複素数 $z$ が $z + \frac{1}{z} = \sqrt{2}$ を満たすとき、次の問いに答えます。 (1) $z$ を極形式で表しなさい。ただし、偏角 $\theta$ は $-\pi \le \theta < \pi$ とします。 (2) $z^{18} + \frac{1}{z^{12}}$ のとり得る値を求めなさい。

代数学複素数極形式ド・モアブルの定理
2025/5/16

1. 問題の内容

複素数 zzz+1z=2z + \frac{1}{z} = \sqrt{2} を満たすとき、次の問いに答えます。
(1) zz を極形式で表しなさい。ただし、偏角 θ\thetaπθ<π-\pi \le \theta < \pi とします。
(2) z18+1z12z^{18} + \frac{1}{z^{12}} のとり得る値を求めなさい。

2. 解き方の手順

(1)
z+1z=2z + \frac{1}{z} = \sqrt{2}zz について解きます。両辺に zz をかけると、
z2+1=2zz^2 + 1 = \sqrt{2}z
z22z+1=0z^2 - \sqrt{2}z + 1 = 0
これを解の公式を用いて解くと、
z=2±(2)242=2±242=2±22=2±i22=22±i22=12±i12z = \frac{\sqrt{2} \pm \sqrt{(\sqrt{2})^2 - 4}}{2} = \frac{\sqrt{2} \pm \sqrt{2 - 4}}{2} = \frac{\sqrt{2} \pm \sqrt{-2}}{2} = \frac{\sqrt{2} \pm i\sqrt{2}}{2} = \frac{\sqrt{2}}{2} \pm i\frac{\sqrt{2}}{2} = \frac{1}{\sqrt{2}} \pm i\frac{1}{\sqrt{2}}
z=12+i12z = \frac{1}{\sqrt{2}} + i\frac{1}{\sqrt{2}} のとき、絶対値は z=(12)2+(12)2=12+12=1|z| = \sqrt{(\frac{1}{\sqrt{2}})^2 + (\frac{1}{\sqrt{2}})^2} = \sqrt{\frac{1}{2} + \frac{1}{2}} = 1
偏角は θ=arctan(1212)=arctan(1)=π4\theta = \arctan(\frac{\frac{1}{\sqrt{2}}}{\frac{1}{\sqrt{2}}}) = \arctan(1) = \frac{\pi}{4}
よって、z=cos(π4)+isin(π4)z = \cos(\frac{\pi}{4}) + i\sin(\frac{\pi}{4})
z=12i12z = \frac{1}{\sqrt{2}} - i\frac{1}{\sqrt{2}} のとき、絶対値は z=(12)2+(12)2=12+12=1|z| = \sqrt{(\frac{1}{\sqrt{2}})^2 + (-\frac{1}{\sqrt{2}})^2} = \sqrt{\frac{1}{2} + \frac{1}{2}} = 1
偏角は θ=arctan(1212)=arctan(1)=π4\theta = \arctan(\frac{-\frac{1}{\sqrt{2}}}{\frac{1}{\sqrt{2}}}) = \arctan(-1) = -\frac{\pi}{4}
よって、z=cos(π4)+isin(π4)z = \cos(-\frac{\pi}{4}) + i\sin(-\frac{\pi}{4})
(2)
z=cos(π4)+isin(π4)z = \cos(\frac{\pi}{4}) + i\sin(\frac{\pi}{4}) のとき、
z18=(cos(π4)+isin(π4))18=cos(18π4)+isin(18π4)=cos(9π2)+isin(9π2)=cos(π2)+isin(π2)=iz^{18} = (\cos(\frac{\pi}{4}) + i\sin(\frac{\pi}{4}))^{18} = \cos(\frac{18\pi}{4}) + i\sin(\frac{18\pi}{4}) = \cos(\frac{9\pi}{2}) + i\sin(\frac{9\pi}{2}) = \cos(\frac{\pi}{2}) + i\sin(\frac{\pi}{2}) = i
1z12=1(cos(π4)+isin(π4))12=1cos(12π4)+isin(12π4)=1cos(3π)+isin(3π)=11=1\frac{1}{z^{12}} = \frac{1}{(\cos(\frac{\pi}{4}) + i\sin(\frac{\pi}{4}))^{12}} = \frac{1}{\cos(\frac{12\pi}{4}) + i\sin(\frac{12\pi}{4})} = \frac{1}{\cos(3\pi) + i\sin(3\pi)} = \frac{1}{-1} = -1
z18+1z12=i+(1)=1+iz^{18} + \frac{1}{z^{12}} = i + (-1) = -1 + i
z=cos(π4)+isin(π4)z = \cos(-\frac{\pi}{4}) + i\sin(-\frac{\pi}{4}) のとき、
z18=(cos(π4)+isin(π4))18=cos(18π4)+isin(18π4)=cos(9π2)+isin(9π2)=cos(π2)+isin(π2)=iz^{18} = (\cos(-\frac{\pi}{4}) + i\sin(-\frac{\pi}{4}))^{18} = \cos(-\frac{18\pi}{4}) + i\sin(-\frac{18\pi}{4}) = \cos(-\frac{9\pi}{2}) + i\sin(-\frac{9\pi}{2}) = \cos(-\frac{\pi}{2}) + i\sin(-\frac{\pi}{2}) = -i
1z12=1(cos(π4)+isin(π4))12=1cos(12π4)+isin(12π4)=1cos(3π)+isin(3π)=11=1\frac{1}{z^{12}} = \frac{1}{(\cos(-\frac{\pi}{4}) + i\sin(-\frac{\pi}{4}))^{12}} = \frac{1}{\cos(-\frac{12\pi}{4}) + i\sin(-\frac{12\pi}{4})} = \frac{1}{\cos(-3\pi) + i\sin(-3\pi)} = \frac{1}{-1} = -1
z18+1z12=i+(1)=1iz^{18} + \frac{1}{z^{12}} = -i + (-1) = -1 - i

3. 最終的な答え

(1)
z=cos(π4)+isin(π4)z = \cos(\frac{\pi}{4}) + i\sin(\frac{\pi}{4}) または z=cos(π4)+isin(π4)z = \cos(-\frac{\pi}{4}) + i\sin(-\frac{\pi}{4})
(2)
1+i-1 + i または 1i-1 - i

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