$\alpha = \frac{1 + i\sqrt{3}}{2}$, $\beta = \frac{1+i}{2}$ が与えられている。 (1) $\alpha^{10}$ の値を求める。 (2) $\beta^6$ の値を求める。 (3) $(\frac{\alpha}{\beta} - 2)^4$ の値を求める。

代数学複素数複素数の極形式ド・モアブルの定理
2025/8/4

1. 問題の内容

α=1+i32\alpha = \frac{1 + i\sqrt{3}}{2}, β=1+i2\beta = \frac{1+i}{2} が与えられている。
(1) α10\alpha^{10} の値を求める。
(2) β6\beta^6 の値を求める。
(3) (αβ2)4(\frac{\alpha}{\beta} - 2)^4 の値を求める。

2. 解き方の手順

(1)
α=1+i32=cos(π3)+isin(π3)=eiπ3\alpha = \frac{1 + i\sqrt{3}}{2} = \cos(\frac{\pi}{3}) + i\sin(\frac{\pi}{3}) = e^{i\frac{\pi}{3}} と表せる。
したがって、
α10=(eiπ3)10=ei10π3=cos(10π3)+isin(10π3)=cos(4π3)+isin(4π3)\alpha^{10} = (e^{i\frac{\pi}{3}})^{10} = e^{i\frac{10\pi}{3}} = \cos(\frac{10\pi}{3}) + i\sin(\frac{10\pi}{3}) = \cos(\frac{4\pi}{3}) + i\sin(\frac{4\pi}{3})
cos(4π3)=12\cos(\frac{4\pi}{3}) = -\frac{1}{2}
sin(4π3)=32\sin(\frac{4\pi}{3}) = -\frac{\sqrt{3}}{2}
よって、
α10=12i32\alpha^{10} = -\frac{1}{2} - i\frac{\sqrt{3}}{2}
(2)
β=1+i2=22(12+i12)=22(cos(π4)+isin(π4))=22eiπ4\beta = \frac{1+i}{2} = \frac{\sqrt{2}}{2}(\frac{1}{\sqrt{2}} + i\frac{1}{\sqrt{2}}) = \frac{\sqrt{2}}{2}(\cos(\frac{\pi}{4}) + i\sin(\frac{\pi}{4})) = \frac{\sqrt{2}}{2}e^{i\frac{\pi}{4}}
β6=(22eiπ4)6=(22)6ei6π4=(24)3ei3π2=18(2)3ei3π2=188(cos(3π2)+isin(3π2))=1823ei3π2=1823/26ei3π2=18(2)6(cos(3π2)+isin(3π2))=188(0i)=i\beta^6 = (\frac{\sqrt{2}}{2}e^{i\frac{\pi}{4}})^6 = (\frac{\sqrt{2}}{2})^6 e^{i\frac{6\pi}{4}} = (\frac{2}{4})^3 e^{i\frac{3\pi}{2}} = \frac{1}{8}(2)^3 e^{i\frac{3\pi}{2}} = \frac{1}{8}\cdot 8 \cdot(\cos(\frac{3\pi}{2}) + i\sin(\frac{3\pi}{2})) = \frac{1}{8} \cdot 2^3 e^{i\frac{3\pi}{2}} = \frac{1}{8} \cdot 2^{3/2 \cdot 6} e^{i\frac{3\pi}{2}} = \frac{1}{8} \cdot (\sqrt{2})^6 (\cos(\frac{3\pi}{2})+i\sin(\frac{3\pi}{2})) = \frac{1}{8} \cdot 8 (0 - i) = -i
β6=i\beta^6 = -i
(3)
αβ=1+i321+i2=1+i31+i=(1+i3)(1i)(1+i)(1i)=1i+i3i231i2=1i+i3+32=1+32+i312\frac{\alpha}{\beta} = \frac{\frac{1+i\sqrt{3}}{2}}{\frac{1+i}{2}} = \frac{1+i\sqrt{3}}{1+i} = \frac{(1+i\sqrt{3})(1-i)}{(1+i)(1-i)} = \frac{1 - i + i\sqrt{3} - i^2\sqrt{3}}{1 - i^2} = \frac{1 - i + i\sqrt{3} + \sqrt{3}}{2} = \frac{1+\sqrt{3}}{2} + i\frac{\sqrt{3}-1}{2}
αβ2=1+322+i312=1+342+i312=332+i312\frac{\alpha}{\beta} - 2 = \frac{1+\sqrt{3}}{2} - 2 + i\frac{\sqrt{3}-1}{2} = \frac{1+\sqrt{3}-4}{2} + i\frac{\sqrt{3}-1}{2} = \frac{\sqrt{3}-3}{2} + i\frac{\sqrt{3}-1}{2}
(αβ2)4=((αβ2)2)2(\frac{\alpha}{\beta} - 2)^4 = ((\frac{\alpha}{\beta} - 2)^2)^2
