与えられた数のべき根をすべて求め、複素平面上に図示する。 (1) $\sqrt[3]{64}$ (2) $\sqrt[3]{-8}$ (3) $\sqrt[6]{i}$ (4) $\sqrt[4]{-\sqrt{3}+3i}$

代数学複素数べき根ド・モアブルの定理複素平面
2025/7/24

1. 問題の内容

与えられた数のべき根をすべて求め、複素平面上に図示する。
(1) 643\sqrt[3]{64}
(2) 83\sqrt[3]{-8}
(3) i6\sqrt[6]{i}
(4) 3+3i4\sqrt[4]{-\sqrt{3}+3i}

2. 解き方の手順

べき根を求めるには、複素数を極形式で表し、ド・モアブルの定理を用いる。
z=r(cosθ+isinθ)z = r(\cos\theta + i\sin\theta)のとき、zn=rn(cos(θ+2kπn)+isin(θ+2kπn))\sqrt[n]{z} = \sqrt[n]{r}(\cos(\frac{\theta+2k\pi}{n})+i\sin(\frac{\theta+2k\pi}{n})) (k=0,1,...,n1k=0, 1, ..., n-1)
(1) 643\sqrt[3]{64}
64=64(cos0+isin0)64 = 64(\cos 0 + i\sin 0)
643=643(cos(0+2kπ3)+isin(0+2kπ3))=4(cos(2kπ3)+isin(2kπ3))\sqrt[3]{64} = \sqrt[3]{64}(\cos(\frac{0+2k\pi}{3}) + i\sin(\frac{0+2k\pi}{3})) = 4(\cos(\frac{2k\pi}{3}) + i\sin(\frac{2k\pi}{3}))
k=0:4(cos0+isin0)=4k=0: 4(\cos 0 + i\sin 0) = 4
k=1:4(cos2π3+isin2π3)=4(12+i32)=2+23ik=1: 4(\cos \frac{2\pi}{3} + i\sin \frac{2\pi}{3}) = 4(-\frac{1}{2} + i\frac{\sqrt{3}}{2}) = -2+2\sqrt{3}i
k=2:4(cos4π3+isin4π3)=4(12i32)=223ik=2: 4(\cos \frac{4\pi}{3} + i\sin \frac{4\pi}{3}) = 4(-\frac{1}{2} - i\frac{\sqrt{3}}{2}) = -2-2\sqrt{3}i
(2) 83\sqrt[3]{-8}
8=8(cosπ+isinπ)-8 = 8(\cos \pi + i\sin \pi)
83=83(cos(π+2kπ3)+isin(π+2kπ3))=2(cos((2k+1)π3)+isin((2k+1)π3))\sqrt[3]{-8} = \sqrt[3]{8}(\cos(\frac{\pi+2k\pi}{3}) + i\sin(\frac{\pi+2k\pi}{3})) = 2(\cos(\frac{(2k+1)\pi}{3}) + i\sin(\frac{(2k+1)\pi}{3}))
k=0:2(cosπ3+isinπ3)=2(12+i32)=1+3ik=0: 2(\cos \frac{\pi}{3} + i\sin \frac{\pi}{3}) = 2(\frac{1}{2} + i\frac{\sqrt{3}}{2}) = 1+\sqrt{3}i
k=1:2(cosπ+isinπ)=2(1+0)=2k=1: 2(\cos \pi + i\sin \pi) = 2(-1+0) = -2
k=2:2(cos5π3+isin5π3)=2(12i32)=13ik=2: 2(\cos \frac{5\pi}{3} + i\sin \frac{5\pi}{3}) = 2(\frac{1}{2} - i\frac{\sqrt{3}}{2}) = 1-\sqrt{3}i
(3) i6\sqrt[6]{i}
i=cosπ2+isinπ2i = \cos \frac{\pi}{2} + i\sin \frac{\pi}{2}
i6=cos(π/2+2kπ6)+isin(π/2+2kπ6)=cos((4k+1)π12)+isin((4k+1)π12)\sqrt[6]{i} = \cos(\frac{\pi/2+2k\pi}{6}) + i\sin(\frac{\pi/2+2k\pi}{6}) = \cos(\frac{(4k+1)\pi}{12}) + i\sin(\frac{(4k+1)\pi}{12})
k=0:cosπ12+isinπ12=6+24+i624k=0: \cos \frac{\pi}{12} + i\sin \frac{\pi}{12} = \frac{\sqrt{6}+\sqrt{2}}{4} + i\frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{4}
k=1:cos5π12+isin5π12=624+i6+24k=1: \cos \frac{5\pi}{12} + i\sin \frac{5\pi}{12} = \frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{4} + i\frac{\sqrt{6}+\sqrt{2}}{4}
k=2:cos9π12+isin9π12=cos3π4+isin3π4=22+i22k=2: \cos \frac{9\pi}{12} + i\sin \frac{9\pi}{12} = \cos \frac{3\pi}{4} + i\sin \frac{3\pi}{4} = -\frac{\sqrt{2}}{2} + i\frac{\sqrt{2}}{2}
k=3:cos13π12+isin13π12=cos(π+π12)+isin(π+π12)=6+24i624k=3: \cos \frac{13\pi}{12} + i\sin \frac{13\pi}{12} = \cos (\pi + \frac{\pi}{12}) + i\sin (\pi + \frac{\pi}{12}) = -\frac{\sqrt{6}+\sqrt{2}}{4} - i\frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{4}
k=4:cos17π12+isin17π12=cos(π+5π12)+isin(π+5π12)=624i6+24k=4: \cos \frac{17\pi}{12} + i\sin \frac{17\pi}{12} = \cos (\pi + \frac{5\pi}{12}) + i\sin (\pi + \frac{5\pi}{12}) = -\frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{4} - i\frac{\sqrt{6}+\sqrt{2}}{4}
k=5:cos21π12+isin21π12=cos7π4+isin7π4=22i22k=5: \cos \frac{21\pi}{12} + i\sin \frac{21\pi}{12} = \cos \frac{7\pi}{4} + i\sin \frac{7\pi}{4} = \frac{\sqrt{2}}{2} - i\frac{\sqrt{2}}{2}
(4) 3+3i4\sqrt[4]{-\sqrt{3}+3i}
3+3i=r(cosθ+isinθ)-\sqrt{3} + 3i = r(\cos\theta + i\sin\theta)
r=(3)2+32=3+9=12=23r = \sqrt{(-\sqrt{3})^2 + 3^2} = \sqrt{3+9} = \sqrt{12} = 2\sqrt{3}
cosθ=323=12\cos\theta = \frac{-\sqrt{3}}{2\sqrt{3}} = -\frac{1}{2}
sinθ=323=32\sin\theta = \frac{3}{2\sqrt{3}} = \frac{\sqrt{3}}{2}
θ=2π3\theta = \frac{2\pi}{3}
3+3i=23(cos2π3+isin2π3)-\sqrt{3} + 3i = 2\sqrt{3}(\cos \frac{2\pi}{3} + i\sin \frac{2\pi}{3})
3+3i4=234(cos(2π/3+2kπ4)+isin(2π/3+2kπ4))=(23)1/4(cos((3k+1)π6)+isin((3k+1)π6))\sqrt[4]{-\sqrt{3}+3i} = \sqrt[4]{2\sqrt{3}}(\cos(\frac{2\pi/3+2k\pi}{4}) + i\sin(\frac{2\pi/3+2k\pi}{4})) = (2\sqrt{3})^{1/4}(\cos(\frac{(3k+1)\pi}{6}) + i\sin(\frac{(3k+1)\pi}{6}))
(23)1/4=(231/2)1/4=21/431/8(2\sqrt{3})^{1/4} = (2 \cdot 3^{1/2})^{1/4} = 2^{1/4} \cdot 3^{1/8}
k=0:(23)1/4(cosπ6+isinπ6)=21/431/8(32+i12)k=0: (2\sqrt{3})^{1/4}(\cos \frac{\pi}{6} + i\sin \frac{\pi}{6}) = 2^{1/4}3^{1/8}(\frac{\sqrt{3}}{2} + i\frac{1}{2})
k=1:(23)1/4(cos4π6+isin4π6)=21/431/8(cos2π3+isin2π3)=21/431/8(12+i32)k=1: (2\sqrt{3})^{1/4}(\cos \frac{4\pi}{6} + i\sin \frac{4\pi}{6}) = 2^{1/4}3^{1/8}(\cos \frac{2\pi}{3} + i\sin \frac{2\pi}{3}) = 2^{1/4}3^{1/8}(-\frac{1}{2} + i\frac{\sqrt{3}}{2})
k=2:(23)1/4(cos7π6+isin7π6)=21/431/8(32i12)k=2: (2\sqrt{3})^{1/4}(\cos \frac{7\pi}{6} + i\sin \frac{7\pi}{6}) = 2^{1/4}3^{1/8}(-\frac{\sqrt{3}}{2} - i\frac{1}{2})
k=3:(23)1/4(cos10π6+isin10π6)=21/431/8(cos5π3+isin5π3)=21/431/8(12i32)k=3: (2\sqrt{3})^{1/4}(\cos \frac{10\pi}{6} + i\sin \frac{10\pi}{6}) = 2^{1/4}3^{1/8}(\cos \frac{5\pi}{3} + i\sin \frac{5\pi}{3}) = 2^{1/4}3^{1/8}(\frac{1}{2} - i\frac{\sqrt{3}}{2})

