問題8(1): 複素数 $z = 1 + i$ と $w = \sqrt{3} + i$ に対して、$zw$, $\frac{z}{w}$, $\frac{w}{z}$ を極形式で表してください。 問題9(1): $(\sqrt{3} + i)^6$ をド・モアブルの公式を用いて計算してください。

代数学複素数極形式ド・モアブルの公式
2025/7/9
以下に問題8の(1)と問題9の(1)の解答を示します。

1. 問題の内容

問題8(1): 複素数 z=1+iz = 1 + iw=3+iw = \sqrt{3} + i に対して、zwzw, zw\frac{z}{w}, wz\frac{w}{z} を極形式で表してください。
問題9(1): (3+i)6(\sqrt{3} + i)^6 をド・モアブルの公式を用いて計算してください。

2. 解き方の手順

問題8(1):
まず、zzwwを極形式で表します。
z=1+iz = 1 + i の絶対値 z|z|z=12+12=2|z| = \sqrt{1^2 + 1^2} = \sqrt{2}
zz の偏角 arg(z)\arg(z)arg(z)=arctan(11)=arctan(1)=π4\arg(z) = \arctan(\frac{1}{1}) = \arctan(1) = \frac{\pi}{4}
よって、z=2(cos(π4)+isin(π4))z = \sqrt{2}(\cos(\frac{\pi}{4}) + i\sin(\frac{\pi}{4}))
w=3+iw = \sqrt{3} + i の絶対値 w|w|w=(3)2+12=3+1=4=2|w| = \sqrt{(\sqrt{3})^2 + 1^2} = \sqrt{3 + 1} = \sqrt{4} = 2
ww の偏角 arg(w)\arg(w)arg(w)=arctan(13)=π6\arg(w) = \arctan(\frac{1}{\sqrt{3}}) = \frac{\pi}{6}
よって、w=2(cos(π6)+isin(π6))w = 2(\cos(\frac{\pi}{6}) + i\sin(\frac{\pi}{6}))
zw=2(cos(π4)+isin(π4))2(cos(π6)+isin(π6))=22(cos(π4+π6)+isin(π4+π6))zw = \sqrt{2}(\cos(\frac{\pi}{4}) + i\sin(\frac{\pi}{4})) \cdot 2(\cos(\frac{\pi}{6}) + i\sin(\frac{\pi}{6})) = 2\sqrt{2}(\cos(\frac{\pi}{4} + \frac{\pi}{6}) + i\sin(\frac{\pi}{4} + \frac{\pi}{6}))
=22(cos(3π+2π12)+isin(3π+2π12))=22(cos(5π12)+isin(5π12))= 2\sqrt{2}(\cos(\frac{3\pi + 2\pi}{12}) + i\sin(\frac{3\pi + 2\pi}{12})) = 2\sqrt{2}(\cos(\frac{5\pi}{12}) + i\sin(\frac{5\pi}{12}))
zw=2(cos(π4)+isin(π4))2(cos(π6)+isin(π6))=22(cos(π4π6)+isin(π4π6))=22(cos(3π2π12)+isin(3π2π12))\frac{z}{w} = \frac{\sqrt{2}(\cos(\frac{\pi}{4}) + i\sin(\frac{\pi}{4}))}{2(\cos(\frac{\pi}{6}) + i\sin(\frac{\pi}{6}))} = \frac{\sqrt{2}}{2}(\cos(\frac{\pi}{4} - \frac{\pi}{6}) + i\sin(\frac{\pi}{4} - \frac{\pi}{6})) = \frac{\sqrt{2}}{2}(\cos(\frac{3\pi - 2\pi}{12}) + i\sin(\frac{3\pi - 2\pi}{12}))
=22(cos(π12)+isin(π12))= \frac{\sqrt{2}}{2}(\cos(\frac{\pi}{12}) + i\sin(\frac{\pi}{12}))
wz=2(cos(π6)+isin(π6))2(cos(π4)+isin(π4))=22(cos(π6π4)+isin(π6π4))=2(cos(2π3π12)+isin(2π3π12))\frac{w}{z} = \frac{2(\cos(\frac{\pi}{6}) + i\sin(\frac{\pi}{6}))}{\sqrt{2}(\cos(\frac{\pi}{4}) + i\sin(\frac{\pi}{4}))} = \frac{2}{\sqrt{2}}(\cos(\frac{\pi}{6} - \frac{\pi}{4}) + i\sin(\frac{\pi}{6} - \frac{\pi}{4})) = \sqrt{2}(\cos(\frac{2\pi - 3\pi}{12}) + i\sin(\frac{2\pi - 3\pi}{12}))
=2(cos(π12)+isin(π12))=2(cos(π12)isin(π12))= \sqrt{2}(\cos(-\frac{\pi}{12}) + i\sin(-\frac{\pi}{12})) = \sqrt{2}(\cos(\frac{\pi}{12}) - i\sin(\frac{\pi}{12}))
問題9(1):
まず、3+i\sqrt{3} + i を極形式で表します。
3+i=(3)2+12=3+1=2|\sqrt{3} + i| = \sqrt{(\sqrt{3})^2 + 1^2} = \sqrt{3 + 1} = 2
arg(3+i)=arctan(13)=π6\arg(\sqrt{3} + i) = \arctan(\frac{1}{\sqrt{3}}) = \frac{\pi}{6}
よって、3+i=2(cos(π6)+isin(π6))\sqrt{3} + i = 2(\cos(\frac{\pi}{6}) + i\sin(\frac{\pi}{6}))
ド・モアブルの公式より、(3+i)6=[2(cos(π6)+isin(π6))]6=26(cos(6π6)+isin(6π6))=64(cos(π)+isin(π))(\sqrt{3} + i)^6 = [2(\cos(\frac{\pi}{6}) + i\sin(\frac{\pi}{6}))]^6 = 2^6(\cos(6 \cdot \frac{\pi}{6}) + i\sin(6 \cdot \frac{\pi}{6})) = 64(\cos(\pi) + i\sin(\pi))
=64(1+i0)=64= 64(-1 + i \cdot 0) = -64

3. 最終的な答え

問題8(1):
zw=22(cos(5π12)+isin(5π12))zw = 2\sqrt{2}(\cos(\frac{5\pi}{12}) + i\sin(\frac{5\pi}{12}))
zw=22(cos(π12)+isin(π12))\frac{z}{w} = \frac{\sqrt{2}}{2}(\cos(\frac{\pi}{12}) + i\sin(\frac{\pi}{12}))
wz=2(cos(π12)isin(π12))\frac{w}{z} = \sqrt{2}(\cos(\frac{\pi}{12}) - i\sin(\frac{\pi}{12}))
問題9(1):
(3+i)6=64(\sqrt{3} + i)^6 = -64

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