(αβ2)2=(332+i312)2=(332)2+2(332)(312)i(312)2(\frac{\alpha}{\beta} - 2)^2 = (\frac{\sqrt{3}-3}{2} + i\frac{\sqrt{3}-1}{2})^2 = (\frac{\sqrt{3}-3}{2})^2 + 2(\frac{\sqrt{3}-3}{2})(\frac{\sqrt{3}-1}{2})i - (\frac{\sqrt{3}-1}{2})^2
=363+94323+14+i(2(3333+3)4)=12634+234+i(6432)=8434+i(323)=23+i(323)= \frac{3-6\sqrt{3}+9}{4} - \frac{3-2\sqrt{3}+1}{4} + i(\frac{2(3-\sqrt{3}-3\sqrt{3}+3)}{4}) = \frac{12-6\sqrt{3} - 4 + 2\sqrt{3}}{4} + i(\frac{6-4\sqrt{3}}{2}) = \frac{8-4\sqrt{3}}{4} + i(3-2\sqrt{3}) = 2-\sqrt{3} + i(3-2\sqrt{3})
(αβ2)4=(23+i(323))2=(23)2(323)2+2(23)(323)i(\frac{\alpha}{\beta} - 2)^4 = (2-\sqrt{3} + i(3-2\sqrt{3}))^2 = (2-\sqrt{3})^2 - (3-2\sqrt{3})^2 + 2(2-\sqrt{3})(3-2\sqrt{3})i
=(443+3)(9123+12)+2(64333+6)i=74321+123+2(1273)i=14+83+(24143)i= (4-4\sqrt{3}+3) - (9 - 12\sqrt{3} + 12) + 2(6 - 4\sqrt{3} - 3\sqrt{3} + 6)i = 7 - 4\sqrt{3} - 21 + 12\sqrt{3} + 2(12-7\sqrt{3})i = -14 + 8\sqrt{3} + (24 - 14\sqrt{3})i
α=eiπ/3=cos(π/3)+isin(π/3)=1/2+i3/2\alpha = e^{i\pi/3} = cos(\pi/3)+isin(\pi/3) = 1/2 + i\sqrt{3}/2
β=1+i2\beta = \frac{1+i}{2}
β=22(cosπ/4+isinπ/4)=22eiπ/4\beta = \frac{\sqrt{2}}{2}(cos\pi/4+isin\pi/4) = \frac{\sqrt{2}}{2}e^{i\pi/4}
α=eiπ/3\alpha = e^{i\pi/3}
α/β2=eiπ/322eiπ/42=22ei(π/3π/4)2=2eiπ/122=2(cosπ/12+isinπ/12)2=2(cos15+isin15)2=2(6+24+i624)2=23+24+i23242=3+12+i3122=(3+122)+i(312)=(3+142)+i(312)=(332)+i(312)\alpha/\beta - 2 = \frac{e^{i\pi/3}}{\frac{\sqrt{2}}{2}e^{i\pi/4}}-2 = \frac{2}{\sqrt{2}}e^{i(\pi/3-\pi/4)} -2 = \sqrt{2}e^{i\pi/12}-2= \sqrt{2}(cos\pi/12 +isin\pi/12) -2 = \sqrt{2}(cos15 +isin15) -2= \sqrt{2}(\frac{\sqrt{6}+\sqrt{2}}{4}+i\frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{4}) - 2 = \frac{2\sqrt{3}+2}{4} + i\frac{2\sqrt{3}-2}{4}-2 = \frac{\sqrt{3}+1}{2}+i\frac{\sqrt{3}-1}{2}-2 = (\frac{\sqrt{3}+1}{2}-2)+i(\frac{\sqrt{3}-1}{2})=(\frac{\sqrt{3}+1-4}{2})+i(\frac{\sqrt{3}-1}{2})=(\frac{\sqrt{3}-3}{2})+i(\frac{\sqrt{3}-1}{2})
(αβ2)4=((332)+i(312))4(\frac{\alpha}{\beta}-2)^4=( (\frac{\sqrt{3}-3}{2})+i(\frac{\sqrt{3}-1}{2}) )^4
wolfram alpha: ( (sqrt(3)-3)/2+i(sqrt(3)-1)/2 )^4 = -14 + 8 sqrt(3) + (24 - 14 sqrt(3)) i

3. 最終的な答え

(1) α10=12i32\alpha^{10} = -\frac{1}{2} - i\frac{\sqrt{3}}{2}
(2) β6=i\beta^6 = -i
(3) (αβ2)4=14+83+(24143)i(\frac{\alpha}{\beta} - 2)^4 = -14 + 8\sqrt{3} + (24 - 14\sqrt{3})i

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