複素数 $z$ が $z + \frac{1}{z} = \sqrt{2}$ を満たすとき、以下の問いに答える。 (1) $z$ を極形式で表す。 (2) $\frac{1}{z^{10}} + z^{10}$ と $\frac{1}{z^{99}} + z^{99}$ の値を求める。

代数学複素数ド・モアブルの定理極形式
2025/7/24

1. 問題の内容

複素数 zzz+1z=2z + \frac{1}{z} = \sqrt{2} を満たすとき、以下の問いに答える。
(1) zz を極形式で表す。
(2) 1z10+z10\frac{1}{z^{10}} + z^{10}1z99+z99\frac{1}{z^{99}} + z^{99} の値を求める。

2. 解き方の手順

(1) z+1z=2z + \frac{1}{z} = \sqrt{2} より、両辺に zz をかけて整理すると
z22z+1=0z^2 - \sqrt{2}z + 1 = 0
この2次方程式を解くと
z=2±242=2±2i2=1±i2z = \frac{\sqrt{2} \pm \sqrt{2 - 4}}{2} = \frac{\sqrt{2} \pm \sqrt{2}i}{2} = \frac{1 \pm i}{\sqrt{2}}
z=1+i2z = \frac{1 + i}{\sqrt{2}} のとき、z=(12)2+(12)2=1|z| = \sqrt{(\frac{1}{\sqrt{2}})^2 + (\frac{1}{\sqrt{2}})^2} = 1
argz=π4\arg z = \frac{\pi}{4}
よって z=cosπ4+isinπ4=eiπ4z = \cos \frac{\pi}{4} + i \sin \frac{\pi}{4} = e^{i\frac{\pi}{4}}
z=1i2z = \frac{1 - i}{\sqrt{2}} のとき、z=(12)2+(12)2=1|z| = \sqrt{(\frac{1}{\sqrt{2}})^2 + (\frac{-1}{\sqrt{2}})^2} = 1
argz=π4\arg z = -\frac{\pi}{4}
よって z=cos(π4)+isin(π4)=eiπ4z = \cos (-\frac{\pi}{4}) + i \sin (-\frac{\pi}{4}) = e^{-i\frac{\pi}{4}}
(2) ド・モアブルの定理より
z10=(cosπ4+isinπ4)10=cos10π4+isin10π4=cos5π2+isin5π2=cosπ2+isinπ2=iz^{10} = (\cos \frac{\pi}{4} + i \sin \frac{\pi}{4})^{10} = \cos \frac{10\pi}{4} + i \sin \frac{10\pi}{4} = \cos \frac{5\pi}{2} + i \sin \frac{5\pi}{2} = \cos \frac{\pi}{2} + i \sin \frac{\pi}{2} = i
1z10=1i=i\frac{1}{z^{10}} = \frac{1}{i} = -i
よって 1z10+z10=i+i=0\frac{1}{z^{10}} + z^{10} = -i + i = 0
z99=(cosπ4+isinπ4)99=cos99π4+isin99π4=cos(3π4+24π)+isin(3π4+24π)=cos3π4+isin3π4=12+12iz^{99} = (\cos \frac{\pi}{4} + i \sin \frac{\pi}{4})^{99} = \cos \frac{99\pi}{4} + i \sin \frac{99\pi}{4} = \cos (\frac{3\pi}{4} + 24\pi) + i \sin (\frac{3\pi}{4} + 24\pi) = \cos \frac{3\pi}{4} + i \sin \frac{3\pi}{4} = -\frac{1}{\sqrt{2}} + \frac{1}{\sqrt{2}}i
1z99=112+12i=1212i12+12=1212i\frac{1}{z^{99}} = \frac{1}{-\frac{1}{\sqrt{2}} + \frac{1}{\sqrt{2}}i} = \frac{-\frac{1}{\sqrt{2}} - \frac{1}{\sqrt{2}}i}{\frac{1}{2} + \frac{1}{2}} = -\frac{1}{\sqrt{2}} - \frac{1}{\sqrt{2}}i
よって 1z99+z99=(1212i)+(12+12i)=2\frac{1}{z^{99}} + z^{99} = (-\frac{1}{\sqrt{2}} - \frac{1}{\sqrt{2}}i) + (-\frac{1}{\sqrt{2}} + \frac{1}{\sqrt{2}}i) = -\sqrt{2}
同様に z=eiπ4z = e^{-i\frac{\pi}{4}} のとき
z10=(cos(π4)+isin(π4))10=cos(10π4)+isin(10π4)=cos(5π2)+isin(5π2)=cos(π2)+isin(π2)=iz^{10} = (\cos (-\frac{\pi}{4}) + i \sin (-\frac{\pi}{4}))^{10} = \cos (-\frac{10\pi}{4}) + i \sin (-\frac{10\pi}{4}) = \cos (-\frac{5\pi}{2}) + i \sin (-\frac{5\pi}{2}) = \cos (-\frac{\pi}{2}) + i \sin (-\frac{\pi}{2}) = -i
1z10=1i=i\frac{1}{z^{10}} = \frac{1}{-i} = i
よって 1z10+z10=ii=0\frac{1}{z^{10}} + z^{10} = i - i = 0
z99=(cos(π4)+isin(π4))99=cos(99π4)+isin(99π4)=cos(3π424π)+isin(3π424π)=cos(3π4)+isin(3π4)=1212iz^{99} = (\cos (-\frac{\pi}{4}) + i \sin (-\frac{\pi}{4}))^{99} = \cos (-\frac{99\pi}{4}) + i \sin (-\frac{99\pi}{4}) = \cos (-\frac{3\pi}{4} - 24\pi) + i \sin (-\frac{3\pi}{4} - 24\pi) = \cos (-\frac{3\pi}{4}) + i \sin (-\frac{3\pi}{4}) = -\frac{1}{\sqrt{2}} - \frac{1}{\sqrt{2}}i
1z99=11212i=12+12i12+12=12+12i\frac{1}{z^{99}} = \frac{1}{-\frac{1}{\sqrt{2}} - \frac{1}{\sqrt{2}}i} = \frac{-\frac{1}{\sqrt{2}} + \frac{1}{\sqrt{2}}i}{\frac{1}{2} + \frac{1}{2}} = -\frac{1}{\sqrt{2}} + \frac{1}{\sqrt{2}}i
よって 1z99+z99=(12+12i)+(1212i)=2\frac{1}{z^{99}} + z^{99} = (-\frac{1}{\sqrt{2}} + \frac{1}{\sqrt{2}}i) + (-\frac{1}{\sqrt{2}} - \frac{1}{\sqrt{2}}i) = -\sqrt{2}

3. 最終的な答え

(1) z=cosπ4+isinπ4z = \cos \frac{\pi}{4} + i \sin \frac{\pi}{4} または z=cos(π4)+isin(π4)z = \cos (-\frac{\pi}{4}) + i \sin (-\frac{\pi}{4})
(2) 1z10+z10=0\frac{1}{z^{10}} + z^{10} = 0
1z99+z99=2\frac{1}{z^{99}} + z^{99} = -\sqrt{2}

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