次の複素数方程式を解き、解を複素数平面上に図示する問題です。 (1) $z^2 = i$ (2) $z^4 = -4$ (3) $z^2 = 1 + \sqrt{3}i$

代数学複素数複素数平面複素数方程式極形式
2025/4/20

1. 問題の内容

次の複素数方程式を解き、解を複素数平面上に図示する問題です。
(1) z2=iz^2 = i
(2) z4=4z^4 = -4
(3) z2=1+3iz^2 = 1 + \sqrt{3}i

2. 解き方の手順

(1) z2=iz^2 = i
z=r(cosθ+isinθ)z = r(\cos\theta + i\sin\theta)とおくと、
z2=r2(cos2θ+isin2θ)=i=cosπ2+isinπ2z^2 = r^2(\cos2\theta + i\sin2\theta) = i = \cos\frac{\pi}{2} + i\sin\frac{\pi}{2}
したがって、r2=1,2θ=π2+2nπr^2 = 1, 2\theta = \frac{\pi}{2} + 2n\pi (nは整数)
r>0r > 0よりr=1r=1
θ=π4+nπ\theta = \frac{\pi}{4} + n\pi
n=0n=0のとき、θ=π4\theta = \frac{\pi}{4}
n=1n=1のとき、θ=5π4\theta = \frac{5\pi}{4}
よって、z=cosπ4+isinπ4=22+22iz = \cos\frac{\pi}{4} + i\sin\frac{\pi}{4} = \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}i
z=cos5π4+isin5π4=2222iz = \cos\frac{5\pi}{4} + i\sin\frac{5\pi}{4} = -\frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2}i
(2) z4=4z^4 = -4
z=r(cosθ+isinθ)z = r(\cos\theta + i\sin\theta)とおくと、
z4=r4(cos4θ+isin4θ)=4=4(cosπ+isinπ)z^4 = r^4(\cos4\theta + i\sin4\theta) = -4 = 4(\cos\pi + i\sin\pi)
したがって、r4=4,4θ=π+2nπr^4 = 4, 4\theta = \pi + 2n\pi (nは整数)
r>0r > 0よりr=2r = \sqrt{2}
θ=π4+nπ2\theta = \frac{\pi}{4} + \frac{n\pi}{2}
n=0n=0のとき、θ=π4\theta = \frac{\pi}{4}
n=1n=1のとき、θ=3π4\theta = \frac{3\pi}{4}
n=2n=2のとき、θ=5π4\theta = \frac{5\pi}{4}
n=3n=3のとき、θ=7π4\theta = \frac{7\pi}{4}
よって、z=2(cosπ4+isinπ4)=2(22+22i)=1+iz = \sqrt{2}(\cos\frac{\pi}{4} + i\sin\frac{\pi}{4}) = \sqrt{2}(\frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}i) = 1 + i
z=2(cos3π4+isin3π4)=2(22+22i)=1+iz = \sqrt{2}(\cos\frac{3\pi}{4} + i\sin\frac{3\pi}{4}) = \sqrt{2}(-\frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}i) = -1 + i
z=2(cos5π4+isin5π4)=2(2222i)=1iz = \sqrt{2}(\cos\frac{5\pi}{4} + i\sin\frac{5\pi}{4}) = \sqrt{2}(-\frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2}i) = -1 - i
z=2(cos7π4+isin7π4)=2(2222i)=1iz = \sqrt{2}(\cos\frac{7\pi}{4} + i\sin\frac{7\pi}{4}) = \sqrt{2}(\frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2}i) = 1 - i
(3) z2=1+3iz^2 = 1 + \sqrt{3}i
z=r(cosθ+isinθ)z = r(\cos\theta + i\sin\theta)とおくと、
z2=r2(cos2θ+isin2θ)=1+3i=2(12+32i)=2(cosπ3+isinπ3)z^2 = r^2(\cos2\theta + i\sin2\theta) = 1 + \sqrt{3}i = 2(\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2}i) = 2(\cos\frac{\pi}{3} + i\sin\frac{\pi}{3})
したがって、r2=2,2θ=π3+2nπr^2 = 2, 2\theta = \frac{\pi}{3} + 2n\pi (nは整数)
r>0r > 0よりr=2r = \sqrt{2}
θ=π6+nπ\theta = \frac{\pi}{6} + n\pi
n=0n=0のとき、θ=π6\theta = \frac{\pi}{6}
n=1n=1のとき、θ=7π6\theta = \frac{7\pi}{6}
よって、z=2(cosπ6+isinπ6)=2(32+12i)=62+22iz = \sqrt{2}(\cos\frac{\pi}{6} + i\sin\frac{\pi}{6}) = \sqrt{2}(\frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{1}{2}i) = \frac{\sqrt{6}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}i
z=2(cos7π6+isin7π6)=2(3212i)=6222iz = \sqrt{2}(\cos\frac{7\pi}{6} + i\sin\frac{7\pi}{6}) = \sqrt{2}(-\frac{\sqrt{3}}{2} - \frac{1}{2}i) = -\frac{\sqrt{6}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2}i

3. 最終的な答え

(1) z=22+22i,2222iz = \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}i, -\frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2}i
(2) z=1+i,1+i,1i,1iz = 1 + i, -1 + i, -1 - i, 1 - i
(3) z=62+22i,6222iz = \frac{\sqrt{6}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}i, -\frac{\sqrt{6}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2}i

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