角の2等分線と複素数

複素数を用いた角の2等分線の方向の表し方です。

 

・角の2等分線の方向を表す複素数
複素数平面上に1直線上にない3点\(A(α),B(β),C(γ)\)があり、\(\angle ABC\)の2等分線を考えます。

複素数 角の2等分線

ベクトルを用いると \(\angle ABC\) の2等分線の方向ベクトルの向きは、2つの単位ベクトル \(\displaystyle\frac{\overrightarrow{BA}}{|\overrightarrow{BA}|},\ \displaystyle\frac{\overrightarrow{BC}}{|\overrightarrow{BC}|}\) で作られる平行四辺形(ひし形)の対角線の方向となるので、角の2等分線の方向ベクトル\(\vec{w}\)の1つは

\(\vec{w}=\displaystyle\frac{\overrightarrow{BA}}{|\overrightarrow{BA}|}+ \displaystyle\frac{\overrightarrow{BC}}{|\overrightarrow{BC}|}\)

これを複素数に対応させると、角の2等分線の方向を表す複素数\(ω\)の1つは次のようになることが分かります。

\(ω=\displaystyle\frac{α-β}{|α-β|}+\displaystyle\frac{γ-β}{|γ-β|}\)

 

平行四辺形の2辺の長さが等しければよいので、別に単位ベクトルでなくてもよいのですが、大きさで割ることで簡単に求まるので単位ベクトルを用いています。

 

 

(例題)
複素数平面上で、3点 \(1+2i\)、\(2+i\)、\(4+2i\) を順に\(A,B,C\)とする。\(B\)を通る直線\(l\)があって、\(B\)を通り\(l\)に垂直な直線\(n\)は、\(\angle ABC\) を2等分している。

(1)直線\(n\)の方向を表す複素数を1つ求めよ。
(2)直線\(l\)の方向を表す複素数を1つ求めよ。
(3)直線\(l\)と実軸との交点を求めよ。

 

(解答)
(1)

複素数 角の2等分線 例題1

求める複素数を\(ω_1\)とすると
\(ω_1=\displaystyle\frac{(1+2i)-(2+i)}{|(1+2i)-(2+i)|}+\displaystyle\frac{(4+2i)-(2+i)}{|(4+2i)-(2+i)|}\)

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

\(=\displaystyle\frac{-1+i}{\sqrt{2}}+\displaystyle\frac{2+i}{\sqrt{5}}\)

(2)

\(l,n\)が直交していることから、\(ω_1\)を\(i\)倍すれば\(l\)の方向を表す複素数になります。(\(i\)で割ってもよい)

直線\(l,n\)は直交するので、\(l\)の方向を表す複素数を\(ω_2\)とすると
\(ω_2=iω_1\)
\(=\displaystyle\frac{-1-i}{\sqrt{2}}+\displaystyle\frac{-1+2i}{\sqrt{5}}\)

(3)

\(ω_2\)を使えば(分母が邪魔なので\(\sqrt{10}\)倍したものを使う)、直線\(l\)の方程式が求まるので、あとはこの方程式の解が実数になる条件を調べるだけです。方程式は今回は媒介変数を用いたものを利用したいと思います。
(共役複素数を利用した直線の方程式を利用する場合は、最後に実数条件 \(\bar{z}=z\) を使えばよい)

\(\sqrt{10}ω_2\)も\(l\)の方向を表す複素数であり

\(\sqrt{10}ω_2\)\(=\sqrt{5}(-1-i)+\sqrt{2}(-1+2i)\)
\(=-(\sqrt{2}+\sqrt{5})+(2\sqrt{2}-\sqrt{5})i\)
だから、直線\(l\)上にある複素数\(z\)は次のように表される。(\(k\)は実数)

\(z=(2+i)+k\{-(\sqrt{2}+\sqrt{5})+(2\sqrt{2}-\sqrt{5})i\}\)

\(=2-k(\sqrt{2}+\sqrt{5})+\{1+k(2\sqrt{2}-\sqrt{5})\}i\)・・・①

\(l\)と実軸の交点を表す複素数は実数だから、①より
\(1+k(2\sqrt{2}-\sqrt{5})=0\)
よって
\(k=\displaystyle\frac{-1}{2\sqrt{2}-\sqrt{5}}\)

したがって交点を表す複素数は①より
\(z=2+\displaystyle\frac{\sqrt{2}+\sqrt{5}}{2\sqrt{2}-\sqrt{5}}\)

\(=2+\displaystyle\frac{(\sqrt{2}+\sqrt{5})(2\sqrt{2}+\sqrt{5})}{3}\)

\(=2+\displaystyle\frac{9+3\sqrt{10}}{3}\)

\(=5+\sqrt{10}\)

 

 

 

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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