3. 最終的な答え

(1) 4,2+23i,223i4, -2+2\sqrt{3}i, -2-2\sqrt{3}i
(2) 1+3i,2,13i1+\sqrt{3}i, -2, 1-\sqrt{3}i
(3) 6+24+i624,624+i6+24,22+i22,6+24i624,624i6+24,22i22\frac{\sqrt{6}+\sqrt{2}}{4} + i\frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{4}, \frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{4} + i\frac{\sqrt{6}+\sqrt{2}}{4}, -\frac{\sqrt{2}}{2} + i\frac{\sqrt{2}}{2}, -\frac{\sqrt{6}+\sqrt{2}}{4} - i\frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{4}, -\frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{4} - i\frac{\sqrt{6}+\sqrt{2}}{4}, \frac{\sqrt{2}}{2} - i\frac{\sqrt{2}}{2}
(4) 21/431/8(32+i12),21/431/8(12+i32),21/431/8(32i12),21/431/8(12i32)2^{1/4}3^{1/8}(\frac{\sqrt{3}}{2} + i\frac{1}{2}), 2^{1/4}3^{1/8}(-\frac{1}{2} + i\frac{\sqrt{3}}{2}), 2^{1/4}3^{1/8}(-\frac{\sqrt{3}}{2} - i\frac{1}{2}), 2^{1/4}3^{1/8}(\frac{1}{2} - i\frac{\sqrt{3}}{2})

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