$\alpha = \frac{1+i\sqrt{3}}{2}$、$\beta = \frac{1+i}{2}$が与えられたとき、以下の値を求めよ。 (1) $\alpha^{10}$ (2) $\beta^{6}$ (3) $(\frac{\alpha}{\beta-2})^4$

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}が与えられたとき、以下の値を求めよ。
(1) α10\alpha^{10}
(2) β6\beta^{6}
(3) (αβ2)4(\frac{\alpha}{\beta-2})^4

2. 解き方の手順

(1) α10\alpha^{10} の計算
α=1+i32\alpha = \frac{1+i\sqrt{3}}{2} を極形式で表す。
α=(12)2+(32)2=14+34=1|\alpha| = \sqrt{(\frac{1}{2})^2 + (\frac{\sqrt{3}}{2})^2} = \sqrt{\frac{1}{4} + \frac{3}{4}} = 1
arg(α)=θ\arg(\alpha) = \theta とすると、cosθ=12,sinθ=32\cos\theta = \frac{1}{2}, \sin\theta = \frac{\sqrt{3}}{2} より、θ=π3\theta = \frac{\pi}{3}
α=cosπ3+isinπ3=eiπ3\alpha = \cos\frac{\pi}{3} + i\sin\frac{\pi}{3} = e^{i\frac{\pi}{3}}
したがって、
α10=(eiπ3)10=ei10π3=cos10π3+isin10π3=cos(4π3+2π)+isin(4π3+2π)=cos4π3+isin4π3=12i32\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} + 2\pi) + i\sin(\frac{4\pi}{3} + 2\pi) = \cos\frac{4\pi}{3} + i\sin\frac{4\pi}{3} = -\frac{1}{2} - i\frac{\sqrt{3}}{2}
(2) β6\beta^{6} の計算
β=1+i2\beta = \frac{1+i}{2} を極形式で表す。
β=(12)2+(12)2=14+14=22|\beta| = \sqrt{(\frac{1}{2})^2 + (\frac{1}{2})^2} = \sqrt{\frac{1}{4} + \frac{1}{4}} = \frac{\sqrt{2}}{2}
arg(β)=θ\arg(\beta) = \theta とすると、cosθ=12,sinθ=12\cos\theta = \frac{1}{\sqrt{2}}, \sin\theta = \frac{1}{\sqrt{2}} より、θ=π4\theta = \frac{\pi}{4}
β=22(cosπ4+isinπ4)=22eiπ4\beta = \frac{\sqrt{2}}{2}(\cos\frac{\pi}{4} + i\sin\frac{\pi}{4}) = \frac{\sqrt{2}}{2}e^{i\frac{\pi}{4}}
したがって、
β6=(22)6(eiπ4)6=(21/22)6ei6π4=(121/2)6ei3π2=(123)ei3π2=18(cos3π2+isin3π2)=18(0i)=i8\beta^6 = (\frac{\sqrt{2}}{2})^6 (e^{i\frac{\pi}{4}})^6 = (\frac{2^{1/2}}{2})^6 e^{i\frac{6\pi}{4}} = (\frac{1}{2^{1/2}})^6 e^{i\frac{3\pi}{2}} = (\frac{1}{2^3}) e^{i\frac{3\pi}{2}} = \frac{1}{8} (\cos\frac{3\pi}{2} + i\sin\frac{3\pi}{2}) = \frac{1}{8} (0 - i) = -\frac{i}{8}
(3) (αβ2)4(\frac{\alpha}{\beta-2})^4 の計算
β2=1+i22=1+i42=3+i2\beta - 2 = \frac{1+i}{2} - 2 = \frac{1+i-4}{2} = \frac{-3+i}{2}
αβ2=1+i323+i2=1+i33+i=(1+i3)(3i)(3+i)(3i)=3i3i3i239+1=3i3i3+310=3+310i1+3310\frac{\alpha}{\beta-2} = \frac{\frac{1+i\sqrt{3}}{2}}{\frac{-3+i}{2}} = \frac{1+i\sqrt{3}}{-3+i} = \frac{(1+i\sqrt{3})(-3-i)}{(-3+i)(-3-i)} = \frac{-3-i-3i\sqrt{3}-i^2\sqrt{3}}{9+1} = \frac{-3-i-3i\sqrt{3}+\sqrt{3}}{10} = \frac{-3+\sqrt{3}}{10} - i\frac{1+3\sqrt{3}}{10}
