$\alpha = \frac{1 + i\sqrt{3}}{2}$、$\beta = \frac{1 + i}{2}$であるとき、以下の値を求めよ。 (1) $\alpha^{10}$ (2) $\beta^{6}$ (3) $(\frac{\alpha}{\beta^{-2}})^4$

代数学複素数ド・モアブルの定理極形式
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}であるとき、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) α\alpha を極形式で表すと、
α=cosπ3+isinπ3\alpha = \cos \frac{\pi}{3} + i \sin \frac{\pi}{3}
ド・モアブルの定理より、
α10=cos10π3+isin10π3\alpha^{10} = \cos \frac{10\pi}{3} + i \sin \frac{10\pi}{3}
=cos4π3+isin4π3= \cos \frac{4\pi}{3} + i \sin \frac{4\pi}{3}
=1232i= -\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2} i
(2) β\beta を極形式で表すと、
β=12(cosπ4+isinπ4)\beta = \frac{1}{\sqrt{2}}(\cos \frac{\pi}{4} + i \sin \frac{\pi}{4})
ド・モアブルの定理より、
β6=(12)6(cos6π4+isin6π4)\beta^6 = (\frac{1}{\sqrt{2}})^6 (\cos \frac{6\pi}{4} + i \sin \frac{6\pi}{4})
=18(cos3π2+isin3π2)= \frac{1}{8}(\cos \frac{3\pi}{2} + i \sin \frac{3\pi}{2})
=18(0i)= \frac{1}{8}(0 - i)
=18i= -\frac{1}{8}i
(3)
β2=(1+i2)2=(21+i)2=(2(1i)2)2=(1i)2=12i1=2i\beta^{-2} = (\frac{1+i}{2})^{-2} = (\frac{2}{1+i})^2 = (\frac{2(1-i)}{2})^2 = (1-i)^2 = 1 - 2i - 1 = -2i
αβ2=1+i322i=1+i34i=(1+i3)i4i2=i34\frac{\alpha}{\beta^{-2}} = \frac{\frac{1+i\sqrt{3}}{2}}{-2i} = \frac{1+i\sqrt{3}}{-4i} = \frac{(1+i\sqrt{3})i}{-4i^2} = \frac{i-\sqrt{3}}{4}
(αβ2)4=(i34)4=(3+i4)4(\frac{\alpha}{\beta^{-2}})^4 = (\frac{i-\sqrt{3}}{4})^4 = (\frac{-\sqrt{3}+i}{4})^4
ここで 3+i=2(cos5π6+isin5π6)-\sqrt{3}+i = 2(\cos \frac{5\pi}{6} + i \sin \frac{5\pi}{6}) より、
(3+i4)4=(12(cos5π6+isin5π6))4=(12)4(cos20π6+isin20π6)(\frac{-\sqrt{3}+i}{4})^4 = (\frac{1}{2}(\cos \frac{5\pi}{6} + i \sin \frac{5\pi}{6}))^4 = (\frac{1}{2})^4 (\cos \frac{20\pi}{6} + i \sin \frac{20\pi}{6})
=116(cos10π3+isin10π3)=116(cos4π3+isin4π3)=116(1232i)= \frac{1}{16} (\cos \frac{10\pi}{3} + i \sin \frac{10\pi}{3}) = \frac{1}{16} (\cos \frac{4\pi}{3} + i \sin \frac{4\pi}{3}) = \frac{1}{16} (-\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2}i)
=132332i= -\frac{1}{32} - \frac{\sqrt{3}}{32}i

3. 最終的な答え

(1) 1232i-\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2} i
(2) 18i-\frac{1}{8}i
(3) 132332i-\frac{1}{32} - \frac{\sqrt{3}}{32}i

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