• Nem Talált Eredményt

Ellen˝ orz˝ o kérdések

In document Analízis és differenciálegyenletek (Pldal 93-122)

Hatványozás, gyökvonás, algebrai egyenletek

3.6. Ellen˝ orz˝ o kérdések

Start. Kattintson a Start-ra, a kvíz kitöltése után pedig a Stop-ra.

1.A(cos 3π+isin 3π)szám

valós tiszta képzetes zérus abszolút értéke3

2.A(−i)2003-ik hatványa

1 i −i −1

3.Azi2n+inkomplex szám zérus, hanértéke

2001 2002 2003 2004

4.Az:= cos2 +isin2 komplex szám valós és képzetes részeire teljesül, hogy:

Rez= 0, Imz >0 Rez <0, Imz >0 Rez <0, Imz <0 Rez= 0, Imz <0 5.Az(1 +i)4 hatvány értéke

1 + 4i −4 −4i 4

6.Az 1−i

1 +i komplex tört értéke

1 −1 −i i

7.Ha egyzkomplex számraz=−¯zteljesül, akkor szükségképp

valós tiszta képzetes |z|= 1 Imz= 0

8.Az

1 + 2i 1−2i

szám értéke

1 i 2i −1

9.A

1 +i

√ 2

2000

hatvány értéke

i 1 −i −1

10.A2·(cos 2007π+isin 2007π)komplex szám értéke

2007 −2007i −2 2i

Stop.

Pontok:

3.7. Feladatok

3-1. Feladat: Számítsuk ki az

1 +i+i2+i3+...+i2006 1−i+i2−i3+...+i2006 kifejezés értékét.

Megoldás: itt

3-2. Feladat: Végezzük el az alábbi osztásokat: (a) 2+5i1−4i, (b) 5+4i2+6i. Megoldás: itt

3-3. Feladat: Határozzuk meg az alábbi komplex számok trigonometrikus alakját:

(a)1 +i√

3, (b)√

3−i, (c)−2 + 2i.

Megoldás: itt

3-4. Feladat: „A Moivre-tétel szerint Kiszámítva azonban a bal oldalt:

√3 adódik. A jobb oldal ugyanakkori.” Hol a hiba a gondolatmenetben?

Megoldás: itt

3-5. Feladat: Legyenz:= cosπ3 +isinπ3. Számítsuk ki az z12 +1z + 1 +z+z2 összeget.

Megoldás: itt

3-6. Feladat: Számítsuk ki az (a)

2

3-8. Feladat: Mi lehet egy olyan komplex szám 5-ik hatványa, melynek 3-ik hatványa éppi?

Megoldás: itt

3-9. Feladat: Tekintsük az 1999z2 −19z+ 199 = 0 egyenletet, jelölje z1,z2 a két (komplex!) gyököt.

Mennyivel egyenl˝o

z1

z2

1999? Megoldás: itt

3-10. Feladat: Határozzuk meg mindazonzkomplex számokat, melyekrez3 =−zi3. Megoldás: itt

3-11. Feladat: Keressük meg az alábbi egyenlet összes komplex megoldását:z3−1 = z63. Megoldás: itt

3-12. Feladat: Keressük meg az z12 + 2z2= 2egyenlet összes komplex megoldását.

Megoldás: itt

3-13. Feladat: Legyenek0< x < πésn∈Ntetsz˝olegesek. Hozzuk zárt alakra az alábbi összeget:

1 + cosx+ cos 2x+ cos 3x+...+ cosnx.

Megoldás: itt

3-14. Feladat: Ha tudjuk, hogy(x+y) + (x−y)i= (1 +i)2+1

i, mivel egyenl˝o azxésyvalós szám?

Megoldás: itt

3-15. Feladat: Oldjuk meg az2−2z= 0egyenletet.

Megoldás: itt

3-16. Feladat: Vonjunk négyzetgyököt az=−5 + 12ikomplex számból.

Megoldás: itt

3-17. Feladat: Határozzuk meg(1 +i)7 trigonometrikus alakját.

Megoldás: itt

3-18. Feladat: Tekintsük a következ˝o komplex számokat:

z1 = 4(cos 45+isin 45), z2 = 4(cos 135+isin 135), z3= 2(cos 110+isin 110) Határozzuk meg z1+z2

z3 trigonometrikus alakját.

