図形と複素数の対応関係

複素数の問題を図形的に処理する例題です。

図形問題を複素数で解くこともある一方、逆に複素数の問題を図形的に処理することもあります。図形と複素数平面は密接な関係があります。

 

(例題1)
複素数\(α,β\)が
\(|α|=|β|=|α-β|=1\)
を満たしている。

(1)\(|2β-α|\) の値を求めよ。
(2)\(\displaystyle\frac{β}{α}\) の値を求めよ。

 

数式処理することももちろんできますが(別解)、せっかくなので条件式が図形的に何を意味しているかに着目して解いてみます。

(1)

複素数平面 図形処理1

複素数平面上において\(A(α),B(β)\)とおくと
\(OA=OB=AB=1\)
だから、\(△OAB\)は1辺の長さが\(1\)の正三角形

\(C(2β)\)とおくと、\(C\)は\(OB\)の延長線にあり、\(OC=2\)。
\(|2β-α|\)は\(AC\)の長さだから、\(△OCA\)において余弦定理より

\(AC^2=OA^2+OC^2-2OA \cdot OC\cos\displaystyle\frac{π}{3}\)

\(=1+4-2\)

\(=3\)
より
\(|2β-α|=\sqrt{3}\)

(2)
(1)の図より
\(\displaystyle\frac{β}{α}=\cos(±\displaystyle\frac{π}{3})+i\sin(±\displaystyle\frac{π}{3})\)

\(=\displaystyle\frac{1±\sqrt{3}i}{2}\)

 

(別解)
(1)
\(|α|=|β|=|α-β|=1\)

\(|α-β|^2=1\) より
\(|α|^2-(α\bar{β}+\bar{α}β)+|β|^2=1\)
\(1-(α\bar{β}+\bar{α}β)+1=1\)
よって
\(α\bar{β}+\bar{α}β=1\)・・・①

ゆえに
\(|2β-α|^2\)
\(=4|β|^2-2(α\bar{β}+\bar{α}β)+|α|^2\)
\(=4-2+1\)
\(=3\)
だから
\(|2β-α|=\sqrt{3}\)

(2)
(1)より
\(α\bar{β}+\bar{α}β=1\)・・・①

\(|α|^2=|β|^2=1\) より
\(α\bar{α}=1\)、\(β\bar{β}=1\)
だから
\(\bar{α}=\displaystyle\frac{1}{α}\)、\(\bar{β}=\displaystyle\frac{1}{β}\)
これらを①代入して
\(\displaystyle\frac{α}{β}+\displaystyle\frac{β}{α}=1\)

\(\displaystyle\frac{β}{α}=t\) とおくと
\(\displaystyle\frac{1}{t}+t=1\)
\(t^2-t+1=0\)
したがって
\(\displaystyle\frac{β}{α}=\displaystyle\frac{1±\sqrt{3}i}{2}\)

 

 

 

 

(例題2)
点\(z\)が
\(|z+1-\sqrt{3}i|=\sqrt{2}\)
を満たす図形上を動くとき、\(z\)の偏角\(θ\)の範囲を求めよ。ただし、\(0≦θ<2π\) とする。

 

\(z\)は、点\(-1+\sqrt{3}i\) を中心とする半径\(\sqrt{2}\)の円周上を動きます。原点を通る円の接線(2本)を考えて図形的に処理します。

(解答)

複素数平面 図形処理2

\(|z-(-1+\sqrt{3}i)|=\sqrt{2}\)
より、\(z\)は \(A(-1+\sqrt{3}i)\) を中心とする半径\(\sqrt{2}\)の円周上を動く。
\(O\)から円に接線を引き、接点を\(T\)とおくと
\(OA=2\)、\(AT=\sqrt{2}\)、\(OT \perp AT\) より
\(\angle AOT=\displaystyle\frac{π}{4}\)

また、\(\arg(-1+\sqrt{3}i)=\displaystyle\frac{2π}{3}\) だから
\(θ\)の最小値は
\(θ=\displaystyle\frac{2π}{3}-\displaystyle\frac{π}{4}=\displaystyle\frac{5π}{12}\)
\(θ\)の最大値は
\(θ=\displaystyle\frac{2π}{3}+\displaystyle\frac{π}{4}=\displaystyle\frac{11π}{12}\)

したがって\(θ\)のとりうる範囲は
\(\displaystyle\frac{5π}{12}≦θ≦\displaystyle\frac{11π}{12}\)

 

 

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