与えられた複素数の累乗を計算する問題です。具体的には、以下の4つの問題を解きます。 (1) $(1 + \sqrt{3}i)^6$ (2) $(\frac{\sqrt{3}}{2} - \frac{1}{2}i)^7$ (3) $(1 - i)^{-10}$ (4) $(\frac{3 + \sqrt{3}i}{2})^{-4}$

代数学複素数累乗極形式ド・モアブルの定理
2025/5/11

1. 問題の内容

与えられた複素数の累乗を計算する問題です。具体的には、以下の4つの問題を解きます。
(1) (1+3i)6(1 + \sqrt{3}i)^6
(2) (3212i)7(\frac{\sqrt{3}}{2} - \frac{1}{2}i)^7
(3) (1i)10(1 - i)^{-10}
(4) (3+3i2)4(\frac{3 + \sqrt{3}i}{2})^{-4}

2. 解き方の手順

(1) (1+3i)6(1 + \sqrt{3}i)^6
1+3i1 + \sqrt{3}iを極形式で表すと、
r=12+(3)2=1+3=2r = \sqrt{1^2 + (\sqrt{3})^2} = \sqrt{1 + 3} = 2
θ=arctan31=π3\theta = \arctan{\frac{\sqrt{3}}{1}} = \frac{\pi}{3}
よって、1+3i=2(cosπ3+isinπ3)1 + \sqrt{3}i = 2(\cos{\frac{\pi}{3}} + i\sin{\frac{\pi}{3}})
ド・モアブルの定理より、
(1+3i)6=[2(cosπ3+isinπ3)]6=26(cos2π+isin2π)=64(1+0i)=64(1 + \sqrt{3}i)^6 = [2(\cos{\frac{\pi}{3}} + i\sin{\frac{\pi}{3}})]^6 = 2^6(\cos{2\pi} + i\sin{2\pi}) = 64(1 + 0i) = 64
(2) (3212i)7(\frac{\sqrt{3}}{2} - \frac{1}{2}i)^7
3212i\frac{\sqrt{3}}{2} - \frac{1}{2}iを極形式で表すと、
r=(32)2+(12)2=34+14=1=1r = \sqrt{(\frac{\sqrt{3}}{2})^2 + (-\frac{1}{2})^2} = \sqrt{\frac{3}{4} + \frac{1}{4}} = \sqrt{1} = 1
θ=arctan1232=arctan13=π6\theta = \arctan{\frac{-\frac{1}{2}}{\frac{\sqrt{3}}{2}}} = \arctan{-\frac{1}{\sqrt{3}}} = -\frac{\pi}{6}
よって、3212i=cos(π6)+isin(π6)\frac{\sqrt{3}}{2} - \frac{1}{2}i = \cos{(-\frac{\pi}{6})} + i\sin{(-\frac{\pi}{6})}
ド・モアブルの定理より、
(3212i)7=[cos(π6)+isin(π6)]7=cos(7π6)+isin(7π6)=cos(5π6)isin(5π6)=3212i(\frac{\sqrt{3}}{2} - \frac{1}{2}i)^7 = [\cos{(-\frac{\pi}{6})} + i\sin{(-\frac{\pi}{6})}]^7 = \cos{(-\frac{7\pi}{6})} + i\sin{(-\frac{7\pi}{6})} = \cos{(\frac{5\pi}{6})} - i\sin{(\frac{5\pi}{6})} = -\frac{\sqrt{3}}{2} - \frac{1}{2}i
(3) (1i)10(1 - i)^{-10}
1i1 - iを極形式で表すと、
r=12+(1)2=2r = \sqrt{1^2 + (-1)^2} = \sqrt{2}
θ=arctan11=π4\theta = \arctan{\frac{-1}{1}} = -\frac{\pi}{4}
よって、1i=2(cos(π4)+isin(π4))1 - i = \sqrt{2}(\cos{(-\frac{\pi}{4})} + i\sin{(-\frac{\pi}{4})})
(1i)10=[2(cos(π4)+isin(π4))]10=(2)10(cos(10π4)+isin(10π4))=25(cos(5π2)+isin(5π2))=132(0+i)=132i(1 - i)^{-10} = [\sqrt{2}(\cos{(-\frac{\pi}{4})} + i\sin{(-\frac{\pi}{4})})]^{-10} = (\sqrt{2})^{-10}(\cos{(\frac{10\pi}{4})} + i\sin{(\frac{10\pi}{4})}) = 2^{-5}(\cos{(\frac{5\pi}{2})} + i\sin{(\frac{5\pi}{2})}) = \frac{1}{32}(0 + i) = \frac{1}{32}i
(4) (3+3i2)4(\frac{3 + \sqrt{3}i}{2})^{-4}
3+3i2\frac{3 + \sqrt{3}i}{2}を極形式で表すと、
r=(32)2+(32)2=94+34=124=3r = \sqrt{(\frac{3}{2})^2 + (\frac{\sqrt{3}}{2})^2} = \sqrt{\frac{9}{4} + \frac{3}{4}} = \sqrt{\frac{12}{4}} = \sqrt{3}
θ=arctan3232=arctan33=π6\theta = \arctan{\frac{\frac{\sqrt{3}}{2}}{\frac{3}{2}}} = \arctan{\frac{\sqrt{3}}{3}} = \frac{\pi}{6}
よって、3+3i2=3(cosπ6+isinπ6)\frac{3 + \sqrt{3}i}{2} = \sqrt{3}(\cos{\frac{\pi}{6}} + i\sin{\frac{\pi}{6}})
(3+3i2)4=[3(cosπ6+isinπ6)]4=(3)4(cos(4π6)+isin(4π6))=(13)4(cos(2π3)+isin(2π3))=19(12i32)=118318i(\frac{3 + \sqrt{3}i}{2})^{-4} = [\sqrt{3}(\cos{\frac{\pi}{6}} + i\sin{\frac{\pi}{6}})]^{-4} = (\sqrt{3})^{-4}(\cos{(-\frac{4\pi}{6})} + i\sin{(-\frac{4\pi}{6})}) = (\frac{1}{\sqrt{3}})^4 (\cos{(-\frac{2\pi}{3})} + i\sin{(-\frac{2\pi}{3})}) = \frac{1}{9}(-\frac{1}{2} - i\frac{\sqrt{3}}{2}) = -\frac{1}{18} - \frac{\sqrt{3}}{18}i

3. 最終的な答え

(1) 64
(2) 3212i-\frac{\sqrt{3}}{2} - \frac{1}{2}i
(3) 132i\frac{1}{32}i
(4) 118318i-\frac{1}{18} - \frac{\sqrt{3}}{18}i

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