次の複素数方程式を解き、解を複素数平面上に図示する問題です。 (1) $z^2 = i$ (2) $z^4 = -4$ (3) $z^2 = 1 + \sqrt{3}i$

代数学複素数複素数方程式複素数平面解の図示
2025/7/9

1. 問題の内容

次の複素数方程式を解き、解を複素数平面上に図示する問題です。
(1) z2=iz^2 = i
(2) z4=4z^4 = -4
(3) z2=1+3iz^2 = 1 + \sqrt{3}i

2. 解き方の手順

(1) z2=iz^2 = i
z=x+yiz = x + yiとおくと、
(x+yi)2=i(x+yi)^2 = i
x2+2xyiy2=ix^2 + 2xyi - y^2 = i
実部と虚部を比較して、
x2y2=0x^2 - y^2 = 0
2xy=12xy = 1
x2=y2x^2 = y^2より、x=yx = yまたはx=yx = -y
2xy=12xy = 1より、xxyyは同符号なので、x=yx = y
2x2=12x^2 = 1
x2=12x^2 = \frac{1}{2}
x=±12=±22x = \pm \frac{1}{\sqrt{2}} = \pm \frac{\sqrt{2}}{2}
x=y=22x = y = \frac{\sqrt{2}}{2}またはx=y=22x = y = -\frac{\sqrt{2}}{2}
よって、z=22+22iz = \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}iまたはz=2222iz = -\frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2}i
(2) z4=4z^4 = -4
z4=4ei(π+2kπ)z^4 = 4e^{i(\pi + 2k\pi)} (kkは整数)
z=2ei(π4+kπ2)z = \sqrt{2}e^{i(\frac{\pi}{4} + \frac{k\pi}{2})}
k=0,1,2,3k = 0, 1, 2, 3を代入すると、
k=0:z=2eiπ4=2(cosπ4+isinπ4)=2(22+i22)=1+ik = 0: z = \sqrt{2}e^{i\frac{\pi}{4}} = \sqrt{2}(\cos\frac{\pi}{4} + i\sin\frac{\pi}{4}) = \sqrt{2}(\frac{\sqrt{2}}{2} + i\frac{\sqrt{2}}{2}) = 1 + i
k=1:z=2ei3π4=2(cos3π4+isin3π4)=2(22+i22)=1+ik = 1: z = \sqrt{2}e^{i\frac{3\pi}{4}} = \sqrt{2}(\cos\frac{3\pi}{4} + i\sin\frac{3\pi}{4}) = \sqrt{2}(-\frac{\sqrt{2}}{2} + i\frac{\sqrt{2}}{2}) = -1 + i
k=2:z=2ei5π4=2(cos5π4+isin5π4)=2(22i22)=1ik = 2: z = \sqrt{2}e^{i\frac{5\pi}{4}} = \sqrt{2}(\cos\frac{5\pi}{4} + i\sin\frac{5\pi}{4}) = \sqrt{2}(-\frac{\sqrt{2}}{2} - i\frac{\sqrt{2}}{2}) = -1 - i
k=3:z=2ei7π4=2(cos7π4+isin7π4)=2(22i22)=1ik = 3: z = \sqrt{2}e^{i\frac{7\pi}{4}} = \sqrt{2}(\cos\frac{7\pi}{4} + i\sin\frac{7\pi}{4}) = \sqrt{2}(\frac{\sqrt{2}}{2} - i\frac{\sqrt{2}}{2}) = 1 - i
よって、z=1+i,1+i,1i,1iz = 1 + i, -1 + i, -1 - i, 1 - i
(3) z2=1+3iz^2 = 1 + \sqrt{3}i
z=x+yiz = x + yiとおくと、
(x+yi)2=1+3i(x+yi)^2 = 1 + \sqrt{3}i
x2+2xyiy2=1+3ix^2 + 2xyi - y^2 = 1 + \sqrt{3}i
実部と虚部を比較して、
x2y2=1x^2 - y^2 = 1
2xy=32xy = \sqrt{3}
y=32xy = \frac{\sqrt{3}}{2x}
x2(32x)2=1x^2 - (\frac{\sqrt{3}}{2x})^2 = 1
x234x2=1x^2 - \frac{3}{4x^2} = 1
4x44x23=04x^4 - 4x^2 - 3 = 0
(2x23)(2x2+1)=0(2x^2 - 3)(2x^2 + 1) = 0
2x2=32x^2 = 3または2x2=12x^2 = -1
x2=32x^2 = \frac{3}{2}
x=±32=±62x = \pm \sqrt{\frac{3}{2}} = \pm \frac{\sqrt{6}}{2}
x=62x = \frac{\sqrt{6}}{2}のとき、y=3262=36=12=22y = \frac{\sqrt{3}}{2 \cdot \frac{\sqrt{6}}{2}} = \frac{\sqrt{3}}{\sqrt{6}} = \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2}
x=62x = -\frac{\sqrt{6}}{2}のとき、y=3262=36=12=22y = \frac{\sqrt{3}}{2 \cdot -\frac{\sqrt{6}}{2}} = -\frac{\sqrt{3}}{\sqrt{6}} = -\frac{1}{\sqrt{2}} = -\frac{\sqrt{2}}{2}
よって、z=62+22iz = \frac{\sqrt{6}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}iまたはz=6222iz = -\frac{\sqrt{6}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2}i

