2つの複素数$\alpha$と$\beta$が与えられたとき、$\alpha\beta$と$\frac{\alpha}{\beta}$をそれぞれ極形式で表す問題です。偏角$\theta$の範囲は$0 \leq \theta < 2\pi$です。

代数学複素数極形式複素数の積複素数の商三角関数
2025/5/11

1. 問題の内容

2つの複素数α\alphaβ\betaが与えられたとき、αβ\alpha\betaαβ\frac{\alpha}{\beta}をそれぞれ極形式で表す問題です。偏角θ\thetaの範囲は0θ<2π0 \leq \theta < 2\piです。

2. 解き方の手順

(1) α=2(cos23π+isin23π)\alpha = 2(\cos\frac{2}{3}\pi + i\sin\frac{2}{3}\pi), β=4(cosπ6+isinπ6)\beta = 4(\cos\frac{\pi}{6} + i\sin\frac{\pi}{6})の場合
αβ=24[cos(23π+π6)+isin(23π+π6)]\alpha\beta = 2 \cdot 4 \left[ \cos\left(\frac{2}{3}\pi + \frac{\pi}{6}\right) + i\sin\left(\frac{2}{3}\pi + \frac{\pi}{6}\right) \right]
αβ=8[cos(4π6+π6)+isin(4π6+π6)]\alpha\beta = 8 \left[ \cos\left(\frac{4\pi}{6} + \frac{\pi}{6}\right) + i\sin\left(\frac{4\pi}{6} + \frac{\pi}{6}\right) \right]
αβ=8[cos5π6+isin5π6]\alpha\beta = 8 \left[ \cos\frac{5\pi}{6} + i\sin\frac{5\pi}{6} \right]
αβ=24[cos(23ππ6)+isin(23ππ6)]\frac{\alpha}{\beta} = \frac{2}{4} \left[ \cos\left(\frac{2}{3}\pi - \frac{\pi}{6}\right) + i\sin\left(\frac{2}{3}\pi - \frac{\pi}{6}\right) \right]
αβ=12[cos(4π6π6)+isin(4π6π6)]\frac{\alpha}{\beta} = \frac{1}{2} \left[ \cos\left(\frac{4\pi}{6} - \frac{\pi}{6}\right) + i\sin\left(\frac{4\pi}{6} - \frac{\pi}{6}\right) \right]
αβ=12[cos3π6+isin3π6]\frac{\alpha}{\beta} = \frac{1}{2} \left[ \cos\frac{3\pi}{6} + i\sin\frac{3\pi}{6} \right]
αβ=12[cosπ2+isinπ2]\frac{\alpha}{\beta} = \frac{1}{2} \left[ \cos\frac{\pi}{2} + i\sin\frac{\pi}{2} \right]
(2) α=6+6i\alpha = 6 + 6i, β=3+i\beta = \sqrt{3} + iの場合
α\alphaの極形式を求める。
r=62+62=72=62r = \sqrt{6^2 + 6^2} = \sqrt{72} = 6\sqrt{2}
tanθ=66=1\tan \theta = \frac{6}{6} = 1, よって θ=π4\theta = \frac{\pi}{4}
α=62(cosπ4+isinπ4)\alpha = 6\sqrt{2} \left(\cos\frac{\pi}{4} + i\sin\frac{\pi}{4}\right)
β\betaの極形式を求める。
r=(3)2+12=3+1=4=2r = \sqrt{(\sqrt{3})^2 + 1^2} = \sqrt{3 + 1} = \sqrt{4} = 2
tanθ=13\tan \theta = \frac{1}{\sqrt{3}}, よって θ=π6\theta = \frac{\pi}{6}
β=2(cosπ6+isinπ6)\beta = 2 \left(\cos\frac{\pi}{6} + i\sin\frac{\pi}{6}\right)
αβ=622[cos(π4+π6)+isin(π4+π6)]\alpha\beta = 6\sqrt{2} \cdot 2 \left[ \cos\left(\frac{\pi}{4} + \frac{\pi}{6}\right) + i\sin\left(\frac{\pi}{4} + \frac{\pi}{6}\right) \right]
αβ=122[cos(3π12+2π12)+isin(3π12+2π12)]\alpha\beta = 12\sqrt{2} \left[ \cos\left(\frac{3\pi}{12} + \frac{2\pi}{12}\right) + i\sin\left(\frac{3\pi}{12} + \frac{2\pi}{12}\right) \right]
αβ=122[cos5π12+isin5π12]\alpha\beta = 12\sqrt{2} \left[ \cos\frac{5\pi}{12} + i\sin\frac{5\pi}{12} \right]
αβ=622[cos(π4π6)+isin(π4π6)]\frac{\alpha}{\beta} = \frac{6\sqrt{2}}{2} \left[ \cos\left(\frac{\pi}{4} - \frac{\pi}{6}\right) + i\sin\left(\frac{\pi}{4} - \frac{\pi}{6}\right) \right]