Megoldás: itt

3-19. Feladat: Oldjuk meg az6+z3−20 = 0egyenletet a komplex számok halmazán.

Megoldás: itt

3-20. Feladat: Oldjuk meg az4+iz2+ 12 = 0egyenletet a komplex számok halmazán.

Megoldás: itt

3-1Megoldás:

Figyelembe véve azi-hatványokra vonatkozó összefüggéseket:

1 +i+i2+i3 =i4+i5+i6+i7 =...= 0 és

1−i+i2−i3 =i4−i5+i6−i7=...= 0.

A számláló és a nevez˝o tagjait tehát négyesével csoportosíthatjuk. Egy-egy négyes csoport összege 0, innen 1 +i+i2+i3+...+i2006

1−i+i2−i3+...+i2006 = i2004+i2005+i2006

i2004−i2005+i2004 = 1 +i−1 1−i−1 =−1.

3-2Megoldás:

(a)

2 + 5i

1−4i = 2 + 5i

1−4i·1 + 4i

1 + 4i = −18 + 13i

1 + 16 =−18 17 +i13

17. (b)

5 + 4i

2 + 6i = 5 + 4i

2 + 6i·2−6i

2−6i = 34−22i 4 + 36 = 17

20−i11 20.

3-3Megoldás:

(a)

1 +i

√ 3 = 2

cosπ

3 +isinπ 3

.

(b) √

3−i= 2

cos11π

6 +isin11π 6

. (c)

−2 + 2i= 2√ 2

cos3π

4 +isin3π 4

.

3-4Megoldás:

A két oldal kiszámítása hibátlan, de a Moivre-tétel nem alkalmazható, mert a bal oldalon nem trigonometrikus alakú komplex számok állnak. Így a két oldal valóban nem egyenl˝o.

3-5Megoldás:

Vegyük észre, hogy (|z|= 1miatt)

1 z =z,

és 1

z2 =z2 =z2. Innen

1 z2 + 1

z+ 1 +z+z2= 1 + 2Rez+ 2Rez2= 1 + 2·1

2−2·1 2 = 1, mert

z2= cos2π

3 +isin2π 3 .

3-6Megoldás:

3-7Megoldás:

3-8Megoldás:

Azon komplex számok, melyek 3-ik hatványai, aziszám komplex köbgyökei, azaz a cosπ

6 +isinπ

6, cos5π

6 +isin5π

6 , cos9π

6 +isin9π 6 számok. Ezek 5-ik hatványai:

cos5π

6 +isin5π 6 , cos25π

6 +isin25π

6 = cosπ

6 +isinπ 6, és

cos45π

6 +isin45π

6 = cos3π

6 +isin3π 6 .

3-9Megoldás:

Az egyenlet megoldása nélkül: mivel az egyenletvalósegyütthatós, a diszkrimináns pedig negatív, a két komplex gyök egymás konjugáltja, így abszolút értékük megegyezik. Ezért

z1 z2

1999

= 1.

3-10Megoldás:

Az egyenlet ekvivalens az alábbival:

z6=−i= cos3π

2 +isin3π 2 . Innen

z= cos3π+ 4kπ

12 +isin3π+ 4kπ

12 (k= 0,1,2,3,4,5)

3-11Megoldás:

Az egyenlet ekvivalens az alábbival:

z6−z3−6 = 0.

3-12Megoldás:

Az egyenlet ekvivalens az alábbival:

2z4−2z2+ 1 = 0.

3-13Megoldás:

A feladat azt példázza, hogy bár most tiszta valós (trigonometrikus) kifejezések szerepelnek, komplex algebrai eszközökkel mégis célt érhetünk, s˝ot, jóval egyszer˝ubben, mint anélkül.

Vezessük be az:= cosx+isinxjelölést, akkor Rez= cosx, és

1 + cosx+ cos 2x+ cos 3x+...+ cosnx=Re(1 +z+z2+...+zn) A jobb oldalon egy véges mértani sor áll, melynek zárt alakban fel tudjuk írni az összegét:

1 +z+z2+...+zn= zn+1−1 z−1 =

zn+12

zn+12 −zn+12 z1/2 z1/2−z−1/2 Ámde tetsz˝oleges valós (nem feltétlen egész) kitev˝orezk = coskx+isinkx, és ezért

z−k= cos(−kx) +isin(−kx) = coskx−isinkx, ahonnan:zk−z−k = 2isinkx. Ezt felhasználva:

1 + cosx+ cos 2x+ cos 3x+...+ cosnx=zn/2·sinn+12 x sinx2 A jobb oldali tört értéke márvalós, és Rezn/2 = cosn2x. Innen végül azt kapjuk, hogy

1 + cosx+ cos 2x+ cos 3x+...+ cosnx=Re(1 +z+z2+...+zn) = cosn2x·sinn+12 x sin12x .

