問題は以下の通りです。 (1) 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。 * ア. $\alpha = 1 + \sqrt{3}i$, $\beta = 2 + 2i$ * イ. $\alpha = -2\sqrt{3} + 2i$, $\beta = -1 + i$ (2) 次の複素数を極形式で表す。 * ア. $\frac{4+3i}{1+7i}$ * イ. $\sqrt{3} + \frac{1-i}{1+i}$ * ウ. $-4\left(\cos\frac{\pi}{6} + i\sin\frac{\pi}{6}\right)$

代数学複素数極形式複素数の演算
2025/6/9

1. 問題の内容

問題は以下の通りです。
(1) 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。
* ア. α=1+3i\alpha = 1 + \sqrt{3}i, β=2+2i\beta = 2 + 2i
* イ. α=23+2i\alpha = -2\sqrt{3} + 2i, β=1+i\beta = -1 + i
(2) 次の複素数を極形式で表す。
* ア. 4+3i1+7i\frac{4+3i}{1+7i}
* イ. 3+1i1+i\sqrt{3} + \frac{1-i}{1+i}
* ウ. 4(cosπ6+isinπ6)-4\left(\cos\frac{\pi}{6} + i\sin\frac{\pi}{6}\right)

2. 解き方の手順

(1) 複素数 α\alphaβ\beta を極形式で表す。α=r1(cosθ1+isinθ1)\alpha = r_1(\cos\theta_1 + i\sin\theta_1), β=r2(cosθ2+isinθ2)\beta = r_2(\cos\theta_2 + i\sin\theta_2)とする。
αβ=r1r2(cos(θ1+θ2)+isin(θ1+θ2))\alpha\beta = r_1r_2(\cos(\theta_1+\theta_2) + i\sin(\theta_1+\theta_2))
αβ=r1r2(cos(θ1θ2)+isin(θ1θ2))\frac{\alpha}{\beta} = \frac{r_1}{r_2}(\cos(\theta_1-\theta_2) + i\sin(\theta_1-\theta_2))
* ア.
α=1+3i\alpha = 1 + \sqrt{3}i
r1=12+(3)2=1+3=2r_1 = \sqrt{1^2 + (\sqrt{3})^2} = \sqrt{1+3} = 2
θ1=arctan(31)=π3\theta_1 = \arctan\left(\frac{\sqrt{3}}{1}\right) = \frac{\pi}{3}
α=2(cosπ3+isinπ3)\alpha = 2\left(\cos\frac{\pi}{3} + i\sin\frac{\pi}{3}\right)
β=2+2i\beta = 2 + 2i
r2=22+22=8=22r_2 = \sqrt{2^2 + 2^2} = \sqrt{8} = 2\sqrt{2}
θ2=arctan(22)=arctan(1)=π4\theta_2 = \arctan\left(\frac{2}{2}\right) = \arctan(1) = \frac{\pi}{4}
β=22(cosπ4+isinπ4)\beta = 2\sqrt{2}\left(\cos\frac{\pi}{4} + i\sin\frac{\pi}{4}\right)
αβ=2(22)(cos(π3+π4)+isin(π3+π4))=42(cos7π12+isin7π12)\alpha\beta = 2(2\sqrt{2})\left(\cos\left(\frac{\pi}{3}+\frac{\pi}{4}\right) + i\sin\left(\frac{\pi}{3}+\frac{\pi}{4}\right)\right) = 4\sqrt{2}\left(\cos\frac{7\pi}{12} + i\sin\frac{7\pi}{12}\right)
αβ=222(cos(π3π4)+isin(π3π4))=12(cosπ12+isinπ12)=22(cosπ12+isinπ12)\frac{\alpha}{\beta} = \frac{2}{2\sqrt{2}}\left(\cos\left(\frac{\pi}{3}-\frac{\pi}{4}\right) + i\sin\left(\frac{\pi}{3}-\frac{\pi}{4}\right)\right) = \frac{1}{\sqrt{2}}\left(\cos\frac{\pi}{12} + i\sin\frac{\pi}{12}\right) = \frac{\sqrt{2}}{2}\left(\cos\frac{\pi}{12} + i\sin\frac{\pi}{12}\right)
* イ.
α=23+2i\alpha = -2\sqrt{3} + 2i
r1=(23)2+22=12+4=16=4r_1 = \sqrt{(-2\sqrt{3})^2 + 2^2} = \sqrt{12+4} = \sqrt{16} = 4
θ1=arctan(223)+π=arctan(13)+π=π6+π=5π6\theta_1 = \arctan\left(\frac{2}{-2\sqrt{3}}\right) + \pi = \arctan\left(-\frac{1}{\sqrt{3}}\right) + \pi = -\frac{\pi}{6} + \pi = \frac{5\pi}{6}
α=4(cos5π6+isin5π6)\alpha = 4\left(\cos\frac{5\pi}{6} + i\sin\frac{5\pi}{6}\right)
β=1+i\beta = -1 + i
r2=(1)2+12=1+1=2r_2 = \sqrt{(-1)^2 + 1^2} = \sqrt{1+1} = \sqrt{2}
θ2=arctan(11)+π=π4+π=3π4\theta_2 = \arctan\left(\frac{1}{-1}\right) + \pi = -\frac{\pi}{4} + \pi = \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(5π6+3π4)+isin(5π6+3π4))=42(cos19π12+isin19π12)\alpha\beta = 4\sqrt{2}\left(\cos\left(\frac{5\pi}{6}+\frac{3\pi}{4}\right) + i\sin\left(\frac{5\pi}{6}+\frac{3\pi}{4}\right)\right) = 4\sqrt{2}\left(\cos\frac{19\pi}{12} + i\sin\frac{19\pi}{12}\right)
αβ=42(cos(5π63π4)+isin(5π63π4))=22(cosπ12+isinπ12)\frac{\alpha}{\beta} = \frac{4}{\sqrt{2}}\left(\cos\left(\frac{5\pi}{6}-\frac{3\pi}{4}\right) + i\sin\left(\frac{5\pi}{6}-\frac{3\pi}{4}\right)\right) = 2\sqrt{2}\left(\cos\frac{\pi}{12} + i\sin\frac{\pi}{12}\right)
(2)
* ア. 4+3i1+7i=(4+3i)(17i)(1+7i)(17i)=428i+3i21i2149i2=425i+211+49=2525i50=1212i\frac{4+3i}{1+7i} = \frac{(4+3i)(1-7i)}{(1+7i)(1-7i)} = \frac{4 - 28i + 3i - 21i^2}{1 - 49i^2} = \frac{4 - 25i + 21}{1 + 49} = \frac{25 - 25i}{50} = \frac{1}{2} - \frac{1}{2}i
r=(12)2+(12)2=14+14=12=22r = \sqrt{\left(\frac{1}{2}\right)^2 + \left(-\frac{1}{2}\right)^2} = \sqrt{\frac{1}{4} + \frac{1}{4}} = \sqrt{\frac{1}{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2}
θ=arctan(1/21/2)=arctan(1)=π4+2π=7π4\theta = \arctan\left(\frac{-1/2}{1/2}\right) = \arctan(-1) = -\frac{\pi}{4} + 2\pi = \frac{7\pi}{4}
4+3i1+7i=22(cos7π4+isin7π4)\frac{4+3i}{1+7i} = \frac{\sqrt{2}}{2}\left(\cos\frac{7\pi}{4} + i\sin\frac{7\pi}{4}\right)
* イ. 3+1i1+i=3+(1i)(1i)(1+i)(1i)=3+12i+i21i2=3+12i11+1=3+2i2=3i\sqrt{3} + \frac{1-i}{1+i} = \sqrt{3} + \frac{(1-i)(1-i)}{(1+i)(1-i)} = \sqrt{3} + \frac{1 - 2i + i^2}{1 - i^2} = \sqrt{3} + \frac{1 - 2i - 1}{1 + 1} = \sqrt{3} + \frac{-2i}{2} = \sqrt{3} - i
r=(3)2+(1)2=3+1=4=2r = \sqrt{(\sqrt{3})^2 + (-1)^2} = \sqrt{3+1} = \sqrt{4} = 2
θ=arctan(13)=π6+2π=11π6\theta = \arctan\left(\frac{-1}{\sqrt{3}}\right) = -\frac{\pi}{6} + 2\pi = \frac{11\pi}{6}
3+1i1+i=2(cos11π6+isin11π6)\sqrt{3} + \frac{1-i}{1+i} = 2\left(\cos\frac{11\pi}{6} + i\sin\frac{11\pi}{6}\right)
* ウ. 4(cosπ6+isinπ6)=4(cosπ6isinπ6)=4(cos(π+π6)+isin(π+π6))=4(cos7π6+isin7π6)-4\left(\cos\frac{\pi}{6} + i\sin\frac{\pi}{6}\right) = 4\left(-\cos\frac{\pi}{6} - i\sin\frac{\pi}{6}\right) = 4\left(\cos\left(\pi + \frac{\pi}{6}\right) + i\sin\left(\pi + \frac{\pi}{6}\right)\right) = 4\left(\cos\frac{7\pi}{6} + i\sin\frac{7\pi}{6}\right)