αβ=32[cos(3π122π12)+isin(3π122π12)]\frac{\alpha}{\beta} = 3\sqrt{2} \left[ \cos\left(\frac{3\pi}{12} - \frac{2\pi}{12}\right) + i\sin\left(\frac{3\pi}{12} - \frac{2\pi}{12}\right) \right]
αβ=32[cosπ12+isinπ12]\frac{\alpha}{\beta} = 3\sqrt{2} \left[ \cos\frac{\pi}{12} + i\sin\frac{\pi}{12} \right]
(3) α=223i\alpha = -2 - 2\sqrt{3}i, β=1+i\beta = -1 + iの場合
α\alphaの極形式を求める。
r=(2)2+(23)2=4+12=16=4r = \sqrt{(-2)^2 + (-2\sqrt{3})^2} = \sqrt{4 + 12} = \sqrt{16} = 4
tanθ=232=3\tan \theta = \frac{-2\sqrt{3}}{-2} = \sqrt{3}
θ=π+π3=4π3\theta = \pi + \frac{\pi}{3} = \frac{4\pi}{3}
α=4(cos4π3+isin4π3)\alpha = 4 \left(\cos\frac{4\pi}{3} + i\sin\frac{4\pi}{3}\right)
β\betaの極形式を求める。
r=(1)2+12=1+1=2r = \sqrt{(-1)^2 + 1^2} = \sqrt{1 + 1} = \sqrt{2}
tanθ=11=1\tan \theta = \frac{1}{-1} = -1
θ=ππ4=3π4\theta = \pi - \frac{\pi}{4} = \frac{3\pi}{4}
β=2(cos3π4+isin3π4)\beta = \sqrt{2} \left(\cos\frac{3\pi}{4} + i\sin\frac{3\pi}{4}\right)
αβ=42[cos(4π3+3π4)+isin(4π3+3π4)]\alpha\beta = 4\sqrt{2} \left[ \cos\left(\frac{4\pi}{3} + \frac{3\pi}{4}\right) + i\sin\left(\frac{4\pi}{3} + \frac{3\pi}{4}\right) \right]
αβ=42[cos(16π12+9π12)+isin(16π12+9π12)]\alpha\beta = 4\sqrt{2} \left[ \cos\left(\frac{16\pi}{12} + \frac{9\pi}{12}\right) + i\sin\left(\frac{16\pi}{12} + \frac{9\pi}{12}\right) \right]
αβ=42[cos25π12+isin25π12]\alpha\beta = 4\sqrt{2} \left[ \cos\frac{25\pi}{12} + i\sin\frac{25\pi}{12} \right]
25π12=2π+π12\frac{25\pi}{12} = 2\pi + \frac{\pi}{12}. よって 25π12\frac{25\pi}{12}π12\frac{\pi}{12} は同じ角を表す。
αβ=42[cosπ12+isinπ12]\alpha\beta = 4\sqrt{2} \left[ \cos\frac{\pi}{12} + i\sin\frac{\pi}{12} \right]
αβ=42[cos(4π33π4)+isin(4π33π4)]\frac{\alpha}{\beta} = \frac{4}{\sqrt{2}} \left[ \cos\left(\frac{4\pi}{3} - \frac{3\pi}{4}\right) + i\sin\left(\frac{4\pi}{3} - \frac{3\pi}{4}\right) \right]
αβ=22[cos(16π129π12)+isin(16π129π12)]\frac{\alpha}{\beta} = 2\sqrt{2} \left[ \cos\left(\frac{16\pi}{12} - \frac{9\pi}{12}\right) + i\sin\left(\frac{16\pi}{12} - \frac{9\pi}{12}\right) \right]
αβ=22[cos7π12+isin7π12]\frac{\alpha}{\beta} = 2\sqrt{2} \left[ \cos\frac{7\pi}{12} + i\sin\frac{7\pi}{12} \right]

3. 最終的な答え

(1)
αβ=8(cos5π6+isin5π6)\alpha\beta = 8 \left( \cos\frac{5\pi}{6} + i\sin\frac{5\pi}{6} \right)
αβ=12(cosπ2+isinπ2)\frac{\alpha}{\beta} = \frac{1}{2} \left( \cos\frac{\pi}{2} + i\sin\frac{\pi}{2} \right)
(2)
αβ=122(cos5π12+isin5π12)\alpha\beta = 12\sqrt{2} \left( \cos\frac{5\pi}{12} + i\sin\frac{5\pi}{12} \right)
αβ=32(cosπ12+isinπ12)\frac{\alpha}{\beta} = 3\sqrt{2} \left( \cos\frac{\pi}{12} + i\sin\frac{\pi}{12} \right)
(3)
αβ=42(cosπ12+isinπ12)\alpha\beta = 4\sqrt{2} \left( \cos\frac{\pi}{12} + i\sin\frac{\pi}{12} \right)
αβ=22(cos7π12+isin7π12)\frac{\alpha}{\beta} = 2\sqrt{2} \left( \cos\frac{7\pi}{12} + i\sin\frac{7\pi}{12} \right)

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