません。なぜなら、-(1/2)+(√3/2)i の偏角は330°ではないからです。
そもそものお尋ねの質問は、いってみれば、
極形式ではない sin330°+icos330°を極形式である cos120°+isin120°に直せということを一般論として問うているのです。

○ 3+4i の極形式は √5(cosA+isinA) です。
角度Aがわからないときは、
“ただしAは、cosA=3/5、sinA=4/5 を満たす角”と補足しておくといいでしょう。

3sinθ+4cosθ を合成せよ、という問題で、
3sinθ+4cosθ=5sin(θ+α)
ただし、αは cosα=3/5、sinα=4/5 を満たす角
とするのと、似てるといえば似てるかもしれません。

 

ド・モアブルの定理

☆ちいさん  [Profile 関東地方に住む20代の女性の方]  投稿日2002/5/8(水)05:28
 

新矢さん、こんにちは。2回目にお世話になります。

問題集の解答を見てもなんだか”なんでそうやるの〜?”と
なっとくできないのです。ご教授ください。

(問題)f(z)=Z^{2n}+Z^{n}+1(nは正の数)  
(1)f(z)をZ^{2}+Z+1で割ったときの余りを求めよ  
(2)f(z)をZ^{2}−Z+1で割ったときの余りを求めよ

(1)はZ^{2}+Z+1=0の2つの虚数解のうち一つwとすると  
 w^{2}+w+1=0   
w^{3}−1=(w−1)(w^{2}+w+1)=0より  
 w^{3}=1となる。 
のを利用して 余りは1次式になるからf(x)=Ax+Bとおいて
nがどんな数字になるか場合分けをして
 (n=3m、n=3m−1、n=3m+1)としてそれぞれ計算して 出せたのです。
解答を見てもフムフムと納得でした。

が、(2)です。
解答を見るとn=6m、n=6m−1・・・・・・。
と6通りにも場合分けしているのです。
どんな理由があってこんな風に場合分けをしているのか、見当がつきません。
どうか教えてください。 よろしくお願いします。


◇新矢さん  投稿日:2002/5/8(水)05:29

ちいさん,2回目のご利用ありがとうございます。

: (問題)f(z)=Z^{2n}+Z^{n}+1(nは正の数)
:  (1)f(z)をZ^{2}+Z+1で割ったときの余りを求めよ
:  (2)f(z)をZ^{2}−Z+1で割ったときの余りを求めよ

z^{2}+z+1=0 を実際に解の公式で解いてみると,
z=frac{-1±√3 i}{2} となり,
複素数平面上に図示すると,
(1,0) を一つの頂点とする 正三角形の頂点になっています。


z^{2}-z+1=0 を解の公式で解いてみると,
z=frac{1±√3 i}{2} となり,
複素数平面上に図示すると,
(1,0) を一つの頂点とする 正六角形の頂点になっています。


このあたりに,場合分けの数の違いがあるようですね。

(1)の解答を見て、フムフムと解ったということは、
(2)の本質は、
w^{2}-w+1=0 , w^{3}=-1 のときに w{2n}+w^{n}+1 の値を求める、
ということはおわかりですね。


(1)と同じように n=3m のときで考えてみましょう。

w{2n}+w^{n}+1=w^{6m}+w^{3m}+1
  =(w^3)^{2m}+(w^3)^{m}+1

となりますが、真ん中の

(w^3)^{m}=(-1)^{m}

の値が、m の偶奇によって変わりますから、
この場合分けはだめです。

 
  ◇さらに頑張ります。  ちいさん 投稿日:2002/5/13(月)18:03
   

新矢さん、さらなるお返事ありがとうございます。

きのうまで2泊で綿の栽培の仕方と木綿糸紬・機織りの研修に行っていました。
(仕事で)今夜気持ちを切り替えて数学の問題と格闘する予定です。

前回お返事をいただいてから、複素数平面図というのがわからなくて、
いろいろと持っている参考書で調べていました。
でも私の高校時代と現在の 教科書の分野の分け方とかが変わっていて、
何を見れば詳しく出ているのか よくわからなかったのです。
数Bですね。早速調べてみます。

 
  ◇やっっとわかったぞ。  ちいさん  投稿日:2002/5/17(金)13:23
 

数学Bの参考書を手に入れまして、複素数について
お勉強し直しまして、わーい!!
やっと自分で納得のいくように 問題が解けました。
ありがとうございました。

私が高校生の頃(約10年前)、こんな単元あったかなあ・・・。
まったく記憶にないんですよ、これが。
最近、高校の時に選択していなかった数学Vに挑戦しています。
また何かわからないことがありましたら宜しくお願いいたします。

 

