Loading...
 

Równania w zbiorze liczb zespolonych


Rozwiążemy równanie:
\( (z+\overline{z})+i(z-\overline{z})+z=2i-6 \)

z niewiadomą \( z\in \mathbb{C}. \)
Do rozwiązania zastosujemy postać algebraiczną liczby \( z \).

Niech zatem \( z=x+iy \), gdzie \( x,y\in\mathbb{R} \). Otrzymujemy:

\( (x+iy+x-iy)+i(x+iy-(x-iy))+x+iy=2i-6. \)

Stąd:

\( 2x+i(2iy)+x+iy=2i-6 \Rightarrow 3x-2y+iy=2i-6. \)

Porównując części rzeczywiste i urojone prawej i lewej strony równania otrzymujemy układ równań:

\( \left\{ \begin{array}{l} 3x-2y=-6\\ y=2 \end{array} \right., \)

którego rozwiązaniem jest

\( \left\{ \begin{array}{l} x=-\frac{2}{3}\\ y=2 \end{array} \right.. \)
Rozwiązaniem równania jest więc liczba \( z=-\frac{2}{3}+2i \).

Rozwiążemy równanie
\( 2z^{2}-2z+1=0. \)

Do rozwiązania zastosujemy wzory na pierwiastki równania kwadratowego.
Mamy:

\( \Delta=(-2)^{2}-4\cdot 2\cdot 1=4-8=-4=4i^{2}, \)

skąd \( \sqrt{\Delta}=\sqrt{4i^{2}}=2i \) lub \( \sqrt{\Delta}=-2i. \)

Do obliczenia rozwiązań równania wystarczy użyć jednego z wyliczonych powyżej pierwiastków z \( \Delta \), w tym przypadku przyjmiemy \( \sqrt{\Delta}=2i \). Mamy zatem:

\( z_{1}=\frac{2-2i}{4}=\frac{1}{2}-\frac{1}{2}i, \)

oraz

\( z_{2}=\frac{2+2i}{4}=\frac{1}{2}+\frac{1}{2}i. \)
Łatwo sprawdzić, że podstawiając do wzorów \( \sqrt{\Delta}=-2i \) otrzymamy taki sam zbiór pierwiastków wyjściowego równania.

Rozwiążemy równanie:
\( z^{4}=(1-i)^{4}. \)

Na podstawie definicji pierwiastków zespolonych wnioskujemy, że zbiór rozwiązań równania pokrywa się ze zbiorem pierwiastków stopnia \( 4 \) z liczby \( (1-i)^{4} \). Zatem \( z_{0},z_{1},z_{2},z_{3} \) są rozwiązaniami wyjściowego równania wtedy i tylko wtedy, gdy \( z_{0},z_{1},z_{2},z_{3}\in \{ \sqrt[4]{(1-i)^{4}} \}. \)

Łatwo stwierdzamy, że jedną z takich liczb jest \( 1-i \). Przyjmijmy wobec tego

\( z_{0}= 1-i. \)


Pozostałe rozwiązania obliczymy wykorzystując \( z_{0} \). Mamy:

\( z_{1}=z_{0}\left(\cos\frac{2\pi}{4}+i\sin\frac{2\pi}{4}\right)=(1-i)(0+i)=i-i^{2}=1+i; \)
\( z_{2}=z_{0}\left(\cos\frac{4\pi}{4}+i\sin\frac{4\pi}{4}\right)=(1-i)(-1+0i)=-1+i; \)
\( z_{3}=z_{0}\left(\cos\frac{6\pi}{4}+i\sin\frac{6\pi}{4}\right)=(1-i)(0-i)=-i+i^{2}=-1-i. \)

Ostatecznie więc zbiorem rozwiązań równania jest

\( \{1-i,1+i,-1-i,-1+i\}. \)

Pojęcie pierwiastka stopnia \( n \) z liczby zespolonej \( z \) różni się istotnie od pojęcia pierwiastka stopnia \( n \) z liczby rzeczywistej. Zatem prawa potęg analogiczne jak w zbiorze liczb rzeczywistych, w dziedzinie zespolonej dotyczą tylko wykładników całkowitych, ale nie wymiernych.

Przykład 4:


Rozwiążemy równanie

\( \overline{z}^{4}=z^{2}|z^{2}|. \)

Do rozwiązania zastosujemy postać wykładniczą liczby \( z \).
Zauważmy najpierw, że liczba \( z=0 \) spełnia równanie \( \overline{z}^{4}=z^{2}|z^{2}| \). Niech teraz \( z=re^{i\varphi} \), gdzie \( r>0 \), \( \varphi\in [0,2\pi). \)
Wówczas \( \overline{z}=re^{-i\varphi} \), skąd \( \overline{z}^{4}=r^{4}e^{-4i\varphi} \).
Po prawej stronie równania mamy tymczasem \( z^{2}=r^{2}e^{2i\varphi} \) oraz \( |z^{2}|=r^{2} \).
Porównując prawą i lewą stronę równania otrzymujemy

\( \overline{z}^{4}=z^{2}|z^{2}| \Leftrightarrow r^{4}e^{-4i\varphi}=r^{2}e^{2i\varphi}\cdot r^{2} \Leftrightarrow r^{4}e^{-4i\varphi}=r^{4}e^{2i\varphi} \)
\( \Leftrightarrow \left\{\begin{array}{rll}r^{4}&=&r^{4}\\-4\varphi&=&2\varphi+2k\pi, k\in\mathbb{Z}\end{array}\right.\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{lll}r\in \mathbb{R}\\ \varphi=\frac{m\pi}{3}, m=0,1,2,3,4,5\end{array}\right. \)

Rozwiązaniami równania są zatem liczby leżące na półprostych o początku w punkcie \( 0 \), nachylonych do osi rzeczywistej pod kątem \( 0, \frac{\pi}{3}, \frac{2\pi}{3}, \pi, \frac{4\pi}{3}, \frac{5\pi}{3} \).


Ostatnio zmieniona Czwartek 23 z Czerwiec, 2022 20:55:13 UTC Autor: Agnieszka Kowalik
Zaloguj się/Zarejestruj w OPEN AGH e-podręczniki
Czy masz już hasło?

Hasło powinno mieć przynajmniej 8 znaków, litery i cyfry oraz co najmniej jeden znak specjalny.

Przypominanie hasła

Wprowadź swój adres e-mail, abyśmy mogli przesłać Ci informację o nowym haśle.
Dziękujemy za rejestrację!
Na wskazany w rejestracji adres został wysłany e-mail z linkiem aktywacyjnym.
Wprowadzone hasło/login są błędne.