Megjegyezzük még, hogy a formula az0< x < πfeltétel miatt mindig értelmes, hiszen a nevez˝o ekkor nem lehet zérus. Megjegyezzük azt is, hogy a levezetésben3-11következménytnem egészkitev˝ok mellett

használtuk, melyet nem bizonyítottunk ugyan, de a Moivre-formulához hasonló módon igazolható: a részletekt˝ol eltekintünk.

3-14Megoldás:

Az egyenlet jobb oldalán végezzük el a m˝uveleteket, és írjuk fel az ott álló komplex számot algebrai alakban.

Számoljunk részletekben.

(1 +i)2 = 12+ 2i+i2= 1 + 2i−1 = 2i 1

i = 1·(−i)

i·(−i) = −i

02+ 12 = −i 1 =−i

(Az osztás elvégzésekor a nevez˝o konjugáltával b˝ovítettük a törtet. A nevez˝obeni= 0 +iállt, s ennek konjugáltával0−i=−i-vel b˝ovítettünk.)

Helyettesítsük be a részeredményeket az egyenletbe.

(x+y) + (x−y)i= 2i−i=i

Mivelxésyvalós számok, ezértx+yésx−yis valós szám. Az egyenlet bal oldalán tehát olyan komplex szám áll, melynek valós részex+y, s képzetes részex−y. Két komplex szám akkor és csakis akkor egyenl˝o, ha külön a valós, és a képzetes részeik is egyenl˝ok. A jobb oldal valós része0, képzetes része pedig1, hiszen i= 0 + 1·i. A(z egyetlen) komplex egyenletb˝ol így két egyenletb˝ol álló valós egyenletrendszert kapunk, amit egyszer˝u megoldani:

x+y= 0 x−y= 1

Összeadva a két egyenletet: 2x= 1, azazx= 1 2. Kivonva a két egyenletet: 2y=−1, azazy=−1 2. A feladat megoldása tehát: x= 1

2 ésy=−1 2.

3-15Megoldás:

Olyan egyenletet kell megoldanunk, amiben egy komplex ismeretlen, és annak konjugáltja is szerepel. Célszer˝u felírni általánosan az megoldás algebrai alakját, mert ebb˝ol felírható a konjugált is. Keressük tehát a megoldást z=a+bialakban, ahola,b∈Regyel˝ore ismeretlenek. Akkorz=a−bi. Visszahelyettesítve az egyenletbe:

(a+bi)2−2(a−bi) = 0 Elvégezve a négyzetre emelést:

a2+ 2abi+b2i2−2a+ 2bi= 0 ⇒ a2+ 2abi−b2−2a+ 2bi= 0 Csoportosítva a valós és tiszta képzetes számokat a bal oldalon:

(a2−b2−2a) + (2ab+ 2b)i= 0

Két komplex szám csak úgy lehet egyenl˝o, ha külön a valós részeik is, és külön a képzetes részeik is

megegyeznek. A jobb oldalon 0 áll: ennek valós és képzetes része is0. Így a(z egyetlen) komplex egyenletb˝ol egy kétismeretlenes valós egyenletrendszert kapunk:

a2−b2−2a= 0, 2ab+ 2b= 0

A második egyenlettel célszer˝u foglalkozni el˝obb, mert annak bal oldalán kiemelhet˝o egy2btényez˝o:

2b(a+ 1) = 0

Egy szorzat csak úgy lehet0, ha valamelyik tényez˝oje0. Így két eset fordulhat el˝o. Az els˝o esetbenb= 0, a másodikban pediga=−1. Innent˝ol tehát két ágon folytatódik a megoldás.

1. eset: b= 0.

Ezt helyettesítsük be a valós részek egyenl˝oségét leíró egyenletbe.

a2−02−2a= 0, azaza2−2a= 0.

Az egyenlet bal oldalánakiemelhet˝o:.

a(a−2) = 0

Ennek két megoldása van: a= 0, ésa= 2.