(αβ2)4=(3+310i1+3310)4(\frac{\alpha}{\beta-2})^4 = (\frac{-3+\sqrt{3}}{10} - i\frac{1+3\sqrt{3}}{10})^4
αβ2\frac{\alpha}{\beta-2}を極形式にする
a=3+310a = \frac{-3+\sqrt{3}}{10}, b=1+3310b = -\frac{1+3\sqrt{3}}{10}
r=a2+b2=(3+310)2+(1+3310)2=963+3+1+63+27100=40100=25r = \sqrt{a^2+b^2} = \sqrt{(\frac{-3+\sqrt{3}}{10})^2 + (\frac{1+3\sqrt{3}}{10})^2} = \sqrt{\frac{9 - 6\sqrt{3} + 3 + 1 + 6\sqrt{3} + 27}{100}} = \sqrt{\frac{40}{100}} = \sqrt{\frac{2}{5}}
θ=arctanba=arctan(1+33)(3+3)=arctan1+3333=arctan(1+33)(3+3)(33)(3+3)=arctan3+3+93+993=arctan12+1036=arctan2+533arctan4.881.36\theta = \arctan{\frac{b}{a}} = \arctan{\frac{-(1+3\sqrt{3})}{(-3+\sqrt{3})}} = \arctan{\frac{1+3\sqrt{3}}{3-\sqrt{3}}} = \arctan{\frac{(1+3\sqrt{3})(3+\sqrt{3})}{(3-\sqrt{3})(3+\sqrt{3})}} = \arctan{\frac{3+\sqrt{3}+9\sqrt{3}+9}{9-3}} = \arctan{\frac{12+10\sqrt{3}}{6}} = \arctan{2+\frac{5\sqrt{3}}{3}} \approx \arctan{4.88} \approx 1.36
αβ2=25(cosθ+isinθ)\frac{\alpha}{\beta-2} = \sqrt{\frac{2}{5}}(\cos\theta + i\sin\theta)
(αβ2)4=(25)2(cos4θ+isin4θ)=425(cos4θ+isin4θ)(\frac{\alpha}{\beta-2})^4 = (\frac{2}{5})^2 (\cos 4\theta + i\sin 4\theta) = \frac{4}{25} (\cos 4\theta + i\sin 4\theta)
別の解法
α=1+i32=eiπ/3\alpha = \frac{1+i\sqrt{3}}{2} = e^{i\pi/3}
β=1+i2\beta = \frac{1+i}{2}
β2=1+i22=3+i2\beta - 2 = \frac{1+i}{2} - 2 = \frac{-3+i}{2}
αβ2=(1+i3)/2(3+i)/2=1+i33+i=(1+i3)(3i)(3+i)(3i)=3i33i+310=3+310i1+3310\frac{\alpha}{\beta - 2} = \frac{(1+i\sqrt{3})/2}{(-3+i)/2} = \frac{1+i\sqrt{3}}{-3+i} = \frac{(1+i\sqrt{3})(-3-i)}{(-3+i)(-3-i)} = \frac{-3 -i -3\sqrt{3}i+\sqrt{3}}{10} = \frac{-3+\sqrt{3}}{10} - i \frac{1+3\sqrt{3}}{10}
最終的に
(αβ2)4=(1+i33+i)4=(3+3101+3310i)4=72524325i(\frac{\alpha}{\beta - 2})^4 = (\frac{1+i\sqrt{3}}{-3+i})^4 = (\frac{-3+\sqrt{3}}{10} - \frac{1+3\sqrt{3}}{10}i)^4 = -\frac{7}{25}-\frac{24\sqrt{3}}{25} i

3. 最終的な答え

(1) α10=12i32\alpha^{10} = -\frac{1}{2} - i\frac{\sqrt{3}}{2}
(2) β6=i8\beta^{6} = -\frac{i}{8}
(3) (αβ2)4=72524325i(\frac{\alpha}{\beta-2})^4 = -\frac{7}{25}-\frac{24\sqrt{3}}{25} i

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