复习
复数的三种形式
- 代数形式:z=a+bi(a,b∈R),a=ℜ(z),b=ℑ(z)
- 三角形式:z=r(cosθ+isinθ),(r≥0)
- arg(z)∈[0,2π)表示幅角主值,Arg(z)∈R表示幅角
- z1z2=r1r2[cos(θ1+θ2)+isin(θ1+θ2)
- z2z1=r2r1[cos(θ1−θ2)+isin(θ1−θ2)
- zn=rn(cosnθ+isinnθ)
- nz=nr(cosnθ+2kπ+isinnθ+2kπ),k=0,1,2,...,n−1
- 指数形式:eiθ=cosθ+isinθ
复数的应用
- S△=21∣Im(z1z2+z2z3+z3z1)∣
- 四点共圆的充要条件:z4−z1z3−z1:z4−z2z3−z2∈R
- △z1z2z3,△w1w2w3相似的充要条件:z2−z1z3−z2=w2−w1w3−w2
刷题
例1
若z∈C,∣z−2∣≤1,求∣z∣的最大和最小值,和arg(z)的范围
解:z在复平面内代表的点在圆心为(2,0),半径为1的圆上.
由于有∣∣z∣−2∣≤∣z−2∣≤∣z∣+∣2∣:
所以−1≤∣z∣−2≤1,1≤∣z∣≤3
由数形结合,arg(z)∈[0,6π]∪[611π,2π)
例2
复数z满足arg(z+3)=56π,求min∣z+6∣+∣z−3i∣.
解:易知arg(z+3)=56π表示的轨迹为y=−21(x+3)(x<−3)
所求∣z+6∣+∣z−3i∣相当于z在复平面内对应点到(−6,0),(0,3)的距离之和.
显然min∣z+6∣+∣z−3i∣=62+32=35(两点之间线段最短).
例3
已知∣z−2i∣≤1,求maxarg(z−4i) 显然maxarg(z−4i)=35π
例4
已知直线l过坐标原点,抛物线C的顶点在原点,焦点在x轴正半轴上,若点A(−1,0)和B(0,8)关于l的对称点都在C上,求直线l与抛物线C的方程.
设抛物线C:y2=2px(p>0),直线l:y=kx.
如果考虑算出对称点坐标后带入抛物线,则计算极繁.
我们建立复平面,设OA′,OB′对应复数x1+y1i,x2+y2i.
显然OA′⊥OB′,∣OA′∣=1,∣OB′∣=8
因此x2+y2i=8i(x1+y1),于是{x2=−8y1,y2=8x1
把A′,B′带入抛物线:
y12=2px1(1)y22=2px2(2)x2=−8y1(3)y2=8x1(4)(3)(4)(1)(2):−y1y2=4p2(1)(4):y12=4py2y1=−p,y2=4px1=2px12+y12=(2p)2+p2=1,p=525C:y2=545x
下求直线方程:
x1=55,y1=−525−k1=x1−(−1)y1−0k=−y1x1+1=p2p+1=21+5l:y=21+5x
例5
若点A(3,0),B在椭圆4x2+y2=1上,点A,B,C三点按顺时针方向排列,且△ABC为正三角形,求点C的轨迹.
设C(x,y),则由几何关系[(x−3)+yi](cos60∘+isin60∘)=(xB−3)+yBi
则{xB=3+2x−3−23y=2x−3y+3yB=23(x−3)+2y=23x+y−33
带入椭圆方程: (2x−3y+3)2+4(23x+y−33)2=4
进一步化简系数:
(x−3y+3)2+4(3x+y−33)2=16
例6
设 x,y∈R, z1=2−3x+xi, z2=3y−1+(3−y)i,已知 ∣z1∣=∣z2∣,argz2z1=2π,
(1) 求 (2z1+z2)100
(2) 设 z=2z1+z2,求集合 A={x∣x=z2k+z−2k,k∈Z} 中元素的个数。
(1)
因为arg(z2z1)=2π,∣z1∣=∣z2∣
所以z1=iz2
(2−3x)+xi=i[(3y−1)+(3−y)i]
得:{2−3x=y−3,x=3y−1
解得:{x=21+3y=21+3
所以有:{z1=21−3+21+3iz2=21+3+23−1i
于是:(2z1+z2)100=(21+23i)100=(cos60∘+isin60∘)100=cos6000∘+isin6000∘=cos240∘+isin240∘=−21−23i
考虑(21+23i)3=−1计算更简便.