Ezután már felírhatjuk az egyenlet két megoldását. A megoldásokat célszer˝u indexeléssel megkülönböztetni.

Aza= 0ésb= 0számpárból kapjuk az1= 0 + 0i= 0megoldást.

Aza= 2ésb= 0számpárból pedig az2 = 2 + 0i= 2megoldást kapjuk.

2. eset: a=−1.

Ezt behelyettesítjük a valós részek egyenl˝oségét leíró egyenletbe.

(−1)2−b2−2(−1) = 0, azaz3−b2 = 0.

Ennek az egyenletnek két megoldása van: b=√

3ésb=−√ 3.

Ebben az esetben is két(a,b)számpárt kaptunk, amelyekb˝ol az egyenletnek további két megoldása írható fel.

Aza=−1ésb=√

3számpárból kapjuk az3 =−1 +√

3imegoldást.

Aza=−1ésb=−√

3számpárból pedig az4 =−1−√

3imegoldást kapjuk.

Végül tekintsük át az egyenlet összes megoldását. Négy darab megoldást kaptunk, melyek a következ˝ok:

z1= 0, z2 = 2, z3=−1 +√

3i, z4=−1−√ 3i

3-16Megoldás:

Olyanukomplex számo(ka)t kell keresnünk, amely(ek) négyzetez-vel egyenl˝o: u2 =−5 + 12i. Célszer˝u az általános algebrai alakból elindulni. u-t keressüku=a+bi, alakban, ahola,b∈Regyel˝ore ismeretlenek.

Helyettesítsük ezt be az egyenletbe:

(a+bi)2=−5 + 12i

Elvégezve a négyzetreemelést:

a2+ 2abi+b2i2 =−5 + 12i ⇒ a2+ 2abi−b2 =−5 + 12i Csoportosítsunk ezután a bal oldalon, külön a valós tagokat, s kölün a képzetes tagokat:

(a2−b2) + 2abi=−5 + 12i

A két oldalon álló két komplex szám akkor és csakis akkor egyenl˝o, ha a valós és képzetes részeik külön-külön is megegyeznek:

a2−b2=−5, 2ab= 12 A második egyenletb˝ol fejezzük kib-t:b= 6

a, ezt visszahelyettesítve az els˝o egyenletbe:

a2− 6

a 2

=−5

Elvégezve a négyzetre emelést, és rendezve az egyenletet:

a2−36

a2 =−5 ⇒ a4−36 =−5a2 ⇒ a4+ 5a2−36 = 0

Vezessük be at=a2 új változót, akkort-re nézve másodfokú egyenletet nyerünk: t2+ 5t−36 = 0.

Írjuk fel a megoldóképletet. (Miveltvalós, ezért szükség van±-ra.)

t1,2 = −5±p

Mivel azavalós számot jelöl, így négyzete nem lehet negatív. Ebb˝ol következik, hogy a második megoldás, a

−9hamis gyök, csak at= 4megoldással kell foglalkoznunk. t=a2miatt innena-ra két megoldást kapunk:

a1 = 2ésa2=−2. Ezeket visszahelyettesítve ab-re nyert korábbib= 6

a egyenletbe,b-re is két értéket kapunk:

b1= 6 a1 = 6

2 = 3, b2= 6 a2 = 6

−2 =−3

Ezután felírhatjuk a megoldásokat. Két(a,b)számpárt kaptunk, ígyukét lehetséges értéke:

u1 = 2 + 3i(aza= 2ésb= 3számpárból), és u2 =−2−3i(aza=−2ésb=−3számpárból).

Röviden tehát: √

z=±(2 + 3i).

Megjegyzés: Látható tehát, a négyzetgyökvonást algebrai alakban is el lehet végezni a komplex számok körében. Általában azonban nem ez a legcélszer˝ubb eljárás. Sokkal célszer˝ubb a trigonometrikus alak használata, és így nem csak négyzetgyököt, hanem bármilyen kitev˝oj˝u gyököt lehet vonni a komplex számok-ból.

3-17Megoldás:

Egy komplex számot kell hatványoznunk elég nagy kitev˝ore. Ha ezt algebrai alakban szeretnénk elvégezni, akkor nagyon sok szorzást kellene végrehajtani. Sokkal célszer˝ubb a komplex számot átírni trigonometrikus alakra, és ott elvégezni a hatványozást. Így ráadásul rögtön trigonometrikus alakban fogjuk megkapni az eredményt.

