複素数 $\alpha$ と $\beta$ が与えられたとき、$\alpha\beta$ と $\frac{\alpha}{\beta}$ を極形式で表す問題です。ただし、偏角 $\theta$ の範囲は $0 \le \theta < 2\pi$ とします。

代数学複素数極形式複素数の積複素数の商絶対値偏角
2025/5/6

1. 問題の内容

複素数 α\alphaβ\beta が与えられたとき、αβ\alpha\betaαβ\frac{\alpha}{\beta} を極形式で表す問題です。ただし、偏角 θ\theta の範囲は 0θ<2π0 \le \theta < 2\pi とします。

2. 解き方の手順

(1) α=4+4i\alpha = -4 + 4i, β=1+3i\beta = -1 + \sqrt{3}i の場合
* α\alpha の極形式を求める:
α\alpha の絶対値は α=(4)2+42=16+16=32=42|\alpha| = \sqrt{(-4)^2 + 4^2} = \sqrt{16 + 16} = \sqrt{32} = 4\sqrt{2}
α\alpha の偏角は θα=arctan(44)+π=arctan(1)+π=π4+π=3π4\theta_\alpha = \arctan(\frac{4}{-4}) + \pi = \arctan(-1) + \pi = -\frac{\pi}{4} + \pi = \frac{3\pi}{4}
したがって、α=42(cos(3π4)+isin(3π4))\alpha = 4\sqrt{2}(\cos(\frac{3\pi}{4}) + i\sin(\frac{3\pi}{4}))
* β\beta の極形式を求める:
β\beta の絶対値は β=(1)2+(3)2=1+3=4=2|\beta| = \sqrt{(-1)^2 + (\sqrt{3})^2} = \sqrt{1 + 3} = \sqrt{4} = 2
β\beta の偏角は θβ=arctan(31)+π=arctan(3)+π=π3+π=2π3\theta_\beta = \arctan(\frac{\sqrt{3}}{-1}) + \pi = \arctan(-\sqrt{3}) + \pi = -\frac{\pi}{3} + \pi = \frac{2\pi}{3}
したがって、β=2(cos(2π3)+isin(2π3))\beta = 2(\cos(\frac{2\pi}{3}) + i\sin(\frac{2\pi}{3}))
* αβ\alpha\beta を計算する:
αβ=(42×2)(cos(3π4+2π3)+isin(3π4+2π3))\alpha\beta = (4\sqrt{2} \times 2)(\cos(\frac{3\pi}{4} + \frac{2\pi}{3}) + i\sin(\frac{3\pi}{4} + \frac{2\pi}{3}))
=82(cos(9π+8π12)+isin(9π+8π12))=82(cos(17π12)+isin(17π12))= 8\sqrt{2}(\cos(\frac{9\pi + 8\pi}{12}) + i\sin(\frac{9\pi + 8\pi}{12})) = 8\sqrt{2}(\cos(\frac{17\pi}{12}) + i\sin(\frac{17\pi}{12}))
* αβ\frac{\alpha}{\beta} を計算する:
αβ=422(cos(3π42π3)+isin(3π42π3))\frac{\alpha}{\beta} = \frac{4\sqrt{2}}{2}(\cos(\frac{3\pi}{4} - \frac{2\pi}{3}) + i\sin(\frac{3\pi}{4} - \frac{2\pi}{3}))
=22(cos(9π8π12)+isin(9π8π12))=22(cos(π12)+isin(π12))= 2\sqrt{2}(\cos(\frac{9\pi - 8\pi}{12}) + i\sin(\frac{9\pi - 8\pi}{12})) = 2\sqrt{2}(\cos(\frac{\pi}{12}) + i\sin(\frac{\pi}{12}))
(2) α=6+2i\alpha = -\sqrt{6} + \sqrt{2}i, β=1+i\beta = 1 + i の場合
* α\alpha の極形式を求める:
α\alpha の絶対値は α=(6)2+(2)2=6+2=8=22|\alpha| = \sqrt{(-\sqrt{6})^2 + (\sqrt{2})^2} = \sqrt{6 + 2} = \sqrt{8} = 2\sqrt{2}
α\alpha の偏角は θα=arctan(26)+π=arctan(13)+π=π6+π=5π6\theta_\alpha = \arctan(\frac{\sqrt{2}}{-\sqrt{6}}) + \pi = \arctan(-\frac{1}{\sqrt{3}}) + \pi = -\frac{\pi}{6} + \pi = \frac{5\pi}{6}
したがって、α=22(cos(5π6)+isin(5π6))\alpha = 2\sqrt{2}(\cos(\frac{5\pi}{6}) + i\sin(\frac{5\pi}{6}))
* β\beta の極形式を求める:
β\beta の絶対値は β=12+12=1+1=2|\beta| = \sqrt{1^2 + 1^2} = \sqrt{1 + 1} = \sqrt{2}
β\beta の偏角は θβ=arctan(11)=arctan(1)=π4\theta_\beta = \arctan(\frac{1}{1}) = \arctan(1) = \frac{\pi}{4}
したがって、β=2(cos(π4)+isin(π4))\beta = \sqrt{2}(\cos(\frac{\pi}{4}) + i\sin(\frac{\pi}{4}))
* αβ\alpha\beta を計算する:
αβ=(22×2)(cos(5π6+π4)+isin(5π6+π4))\alpha\beta = (2\sqrt{2} \times \sqrt{2})(\cos(\frac{5\pi}{6} + \frac{\pi}{4}) + i\sin(\frac{5\pi}{6} + \frac{\pi}{4}))
=4(cos(10π+3π12)+isin(10π+3π12))=4(cos(13π12)+isin(13π12))= 4(\cos(\frac{10\pi + 3\pi}{12}) + i\sin(\frac{10\pi + 3\pi}{12})) = 4(\cos(\frac{13\pi}{12}) + i\sin(\frac{13\pi}{12}))
* αβ\frac{\alpha}{\beta} を計算する:
αβ=222(cos(5π6π4)+isin(5π6π4))\frac{\alpha}{\beta} = \frac{2\sqrt{2}}{\sqrt{2}}(\cos(\frac{5\pi}{6} - \frac{\pi}{4}) + i\sin(\frac{5\pi}{6} - \frac{\pi}{4}))
=2(cos(10π3π12)+isin(10π3π12))=2(cos(7π12)+isin(7π12))= 2(\cos(\frac{10\pi - 3\pi}{12}) + i\sin(\frac{10\pi - 3\pi}{12})) = 2(\cos(\frac{7\pi}{12}) + i\sin(\frac{7\pi}{12}))

3. 最終的な答え

(1) α=4+4i\alpha = -4 + 4i, β=1+3i\beta = -1 + \sqrt{3}i の場合
αβ=82(cos(17π12)+isin(17π12))\alpha\beta = 8\sqrt{2}(\cos(\frac{17\pi}{12}) + i\sin(\frac{17\pi}{12}))
αβ=22(cos(π12)+isin(π12))\frac{\alpha}{\beta} = 2\sqrt{2}(\cos(\frac{\pi}{12}) + i\sin(\frac{\pi}{12}))
(2) α=6+2i\alpha = -\sqrt{6} + \sqrt{2}i, β=1+i\beta = 1 + i の場合
αβ=4(cos(13π12)+isin(13π12))\alpha\beta = 4(\cos(\frac{13\pi}{12}) + i\sin(\frac{13\pi}{12}))
αβ=2(cos(7π12)+isin(7π12))\frac{\alpha}{\beta} = 2(\cos(\frac{7\pi}{12}) + i\sin(\frac{7\pi}{12}))

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