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数学C

複素数ふくそすう平面へいめん発展はってん (回転かいてん拡大かくだい)

最終確認日:

このしょうまなぶこと

数学すうがく II でまなんだ 複素数ふくそすう z=a+biz = a + bi (i2=1i^{2}=-1) を、 数学すうがく C では へいめんじょうてん としてけい的にあつかいます。 複素数ふくそすうざん平行へいこう移動いどうかけざん回転かいてん拡大かくだいたいおうし、 これまでの ベクトルべくとる1次変換いちじへんかん とはまたちが強力きょうりょくどうになります。

  • 複素数ふくそすうへいめんじょうてんとしてあらわ複素数平面ふくそすうへいめん
  • 共役複素数きょうやくふくそすう zˉ\bar{z}的意 (じつじくたいしょう)
  • 複素数ふくそすう絶対値ぜったいち z\lvert z\rvert偏角へんかく argz\arg z
  • 複素数ふくそすう加法かほう = 平行へいこう移動いどう乗法じょうほう = 回転かいてん + 拡大かくだい
  • さんかく不等ふとうしき z+wz+w\lvert z + w\rvert\le\lvert z\rvert+\lvert w\rvert

大事だいじ: 複素数ふくそすうたんなる 「1\sqrt{-1}」 ではなく、 へいめんじょうてんを 1 つのかずとしてあつかげん です。 この視点してん電気回路でんきかいろ (交流こうりゅうのフェーザ表示ひょうじ)、 量子力学りょうしりきがく (波動関数はどうかんすう)、 フラクタルふらくたる (マンデルブロ集合しゅうごう) など、 現代げんだい数学すうがく物理ぶつり工学こうがくばんとなるどうです。

1. 複素数ふくそすう平面へいめん

定義ていぎ

複素数ふくそすう z=a+biz = a + bi (a,bRa, b\in\mathbb{R}) を、 へいめんじょうの点(a,b)(a, b)たいおうさせたものを 複素数平面ふくそすうへいめん (ガウス平面がうすへいめんアルガン平面アルガンへいめん) とびます。

ようたいおう
じつじく (xx軸)実数じっすうaa
うろじく (yy軸)虚部きょぶbb
げんてん00
11(1,0)(1, 0)
ii(0,1)(0, 1)

れい

複素数ふくそすうへいめんじょうてん
3+2i3 + 2i(3,2)(3, 2)
1+4i-1 + 4i(1,4)(-1, 4)
2i-2i(0,2)(0, -2)

2. 共役きょうやく複素数ふくそすう

定義ていぎ

z=a+biz = a + bi共役複素数きょうやくふくそすう

zˉ=abi\bar{z} = a - bi

複素数平面ふくそすうへいめんでは じつじくかんするたいしょう移動いどうそうとうします。

性質せいしつ

せいしつしき
z+w=zˉ+wˉ\overline{z+w} = \bar{z}+\bar{w}
つむzw=zˉwˉ\overline{zw} = \bar{z}\bar{w}
おおきさzzˉ=a2+b2=z2z\bar{z} = a^{2}+b^{2} = \lvert z\rvert^{2}
実数じっすう条件じょうけんz=zˉ    zRz = \bar{z} \iff z\in\mathbb{R}
じゅん虚数きょすう条件じょうけんz=zˉ    zz = -\bar{z} \iff zじゅん虚数きょすうまたは 00

3. 絶対ぜったいへんかく

絶対ぜったい

複素数ふくそすう z=a+biz = a + bi絶対値ぜったいち は、 げんてんからのきょ

z=a2+b2\lvert z\rvert = \sqrt{a^{2}+b^{2}}

へんかく

z0z\neq 0 のとき、 じつじくからはん時計とけいまわりにはかったかく偏角へんかく argz=θ\arg z = \thetaいます。

関係かんけいしき
ちょっこう形 → さんかくa=zcosθ, b=zsinθa = \lvert z\rvert\cos\theta,\ b = \lvert z\rvert\sin\theta
三角形さんかくけいちょっこうz=z(cosθ+isinθ)z = \lvert z\rvert(\cos\theta + i\sin\theta)