Írjuk tehát át(1 +i)-t trigonometrikus alakra.

r =√

a2+b2=√

12+ 12=√ 2 tgφ= |b|

|a| = 1 1 = 1

ahonnan: φ= 45, mivel(1 +i)nyilván az els˝o síknegyedben helyezkedik el. Azaz:

1 +i=√

2(cos 45+isin 45).

A hatványozásnál használhatjuk a Moivre-formula3-11következményét, ahonnan:

(1 +i)7 = (√

2)7(cos(7·45) +isin(7·45)) = 8√

2(cos 315+isin 315).

3-18Megoldás:

A meghatározandó tört számlálójában két komplex szám összege áll. Ezek a számok trigonometrikus alakban vannak megadva, azonban az összeadást csak algebrai alakban tudjuk elvégezni. Ezért el˝oször meg kell határoznunkz1 ész2 algebrai alakját.

z1 = 4(cos 45+isin 45) = 4 Ezután már elvégezhet˝o az összeadás.

z1+z2= (2√

Hátra van még egy osztás. A számláló algebrai alakban van, a nevez˝o pedig trigonometrikus alakban. Közös alakra kell ˝oket hozni. Mivel az eredményt trigonometrikus alakban kell megadni, ezért célszer˝u a számlálót átírni trigonometrikus alakra. A számláló tiszta képzetes szám, így trigonometrikus alakjában argumentuma φ= 90, abszolút értéke pedig nyilvánr = 4√

2. A számláló trigonometrikus alakja tehát:

z1+z2= 4√

2(cos 90+isin 90).

Most végezzük el az osztást:

z1+z2 Mivel negatív szöget kaptunk, azért az argumentumhoz adjunk hozzá360-ot: ezzel a komplex szám értéke nem változik, de az argumentum 0 és360közé kerül. Kaptuk tehát, hogy:

z1+z2 z3

= 2

2(cos 340+isin 340)

3-19Megoldás:

Bevezetve azu:=z3 új ismeretlent, az eredetileg hatodfokú egyenlet másodfokúra egyszer˝usödik:

u2+u−20 = 0. A megoldóképletet alkalmazva: u1,2= −1 +p Ahhoz, hogy az eredeti ismeretlent kapjuk meg, ezenuértékekb˝ol még komplex köbgyököt kell vonnunk.

Ehhez viszont a másodfokú egyenlet gyökeit trigonometrikus alakra kell hozni. Az argumentum nyilván0(a pozitív gyök esetén), ill. 180(a negatív gyök esetén):

u1= 4 = 4(cos 0+isin 0)., és

u2=−5eseténr = 5ésϕ= 180, így trigonometrikus alakja u2=−5 = 5(cos 180+isin 180).

A gyökvonások végrehajtása után 6 megoldást fogunk kapni.

Egyrészt

, aholk= 0,1,2értékeket veheti fel.

Másrészt

, aholk= 0,1,2értékeket veheti fel.

Felírhatjuk külön-külön is a gyököket.

z1= √3

3-20Megoldás:

Vezessük be azt:=z2 új ismeretlent, ezzel a negyedfokú egyenletet visszavezethetjük másodfokú egyenletre:

t2+it+ 12 = 0. A megoldóképletet alkalmazva:

Az eredeti ismeretlen meghatározásához ezentértékekb˝ol még komplex négyzetgyököt kell vonnunk.

A gyökvonást trigonometrikus alakban tudjuk végrehajtani, ezért a másodfokú egyenlet gyökeit írjuk át trigonometrikus alakra. Mindkét gyök tiszta képzetes, így argumentumukφ= 90, ha a képzetes rész pozitív, ill. φ= 270, ha a képzetes rész negatív. Ezért:

t1 = 3i= 3(cos 90+isin 90), és:t2 =−4i= 4(cos 270+isin 270).

A gyökvonások végrehajtása után 4 megoldást fogunk kapni.

Egyrészt

Írjuk fel külön-külön is gyököket.

z1 =√

3 (cos 45+isin 45), z2=√

3 (cos 225+isin 225), z3= 2 (cos 135+isin 135), z4= 2 (cos 315+isin 315).

In document Analízis és differenciálegyenletek (Pldal 93-122)