ド・モアブルの定理
ひろぽんさん    [Profile 関東地方に住む高校2年生の男性の方] 投稿日2002/7/30(火)15:06

はじめまして、いま学校で複素数平面のところを授業でやっているのですが、下の問題が解けなくて困っています。


問題:nが自然数であるとき、次の式の値を求めよ
   {(−1+ルート3i)/2}n乗 + {(−1−ルート3i)/2}n乗

   わかりずらい表記をしてすいません・・・


(−1+ルート3i)/2と(−1−ルート3i)/2をそれぞれ極形式で表して、ド・モアブルの定理を利用するのは分かるんですが答えを見ると、いきなりn=3k、3k+1、3k+2と場合分けをして与式の値をだしています。なぜそのような場合分けが出てくるのか教えていただけませんか?


ド・モアブルの定理より
与式={cos(120×n)+sin(120×n)}+{cos(240×n)+sin   (240×n)}

(@)n=3kのとき
   与式=・・・計算省略・・・=2
(A)n=3k+1のとき
   与式=・・・計算省略・・・=−1
(B)n=3k+2のとき
   与式=・・・計算省略・・・=−1



池田 敦さん の ホームページ  [Profile 大阪府に住む大学院生の男性の方] 投稿日:2002/7/30(火)18:17

助っ人の池田です。

例によって n にいろいろな値を代入してみましょう。
まず n=1 ならどうでしょう?
   与式=cos120+i sin120+cos240+i sin240
     =-1
それなら n=2 は?
   与式=cos240+i sin240+cos480+i sin480
     =cos240+i sin240+cos120+i sin120
     =-1
次に n=3 は?
   与式=cos360+i sin360+cos720+i sin720
     =cos0+i sin0+cos0+i sin0
     =2
もっと行って n=4 は?
   与式=cos480+i sin480+cos960+i sin960
     =cos120+i sin120+cos240+i sin240
     =-1
……あれ!? n=1 の時に戻ってる!!
ということは、n=5 の時は n=2 の時と同じで、n=6 の時は n=3 の時と同じで……
それなら
 ・n=1,4,7,10,... の時をひとまとめに考える
 ・n=2,5,8,11,... の時をひとまとめに考える
 ・n=3,6,9,12,... の時をひとまとめに考える
ってやっていったらよさそうですね。
以上の3通りの場合分けをカッコ良く(!?)書いたら
解答のような場合分けになった、という訳でした。

ひろぽんさん  [Profile 関東地方に住む高校2年生の男性の方] 投稿日:2002/7/31(水)10:39

解説どうもありがとうございました。大変よくわかりました。

 

z^{4n+1}=1
teru224さん    [Profile 近畿地方に住む高校2年生の男性の方] 投稿日2002/8/16(金)10:36

自然数nに対して、方程式z^{4n+1}=1の相異なる解を1,α1,α2,・・・・α4nとする
α1・α2・α3・・・・α4nと(α1-i)(α2-i)・・・(α4n-i)の値を求めよ。
ただしiは虚数単位である。(2001年芝浦工大)

iをどのように利用して解くのか解らないので教えてください。

Kaiserさん  [Profile 魔界に住む男性の方] 投稿日:2002/8/16(金)12:00

では、ヒントです。

解と係数の関係を利用すると
前者はすぐに出ます。
後者は解と係数の関係の証明から出ます。

n次方程式の解と係数の関係は、
a_n x^n + a_{n-1} x^{n-1} + … + a_1 x + a_0
= a_n (x - \alpha_1) (x- \alpha_2) … (x-\alpha_n)
の右辺を展開して係数比較すれば証明されます。

前者を出すには、定数項で・・・。
後者は上式に・・・を代入すれば・・・。

新矢  [Profile M78星雲に住む秘密の男性の方] 投稿日:2002/8/17(土)02:02

teru224さん、こんばんわ。
kaizerさん、いつもお世話になっています。
霊や悪魔の皆さんにも、よろしくお伝え下さい。

極形式の問題かな?と思いましたが違いました。
kaizerさんの回答を、この問題ように書きなおしますと、

z^{4n+1}-1=0 の解が、1,α_1,α_2,…α_{4n} なので、
z_{4n+1}-1 は次のように因数分解されるということです。

z_{4n+1}-1=(z-1)(z-α_1)(z-α_2)…(z-α_{4n})

