複素数平面と三角関数

複素数の積・商や極形式の三角関数要素が強い例題について見ていきます。

 

(例題1)
\(\displaystyle\frac{\sqrt{3}+i}{1-i}\) の結果を利用して、\(\cos75°\) の値を求めよ。

 

2通りに計算します。
まずは分母分子を極形式にすると、商は偏角の差をとることになるので \(30°-(-45°)=75°\)。
また分母を実数化して普通に計算してそれぞれの結果を比較します。

(解答)
\(w=\displaystyle\frac{\sqrt{3}+i}{1-i}\)

\(=\displaystyle\frac{2(\cos30°+i\sin30°)}{\sqrt{2}\{\cos(-45°)+i\sin(-45°)\}}\)

\(=\sqrt{2}(\cos75°+i\sin75°)\)・・・①

また
\(w=\displaystyle\frac{(\sqrt{3}+i)(1+i)}{(1-i)(1+i)}\)

\(=\displaystyle\frac{(\sqrt{3}-1)+(\sqrt{3}+1)i}{2}\)・・・②

①と②は等しいので、実部を比較して
\(\sqrt{2}\cos75°=\displaystyle\frac{\sqrt{3}-1}{2}\)

したがって
\(\cos75°=\displaystyle\frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{4}\)

(虚部を比較すれば\(\sin75°\)も求めることができる)

 

 

(例題2)
次の複素数を極形式で表せ。ただし偏角\(θ\)は \(0≦θ<2π\) とする。
(1)\(z=-\cosα+i\sinα\) (\(0<α<π\))
(2)\(z=\sinα+i\cosα\) (\(0<α<\displaystyle\frac{π}{2}\))
(3)\(z=\displaystyle\frac{1-\sinα+i\cosα}{1-\sinα-i\cosα}\) (\(0<α<\displaystyle\frac{π}{2}\))

(4)\(z=1-\cosα+i\sinα\) (\(0<α<π\))

 

いずれも目標は
\(z=r(\cosθ+i\sinθ)\)  (\(r>0\))
です。\(\cos,\sin\) の種類や、符号(\(+\))には注意します。
各\(α\)の範囲の設定により偏角はうまく \(0≦θ<2π\) に入るようになってますが、それの確認もしておきます。

(解答)
(1)
(\(\cos\)の符号を\(+\)にするために・・・)
\(z=-\cosα+i\sinα\)
\(=\cos(π-α)+i\sin(π-α)\) (\(0<α<π\) より \(0<π-α<π\))

(2)
(\(\cos,\sin\)が逆になっているので)
\(z=\sinα+i\cosα\)
\(=\cos(\displaystyle\frac{π}{2}-α)+i\sin(\displaystyle\frac{π}{2}-α)\) (\(0<α<\displaystyle\frac{π}{2}\) より \(0<\displaystyle\frac{π}{2}-α<\displaystyle\frac{π}{2}\))

(3)

分母分子を極形式にすることを考えますが、大変そうです。
そこでまずは基本通り分母を実数化をしてみます。

\(z=\displaystyle\frac{1-\sinα+i\cosα}{1-\sinα-i\cosα}\)

\(=\displaystyle\frac{(1-\sinα+i\cosα)^2}{(1-\sinα-i\cosα)(1-\sinα+i\cosα)}\)

\(=\displaystyle\frac{(1-\sinα+i\cosα)^2}{(1-\sinα)^2+\cos^2α}\)

\(=\displaystyle\frac{(1+\sin^2α-\cos^2α-2\sinα)+2\cosα(1-\sinα)i}{1-2\sinα+\sin^2α+\cos^2α}\)

\(=\displaystyle\frac{(1+\sin^2α-1+\sin^2α-2\sinα)+2\cosα(1-\sinα)i}{2(1-\sinα)}\)

\(=\displaystyle\frac{2\sinα(\sinα-1)+2\cosα(1-\sinα)i}{2(1-\sinα)}\)

(\(0<α<\displaystyle\frac{π}{2}\) より \(\sinα≠1\) だから)

\(=-\sinα+i\cosα\)

(極形式の形に合わせるために、\(\displaystyle\frac{π}{2}+θ\) の公式を利用して)

\(=\cos(\displaystyle\frac{π}{2}+α)+i\sin(\displaystyle\frac{π}{2}+α)\) (\(\displaystyle\frac{π}{2}<\displaystyle\frac{π}{2}+α<π\))

 

(4)
(2倍角(半角)の公式を使うと)
\(z=1-\cosα+i\sinα\)
\(=2\sin^2\displaystyle\frac{α}{2}+2i\sin\displaystyle\frac{α}{2}\cos\displaystyle\frac{α}{2}\)
\(=2\sin\displaystyle\frac{α}{2}(\sin\displaystyle\frac{α}{2}+i\cos\displaystyle\frac{α}{2})\)
(極形式の形に合わせて)
\(=2\sin\displaystyle\frac{α}{2}\left\{\cos(\displaystyle\frac{π}{2}-\displaystyle\frac{α}{2})+i\sin(\displaystyle\frac{π}{2}-\displaystyle\frac{α}{2})\right\}\)

(\(0<α<π\) より \(0<\displaystyle\frac{π}{2}-\displaystyle\frac{α}{2}<\displaystyle\frac{π}{2}\)
なお\(z\)の絶対値は、\(r=2\sin\displaystyle\frac{α}{2}\) となっている)

 

いずれにおいても、とりあえず \(r(\cosθ+i\sinθ)\) の形にして、もし偏角が範囲に入っていない場合には\(2nπ\)ズラして調整すればよいです。\(α\)の場合分けが必要になることもあります。

 

 

以上になります。お疲れさまでした。
ここまで見て頂きありがとうございました。
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