最後さいごかたち極形式きょくけいしきび、 だい 9 しょうくわしくまなびます。

例題れいだい 1

z=1+3iz = 1 + \sqrt{3}i絶対値ぜったいち偏角へんかくもとめよ。

かい: z=1+3=2\lvert z\rvert = \sqrt{1+3} = 2tanθ=3\tan\theta = \sqrt{3}zzだい 1 象限しょうげんだから θ=π/3\theta = \pi/3

4. 加法かほう = 平行へいこう移動いどう

ベクトルとしての解釈かいしゃく

複素数ふくそすうzzげんてんてんとするベクトルると、 和z+wz + w はベクトルの (平行四辺形へいこうしへんけいほうそく) といっします。

えんざん的意
z+wz + wzzww だけ 平行へいこう移動いどう
zwz - www から zz へのベクトル
zw\lvert z - w\rvert2 点z,wz, w間の 距離きょり

三角さんかく不等式ふとうしき

平面へいめんベクトルとおなじく

z+wz+w\lvert z + w\rvert \le \lvert z\rvert + \lvert w\rvert

(等号とうごうz,wz, wおなきのとき)

5. 乗法じょうほう = 回転かいてん + 拡大かくだい

1 つの大事だいじ定理ていり

2 つの複素数ふくそすう極形式きょくけいしき z1=r1(cosθ1+isinθ1)z_1 = r_1(\cos\theta_1 + i\sin\theta_1), z2=r2(cosθ2+isinθ2)z_2 = r_2(\cos\theta_2 + i\sin\theta_2)あらわすと、 せき

z1z2=r1r2{cos(θ1+θ2)+isin(θ1+θ2)}z_1 z_2 = r_1 r_2\{\cos(\theta_1 + \theta_2) + i\sin(\theta_1 + \theta_2)\}

つまり

ようけっ
絶対値ぜったいちかけざん (r1r2r_1 \cdot r_2)
偏角へんかくざん (θ1+θ2\theta_1 + \theta_2)

幾何きかてき解釈かいしゃく

zzw=r(cosθ+isinθ)w = r(\cos\theta + i\sin\theta) をかけると、 zzθ\theta だけげんてん中心ちゅうしん回転かいてん し、 さらに rr倍に拡大かくだい されます。

とくに、

乗数じょうすうそう
ii90°90° 回転かいてん
1-1180°180° 回転かいてん
i-i90°-90° 回転かいてん (時計とけいまわ90°90°)
cosθ+isinθ\cos\theta + i\sin\thetaθ\theta 回転かいてん
rr (実数じっすう)rrばい拡大かくだい

例題れいだい 2

z=2+3iz = 2 + 3iげんてん中心ちゅうしん90°90°かいてんせよ。

かい: ii をかけるだけ。 iz=i(2+3i)=3+2iiz = i(2 + 3i) = -3 + 2i

例題れいだい 3

z=1+iz = 1 + iげんてん中心ちゅうしん60°60°かいてんし、 さらに 2 ばいかくだいせよ。

かい: じょうずるかずw=2(cos60°+isin60°)=1+3iw = 2(\cos 60° + i\sin 60°) = 1 + \sqrt{3}i

wz=(1+3i)(1+i)=1+i+3i+3i2=(13)+(1+3)iwz = (1+\sqrt{3}i)(1+i) = 1 + i + \sqrt{3}i + \sqrt{3}i^{2} = (1-\sqrt{3}) + (1+\sqrt{3})i

6. しょう共役きょうやく

除法じょほうへんかく絶対ぜったい

z1z2\dfrac{z_1}{z_2} (z20z_2\neq 0) では

ようけっ
絶対値ぜったいちr1/r2r_1 / r_2
偏角へんかくθ1θ2\theta_1 - \theta_2

つまり 「偏角へんかくざん」 「絶対値ぜったいちざん」。

計算けいさんルール (共役きょうやく使つかう)

z1z2\dfrac{z_1}{z_2}分母ぶんぼ分子ぶんしz2\overline{z_2} をかけて、 分母ぶんぼ実数じっすうします。

z1z2=z1z2z2z2=z1z2z22\frac{z_1}{z_2} = \frac{z_1\overline{z_2}}{z_2\overline{z_2}} = \frac{z_1\overline{z_2}}{\lvert z_2\rvert^{2}}