3. 最終的な答え

(1)
* ア. αβ=42(cos7π12+isin7π12)\alpha\beta = 4\sqrt{2}\left(\cos\frac{7\pi}{12} + i\sin\frac{7\pi}{12}\right), αβ=22(cosπ12+isinπ12)\frac{\alpha}{\beta} = \frac{\sqrt{2}}{2}\left(\cos\frac{\pi}{12} + i\sin\frac{\pi}{12}\right)
* イ. αβ=42(cos19π12+isin19π12)\alpha\beta = 4\sqrt{2}\left(\cos\frac{19\pi}{12} + i\sin\frac{19\pi}{12}\right), αβ=22(cosπ12+isinπ12)\frac{\alpha}{\beta} = 2\sqrt{2}\left(\cos\frac{\pi}{12} + i\sin\frac{\pi}{12}\right)
(2)
* ア. 4+3i1+7i=22(cos7π4+isin7π4)\frac{4+3i}{1+7i} = \frac{\sqrt{2}}{2}\left(\cos\frac{7\pi}{4} + i\sin\frac{7\pi}{4}\right)
* イ. 3+1i1+i=2(cos11π6+isin11π6)\sqrt{3} + \frac{1-i}{1+i} = 2\left(\cos\frac{11\pi}{6} + i\sin\frac{11\pi}{6}\right)
* ウ. 4(cosπ6+isinπ6)=4(cos7π6+isin7π6)-4\left(\cos\frac{\pi}{6} + i\sin\frac{\pi}{6}\right) = 4\left(\cos\frac{7\pi}{6} + i\sin\frac{7\pi}{6}\right)

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