3. 最終的な答え

(1) z=22+22i,2222iz = \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}i, -\frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2}i
(2) z=1+i,1+i,1i,1iz = 1 + i, -1 + i, -1 - i, 1 - i
(3) z=62+22i,6222iz = \frac{\sqrt{6}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}i, -\frac{\sqrt{6}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2}i

「代数学」の関連問題

与えられた2次方程式 $x^2 + 10x + 19 = 0$ を解く。

二次方程式解の公式平方根
2025/7/9

与えられた3つの方程式を解く問題です。 (1) $x^3 = -64$ (2) $x^4 + 7x^2 - 8 = 0$ (3) $x^3 - 6x^2 + 11x - 6 = 0$

方程式三次方程式四次方程式複素数因数分解
2025/7/9

(4) $y = \frac{1}{2}x^2 + 2x$ を平方完成し、頂点、軸、グラフの形を求めよ。 (5) $y = (x+2)(x-1)$ を平方完成し、頂点、軸、グラフの形を求めよ。

二次関数平方完成頂点グラフ
2025/7/9

与えられた2次方程式 $x^2 - 6x = 16$ を解いて、$x$ の値を求めます。

二次方程式因数分解方程式解の公式
2025/7/9

方程式 $2\log_2|x-1| - \log_2|x+1| - 3 = 0$ を満たす実数 $x$ を全て求める問題です。

対数方程式絶対値二次方程式解の公式
2025/7/9

与えられた2次方程式 $x^2 - 4x + 5 = 0$ の実数解の個数を求める問題です。

二次方程式判別式実数解
2025/7/9

与えられた二次関数 $y = -x^2 + 2x + 3$ を平方完成させる問題です。

二次関数平方完成関数のグラフ
2025/7/9

$2x^3 + 5x^2 + x - 2$ を因数分解し、$(x + ス)(x + セ)(ソx - タ)$ の形にする。ただし、$ス < セ$ とする。

因数分解多項式
2025/7/9

問題は、与えられた方程式を解いて、$x$ の値を求めることです。 具体的には、以下の3つの式が与えられています。 $x = \square$ $0 = (\square - x)^2$ $x^2 - ...

二次方程式因数分解方程式
2025/7/9

3次式 $x^3 - 7x^2 + 14x - 8$ を因数分解し、$(x - \text{コ})(x - \text{サ})(x - \text{シ})$ の形で表す問題です。ただし、コ < サ <...

因数分解三次式因数定理
2025/7/9