例題れいだい 4

1+2i3i\dfrac{1+2i}{3-i}a+bia+biかたちあらわせ。

かい: 分母ぶんぼ分子ぶんし3+i3+i をかける:

(1+2i)(3+i)(3i)(3+i)=3+i+6i+2i29+1=1+7i10=110+710i\frac{(1+2i)(3+i)}{(3-i)(3+i)} = \frac{3+i+6i+2i^{2}}{9+1} = \frac{1+7i}{10} = \frac{1}{10}+\frac{7}{10}i

7. 図形ずけいとのむすびつき

えん直線ちょくせん複素数ふくそすうあらわ

けい複素数ふくそすう表示ひょうじ
中心ちゅうしん α\alphaはんけい rrえんzα=r\lvert z - \alpha\rvert = r
α,β\alpha, \betaむす線分せんぶん垂直すいちょく等分とうぶんせんzα=zβ\lvert z - \alpha\rvert = \lvert z - \beta\rvert
α\alpha からのきょβ\beta からのきょk:1k:1せきzα=kzβ\lvert z - \alpha\rvert = k\lvert z - \beta\rvert (アポロニウスの円あぽろにうすのえん)

例題れいだい 5

z2=3\lvert z - 2\rvert = 3 はどのようなけいか。

かい: 中心ちゅうしん 22 (= じつじくじょうの点(2,0)(2,0))、 はんけい 33えん

8. 複素数ふくそすうちから — なぜ強力きょうりょく

1 つのかずで 「きとおおきさ」 を

実数じっすうやベクトルとくらべた複素数ふくそすうつよみをならべます。

どうおおきさえんざん
実数じっすうなしあり (ぜったいあたい)加減乗除かげんじょうじょ
へいめんベクトルべくとるありあり加減かげんないせきがいせき (せきはない)
複素数ふくそすうあり (へんかく)あり (絶対ぜったい)加減乗除かげんじょうじょ全部ぜんぶできる

ベクトルに 「かけざん」 をぜんがたれたのが複素数ふくそすう、 とえます。

物理ぶつり工学こうがくでの使つかかた

分野ぶんや複素数ふくそすうやくわり
電気回路でんきかいろ (交流こうりゅう)電圧でんあつ電流でんりゅうをフェーザ (VejωtVe^{j\omega t}) であらわし、 ぶんかけざん
量子力学りょうしりきがく波動関数はどうかんすう ψ\psi複素ふくそ確率かくりつψ2\lvert\psi\rvert^{2}
信号処理しんごうしょりフーリエ変換ふーりえへんかん複素数ふくそすう必須ひっすとする
フラクタルふらくたるマンデルブロ集合しゅうごうzz2+cz\to z^{2}+c

しょうへ: だい 9 しょう極形式きょくけいしき集中しゅうちゅうがくしゅうだい 10 しょうド・モアブルの定理どもあぶるのていり (znz^{n}けいさん) と nn乗根じょうこんまなびます。

しょうまつまとめ

  • 複素数平面ふくそすうへいめん: z=a+biz=a+bi \leftrightarrow(a,b)(a, b)
  • 共役きょうやく zˉ\bar{z} = じつじくたいしょうzzˉ=z2z\bar{z}=\lvert z\rvert^{2}
  • 絶対値ぜったいち z=a2+b2\lvert z\rvert = \sqrt{a^{2}+b^{2}}偏角へんかく argz\arg z
  • 加法かほう = 平行へいこう移動いどう乗法じょうほう = 回転かいてん + 拡大かくだい
  • ii をかける = 90°90° 回転かいてん
  • zα=r\lvert z-\alpha\rvert=r垂直すいちょく等分とうぶんせんzα=zβ\lvert z-\alpha\rvert=\lvert z-\beta\rvert
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