与えられた複素数方程式を解きます。 (1) $z^2 = -1 + i$ (2) $z^3 = -2$ (3) $z^3 = -2 + 2i$

代数学複素数複素数方程式解の公式極形式
2025/6/25

1. 問題の内容

与えられた複素数方程式を解きます。
(1) z2=1+iz^2 = -1 + i
(2) z3=2z^3 = -2
(3) z3=2+2iz^3 = -2 + 2i

2. 解き方の手順

(1) z2=1+iz^2 = -1 + i
z=x+yiz = x + yiとおくと、
(x+yi)2=1+i(x + yi)^2 = -1 + i
x2y2+2xyi=1+ix^2 - y^2 + 2xyi = -1 + i
実部と虚部を比較して、
x2y2=1x^2 - y^2 = -1
2xy=12xy = 1
y=12xy = \frac{1}{2x}を代入して、
x214x2=1x^2 - \frac{1}{4x^2} = -1
4x4+4x21=04x^4 + 4x^2 - 1 = 0
x2=4±16+168=4±428=1±22x^2 = \frac{-4 \pm \sqrt{16 + 16}}{8} = \frac{-4 \pm 4\sqrt{2}}{8} = \frac{-1 \pm \sqrt{2}}{2}
x2>0x^2 > 0なので、x2=1+22x^2 = \frac{-1 + \sqrt{2}}{2}
x=±1+22x = \pm \sqrt{\frac{-1 + \sqrt{2}}{2}}
x=1+22x = \sqrt{\frac{-1 + \sqrt{2}}{2}}のとき、y=121+22=141+22=12(1+2)=12+22=2+224(21)=1+22y = \frac{1}{2\sqrt{\frac{-1 + \sqrt{2}}{2}}} = \sqrt{\frac{1}{4 \cdot \frac{-1 + \sqrt{2}}{2}}} = \sqrt{\frac{1}{2(-1+\sqrt{2})}} = \sqrt{\frac{1}{-2 + 2\sqrt{2}}} = \sqrt{\frac{2 + 2\sqrt{2}}{4(2-1)}} = \sqrt{\frac{1 + \sqrt{2}}{2}}
x=1+22x = -\sqrt{\frac{-1 + \sqrt{2}}{2}}のとき、y=1+22y = -\sqrt{\frac{1 + \sqrt{2}}{2}}
よって、
z=±(1+22+i1+22)z = \pm \left( \sqrt{\frac{-1 + \sqrt{2}}{2}} + i\sqrt{\frac{1 + \sqrt{2}}{2}} \right)
(2) z3=2z^3 = -2
z3=2eiπz^3 = 2e^{i\pi}
z=23eiπ+2kπ3z = \sqrt[3]{2} e^{i\frac{\pi + 2k\pi}{3}}, k=0,1,2k=0,1,2
z0=23eiπ3=23(cosπ3+isinπ3)=23(12+i32)z_0 = \sqrt[3]{2} e^{i\frac{\pi}{3}} = \sqrt[3]{2} \left( \cos \frac{\pi}{3} + i \sin \frac{\pi}{3} \right) = \sqrt[3]{2} \left( \frac{1}{2} + i \frac{\sqrt{3}}{2} \right)
z1=23eiπ+2π3=23eiπ=23(cosπ+isinπ)=23z_1 = \sqrt[3]{2} e^{i\frac{\pi + 2\pi}{3}} = \sqrt[3]{2} e^{i\pi} = \sqrt[3]{2}(\cos \pi + i \sin \pi) = -\sqrt[3]{2}
z2=23eiπ+4π3=23ei5π3=23(cos5π3+isin5π3)=23(12i32)z_2 = \sqrt[3]{2} e^{i\frac{\pi + 4\pi}{3}} = \sqrt[3]{2} e^{i\frac{5\pi}{3}} = \sqrt[3]{2} \left( \cos \frac{5\pi}{3} + i \sin \frac{5\pi}{3} \right) = \sqrt[3]{2} \left( \frac{1}{2} - i \frac{\sqrt{3}}{2} \right)
(3) z3=2+2iz^3 = -2 + 2i
z3=22ei3π4z^3 = 2\sqrt{2} e^{i\frac{3\pi}{4}}
z=223ei3π4+2kπ3z = \sqrt[3]{2\sqrt{2}} e^{i \frac{\frac{3\pi}{4} + 2k\pi}{3}}, k=0,1,2k=0,1,2
z=2ei(π4+2kπ3)z = \sqrt{2} e^{i (\frac{\pi}{4} + \frac{2k\pi}{3})}
z0=2eiπ4=2(22+i22)=1+iz_0 = \sqrt{2} e^{i \frac{\pi}{4}} = \sqrt{2} \left( \frac{\sqrt{2}}{2} + i \frac{\sqrt{2}}{2} \right) = 1 + i
z1=2ei(π4+2π3)=2ei11π12=2(cos11π12+isin11π12)z_1 = \sqrt{2} e^{i (\frac{\pi}{4} + \frac{2\pi}{3})} = \sqrt{2} e^{i \frac{11\pi}{12}} = \sqrt{2} \left( \cos \frac{11\pi}{12} + i \sin \frac{11\pi}{12} \right)
z2=2ei(π4+4π3)=2ei19π12=2(cos19π12+isin19π12)z_2 = \sqrt{2} e^{i (\frac{\pi}{4} + \frac{4\pi}{3})} = \sqrt{2} e^{i \frac{19\pi}{12}} = \sqrt{2} \left( \cos \frac{19\pi}{12} + i \sin \frac{19\pi}{12} \right)

3. 最終的な答え

(1) z=±(1+22+i1+22)z = \pm \left( \sqrt{\frac{-1 + \sqrt{2}}{2}} + i\sqrt{\frac{1 + \sqrt{2}}{2}} \right)
(2) z=23(12+i32),23,23(12i32)z = \sqrt[3]{2} \left( \frac{1}{2} + i \frac{\sqrt{3}}{2} \right), -\sqrt[3]{2}, \sqrt[3]{2} \left( \frac{1}{2} - i \frac{\sqrt{3}}{2} \right)
(3) z=1+i,2ei11π12,2ei19π12z = 1 + i, \sqrt{2} e^{i \frac{11\pi}{12}}, \sqrt{2} e^{i \frac{19\pi}{12}}

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