(2)
x=z2k+z−2k=(cos60∘+isin60∘)2k+(cos60∘+isin60∘)−2k=2cos(120k)∘ 考虑到k∈Z,可能的x=2cos(120k)有2个.∣A∣=2
令ω=−21+23i
有z=−w
x=z2k+z−2k=(−ω)2k+(−ω)−2k=(ω)2k+(ω)−2k=ωk+ω−k
考虑k=3m,3m+1,3m+2,得到x有两个可能值.
例7
设复数 z=cosθ+isinθ(0<θ<π), w=1+z41−(z)4,并且 ∣w∣=33, argw<2π,求 θ。
w=(1+cos4θ)+isin4θ(1−cos4θ)+isin4θ=2cos22θ+2sin2θcos2θi2sin22θ+2sin2θcos2θi=tan2θcos2θ+isin2θsin2θ+icos2θ=tan2θcos2θ+isin2θcos(2π−2θ)+isin(2π−2θ)=tan2θ[cos(2π−4θ)+isin(2π−4θ)]
要求:∣tan2θ∣=∣w∣=33,2θ=±61π+kπ
情况1
tan2θ=33θ=121π or 127π w=33(cos6π+isin6π),arg(w)=3π<2π
情况2
tan2θ=−33θ=125π or 1211π w=−33(cos65π+isin65π)=33(cos611π+isin611π)arg(w)>2π
综上,θ=121π or 127π
例8
证明:cos7π−cos72π+cos73π=21
构造一个方程:z7−1=0
由棣莫弗公式:zk=cos72kπ+isin72kπ,k=0,1,2,...,6
根据韦达定理:z0+z1+z2+...+z6=0
实部等于0:
1+cos72π+cos74π+cos76π+cos78π+cos710π+cos712π=1−2(cos7π−cos72π+cos73π)=0
Q.E.D
如果考虑使用三角恒等变换:
cos7π−cos72π+cos73π=cos7π+cos73π+cos75π
对于同名等差角的三角函数求和,解决方法是:乘以差角的一半的正弦的2倍
2sin7π(cos7π+cos73π+cos75π)=sin72π+sin0+sin74π−sin7−2π+sin76π−sin74π=sin7π
Q.E.D
例9
化简 cosx+cos3x+cos5x+⋯+cos(2n−1)xsinx+sin3x+sin5x+⋯+sin(2n−1)x.
cosx+cos3x+cos5x+⋯+cos(2n−1)xsinx+sin3x+sin5x+⋯+sin(2n−1)x=2sinx[cosx+cos3x+cos5x+⋯+cos(2n−1)x]2sinx[sinx+sin3x+sin5x+⋯+sin(2n−1)x]=(sin2x−sin0)+(sin4x−sin2x)+(sin6x−sin4x)+...+(sin2nx−sin(2n−2)x)−[(cos2x−cos0)+(cos4x−cos2x)+(cos6x−cos4x)+...+(cos2nx−cos(2n−2)x]=sin2nx1−cos2nx=2sinnxcosnx2sin2nx=tannx
考虑复数的做法:令z=cosx+isinx
于是有:{cosnx=2zn+zn,sinnx=2izn−zn
所以分子:
sinx+sin3x+sin5x+⋯+sin(2n−1)x=2i1[(z+z3+...+z2n−1)−(z+z3+...+z2n−1)]=2i1[z2−1z2n+1−z−z2−1z2n+1−z]=2i1[z2−zzz2n+1−z−z2−zzz2n+1−z]=2i1[z−z(z2n−1)+(z2n−1)]=2i1z−z(zn−zn)2=(2izn−zn)2z−z2i=sinxsin2nx
同理分母:
cosx+cos3x+cos5x+⋯+cos(2n−1)x=21[(z+z3+...+z2n−1)+(z+z3+...+z2n−1)]=21[z−z(z2n−1)−(z2n−1)]=21[z−z(zn+zn)(zn−zn)]=(2zn+zn)(2zn−zn)(z−z2i)=sinxsinnxcosnx
相除即得到tannx
例10
熟知:tan2α=sinα1−cosα=1+cosαsinα
使用合分比定理:
1+sinα+cosα1+sinα−cosα=tan2α
1+sinα+2cosα1+2sinα−cosα=tan2α
2+3sinα+2cosα3+2sinα−3cosα=tan2α