複素数の累乗 $( \frac{1+\sqrt{2}-i}{1+\sqrt{2}+i} )^{2025}$ の値を求める問題です。ここで、$i$ は虚数単位です。

代数学複素数複素数の累乗極形式
2025/7/9

1. 問題の内容

複素数の累乗 (1+2i1+2+i)2025( \frac{1+\sqrt{2}-i}{1+\sqrt{2}+i} )^{2025} の値を求める問題です。ここで、ii は虚数単位です。

2. 解き方の手順

まず、複素数 1+2i1+2+i\frac{1+\sqrt{2}-i}{1+\sqrt{2}+i} を簡単にします。分母の共役複素数 1+2i1+\sqrt{2}-i を分母と分子にかけます。
1+2i1+2+i=(1+2i)(1+2i)(1+2+i)(1+2i)=(1+2i)2(1+2)2+1 \frac{1+\sqrt{2}-i}{1+\sqrt{2}+i} = \frac{(1+\sqrt{2}-i)(1+\sqrt{2}-i)}{(1+\sqrt{2}+i)(1+\sqrt{2}-i)} = \frac{(1+\sqrt{2}-i)^2}{(1+\sqrt{2})^2+1}
分子を展開します。
(1+2i)2=(1+2)22i(1+2)+i2=1+22+22i(1+2)1=2+222(1+2)i (1+\sqrt{2}-i)^2 = (1+\sqrt{2})^2 - 2i(1+\sqrt{2}) + i^2 = 1+2\sqrt{2}+2 - 2i(1+\sqrt{2}) - 1 = 2+2\sqrt{2}-2(1+\sqrt{2})i
分母を展開します。
(1+2)2+1=1+22+2+1=4+22=2(2+2) (1+\sqrt{2})^2+1 = 1+2\sqrt{2}+2+1 = 4+2\sqrt{2} = 2(2+\sqrt{2})
よって、
1+2i1+2+i=2+222(1+2)i4+22=2(1+2)2(1+2)i2(2+2)=1+2(1+2)i2+2=(1+2)(1i)2+2=(1+2)(1i)2(2+1)=1i2 \frac{1+\sqrt{2}-i}{1+\sqrt{2}+i} = \frac{2+2\sqrt{2}-2(1+\sqrt{2})i}{4+2\sqrt{2}} = \frac{2(1+\sqrt{2})-2(1+\sqrt{2})i}{2(2+\sqrt{2})} = \frac{1+\sqrt{2}-(1+\sqrt{2})i}{2+\sqrt{2}} = \frac{(1+\sqrt{2})(1-i)}{2+\sqrt{2}} = \frac{(1+\sqrt{2})(1-i)}{\sqrt{2}(\sqrt{2}+1)} = \frac{1-i}{\sqrt{2}}
1+2i1+2+i=1212i=2222i \frac{1+\sqrt{2}-i}{1+\sqrt{2}+i} = \frac{1}{\sqrt{2}} - \frac{1}{\sqrt{2}}i = \frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2}i
次に、2222i\frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2}i を極形式で表します。絶対値は (22)2+(22)2=12+12=1\sqrt{(\frac{\sqrt{2}}{2})^2+(-\frac{\sqrt{2}}{2})^2} = \sqrt{\frac{1}{2}+\frac{1}{2}} = 1 です。偏角は arg(2222i)=π4arg(\frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2}i) = -\frac{\pi}{4} です。
したがって、2222i=cos(π4)+isin(π4)=eiπ4\frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2}i = \cos(-\frac{\pi}{4}) + i\sin(-\frac{\pi}{4}) = e^{-i\frac{\pi}{4}} となります。
(1+2i1+2+i)2025=(eiπ4)2025=ei2025π4=ei(506π+π4)=ei(253(2π)+π4)=eiπ4 (\frac{1+\sqrt{2}-i}{1+\sqrt{2}+i})^{2025} = (e^{-i\frac{\pi}{4}})^{2025} = e^{-i\frac{2025\pi}{4}} = e^{-i(506\pi + \frac{\pi}{4})} = e^{-i(253(2\pi) + \frac{\pi}{4})} = e^{-i\frac{\pi}{4}}
eiπ4=cos(π4)+isin(π4)=2222i e^{-i\frac{\pi}{4}} = \cos(-\frac{\pi}{4})+i\sin(-\frac{\pi}{4}) = \frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2}i

3. 最終的な答え

2222i\frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2}i

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