この式の z に、適当な値を代入しましょう。

teru224さん  [Profile 近畿地方に住む高校2年生の男性の方] 投稿日:2002/8/18(日)15:25

Kaiserさん、新矢さんありがとうございました。ようやく解けました。
前者には0を後者にはiを代入したら答えが出ました。

 

bar{c}z+cbar{z}=cbar{c}
五郎さん    [Profile 北海道地方に住む秘密の男性の方] 投稿日2002/9/18(水)23:31

はじめまして。
わけあって独学で高校数学の勉強をしている者です。
質問の方、よろしくお願いします。

出典 1対1対応の演習 数学B  複素数平面[7] p82
問題  
   複素数平面で、方程式 bar{c}z+cbar{z}=cbar{c}……(1)       
   は直線を表すことを示せ。ただしcは0でない複素数の定数とする。
解答
   c=a+bi, z=x+yi, (a,b,x,yは実数)とおくと、
   bar{c}z+cbar{z}=bar{c}z+bar[bar{c}z] は bar{c}z の実部の2倍で、
   bar{c}z=(a-bi)(x+yi) の実部は、ax+by
よって(1)フ2(ax+by)=a^{2}+b^{2}(a^{2}+b^{2}ne0)であるから、(1)は
   直線を表す。
質問
   解答2行目の=以下への変形の必要性と意味、4行目の式の表す内容、さらに、なぜそれらか    
   ら(1)が直線を表すことになるのかがわかりません。
   当方、独学のため、できればわかりやすい説明をよろしくお願いします。複素数平面に関して
   は教科書章末問題がこなせる程度です。
   事情により質問できる人もいなくて大変困っていたところに、今回このサイトを見つけ、一筋
   の光がさした思いでした。お手数ですが、どうかよろしくお願いします。 

小池さん  [Profile 関東地方に住む20代の男性の方] 投稿日:2002/9/19(木)00:07

とりあえず2行目の意味は
複素数α=a+biについて
α+bar{α}=(a+bi)+(a-bi)=2a となります。
いまは,この関係がうまく使えそうなことが見えていたのでこの変形を行いました。

bar{c}z=(a-bi)(x+yi) の実部は、ax+by
はいいですか?
そうすると(1)から
2(ax+by)=a^{2}+b^{2} となりますね。
a^{2}+b^{2}はよく分からないけど,何かの実数です。Cと置きましょう。
そうすると2(ax+by)=Cとなるので直線を表します。

ありがとうございました。 投稿者:五郎さん  [Profile 北海道地方に住む秘密の男性の方] 投稿日:2002/9/19(木)02:04

ありがとうございました!!
とても感激しています!!迅速な回答、本当にありがとうございました。
今回のように、分からないところがあるとなかなか前に進めず、かと言って質問できる人もいなくて
本当に困っていました。ここで伝えることのできる感謝の気持ちには限度がありますが、本当に助かります。これからも何度もお世話になってしまうと思うのですが、またよろしくお願いします。ありがとうございました!!


外心を表す複素数
グァバジュースさん    [Profile 近畿地方に住む高校3年生の方] 投稿日2002/6/26(水)22:13

★複素数平面において、△の頂点OABを表す複素数を
それぞれ0.α.βとする時、
{1}線分OAの垂直2等分線上の点を表す複素数zは、
α~z+αz~-αα~=0を満たすことを示せ。
{2}△OABの外心をあらわす複素数をα、α~、β、β~
を用いて表せ。
{3}△OABの外心を表す複素数がα+βとなる時、β/αを求めよ。
《解答--{2}⇒{αβ(α~-β~)}/{α~β-αβ~}
{3}⇒β/α=(-1士√3*i)/2》

(1)を証明することはできましたが、(2)ができません。
(3)は単独で(2が解けていなくてもとける問題)あったので、
やってみましたが、ただの計算だと思うのですが、導けません。

どういう方針で計算すればよいのでしょう?
よろしくおねがいします。

後半の問題 投稿者:新矢さん  [Profile 秘境に住む秘密の男性の方] 投稿日:2002/6/27(木)02:22

外心z は線分OAの垂直2等分線上かつ、線分OBの垂直2等分線上にあるので、
α~z+αz~-αα~=0 ・・・@
β~z+βz~-ββ~=0 ・・・A
をともにみたします。これらを連立方程式とみて、z~を消去します。
@×β−A×α を計算します。

(3) {αβ(α~-β~)}/{α~β-αβ~}=α+β を計算して
α~β^{2}=α^{2}β~ は出ましたか?
この式を変形すると
(β/α)^{2}=(β/α)~
となりますね。(β/α)=z としましょう。
方程式 z^{2}=z~ を解けばいいのですが、
z=r(cos Θ+i sin Θ) と極形式にして解くのがいいかと思います。

グァバジュース(高3-複素数)さん  [Profile 近畿地方に住む高校3年生の方] 投稿日:2002/6/27(木)22:46

よく理解できました。
いつもいつも丁寧に解説していただき、大変助かっています。
どうもありがとうございます。


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