21

Комплексные числа в тригонометрической форме

[14/71%]
Показать
LaTeX
Задача 21.1

Найти тригонометрическую форму числа:

?
(а)

5 ;

(б)

ii;

(в)

-2 ;

(г)

−3i-3 i;

(д)

1+i1+i;

(е)

1−i1-i;

(ж)

1+i31+i \sqrt{3};

(з)

−1+i3-1+i \sqrt{3};

(и)

−1−i3-1-i \sqrt{3};

(к)

1−i31-i \sqrt{3};

(л)

3+i\sqrt{3}+i;

(м)

−3+i-\sqrt{3}+i;

(н)

−3−i-\sqrt{3}-i;

(о)

3−i\sqrt{3}-i;

(п)

1+i331+i \frac{\sqrt{3}}{3};

(р)

2+3+i2+\sqrt{3}+i;

(с)

1−(2+3)i1-(2+\sqrt{3}) i;

(т)

cos⁡α−isin⁡α\cos \alpha -i \sin \alpha;

(у)

sin⁡α+icos⁡α\sin \alpha +i \cos \alpha;

(ф)

1+itg⁡α1−itg⁡α\frac{1+i \operatorname {tg} \alpha }{1-i \operatorname {tg} \alpha };

(х)

1+cos⁡φ+isin⁡φ,φ∈[−π,π];1+\cos \varphi +i \sin \varphi , \quad \varphi \in [-\pi , \pi ] ;

(ц)

cos⁡φ+isin⁡φcos⁡ψ+isin⁡ψ\frac{\cos \varphi +i \sin \varphi }{\cos \psi +i \sin \psi }.

Задача 21.2

Вычислить выражения:

?
(а)

(1+i)1000(1+i)^{1000};

(б)

(1+i3)150(1+i \sqrt{3})^{150};

(в)

(3+i)30(\sqrt{3}+i)^{30};

(г)

(1+32+i2)24\left(1+\frac{\sqrt{3}}{2}+\frac{i}{2}\right)^{24};

(д)

(2−3+i)12(2-\sqrt{3}+i)^{12};

(е)

(1−i31+i)12\left(\frac{1-i \sqrt{3}}{1+i}\right)^{12};

(ж)

(3+i1−i)30\left(\frac{\sqrt{3}+i}{1-i}\right)^{30};

(з)

(−1+i3)15(1−i)20+(−1−i3)15(1+i)20\frac{(-1+i \sqrt{3})^{15}}{(1-i)^{20}}+\frac{(-1-i \sqrt{3})^{15}}{(1+i)^{20}}.

Задача 21.3

Решить уравнения:

?
(а)

∣z∣+z=8+4i\left|z\right|+z=8+4 i;

(б)

∣z∣−z=8+12i\left|z\right|-z=8+12 i.

Задача 21.4

Доказать следующие свойства модуля комплексных чисел:

?
(а)

∣z1±z2∣⩽∣z1∣+∣z2∣\left|z_{1} \pm z_{2}\right| \leqslant \left|z_{1}\right|+\left|z_{2}\right|;

(б)

∣∣z1∣−∣z2∣∣⩽∣z1±z2∣\left|\left|z_{1}\right|-\left|z_{2}\right|\right| \leqslant \left|z_{1} \pm z_{2}\right|;

(в)

∣z1+z2∣=∣z1∣+∣z2∣\left|z_{1}+z_{2}\right|=\left|z_{1}\right|+\left|z_{2}\right| тогда и только тогда, когда векторы z1z_{1} и z2z_{2} имеют одинаковые направления;

(г)

∣z1+z2∣=∣∣z1∣−∣z2∣∣\left|z_{1}+z_{2}\right|=\left|\left|z_{1}\right|-\left|z_{2}\right|\right| тогда и только тогда, когда векторы z1z_{1} и z2z_{2} имеют противоположные направления.

Задача 21.5

Доказать, что:

?
(а)

если ∣z∣<1\left|z\right|<1, то ∣z2−z+i∣<3\left|z^{2}-z+i\right|<3;

(б)

если ∣z∣⩽2\left|z\right| \leqslant 2, то 1⩽∣z2−5∣⩽91 \leqslant \left|z^{2}-5\right| \leqslant 9;

(в)

если ∣z∣<1/2\left|z\right|<1 / 2, то ∣(1+i)z3+iz∣<3/4\left|(1+i) z^{3}+i z\right|<3 / 4.

Задача 21.6

Доказать неравенство

∣z1−z2∣⩽∣∣z1∣−∣z2∣∣+min⁡{∣z1∣,∣z2∣}⋅∣arg⁡z1−arg⁡z2∣. \left|z_{1}-z_{2}\right| \leqslant \left|\left|z_{1}\right|-\left|z_{2}\right|\right|+\min \left\{ \left|z_{1}\right|,\left|z_{2}\right|\right\} \cdot \left|\arg z_{1}-\arg z_{2}\right|.

В каком случае это неравенство обращается в равенство?

?
Задача 21.7

Доказать, что если u=z1z2u=\sqrt{z_{1} z_{2}}, то

∣z1∣+∣z2∣=∣z1+z22−z1z2∣+∣z1+z22+z1z2∣. \left|z_{1}\right|+\left|z_{2}\right|=\left|\frac{z_{1}+z_{2}}{2}-\sqrt{z_{1} z_{2}}\right|+\left|\frac{z_{1}+z_{2}}{2}+\sqrt{z_{1} z_{2}}\right|.
?
Задача 21.8

Доказать формулу Муавра

[r(cos⁡φ+isin⁡φ)]n=rn(cos⁡nφ+isin⁡nφ) [r(\cos \varphi +i \sin \varphi )]^{n}=r^{n}(\cos n \varphi +i \sin n \varphi )

для целых n≠0n \neq 0.

?
Задача 21.9

При n∈Zn \in \mathbb {Z} вычислить выражения:

?
(а)

(1+i)n(1+i)^{n};

(б)

(1−i32)n\left(\frac{1-i \sqrt{3}}{2}\right)^{n};

(в)

(1−itg⁡α1+itg⁡α)n\left(\frac{1-i \operatorname {tg} \alpha }{1+i \operatorname {tg} \alpha }\right)^{n};

(г)

(1+cos⁡φ+isin⁡φ)n(1+\cos \varphi +i \sin \varphi )^{n}.

Задача 21.10

Доказать, что если z+z−1=2cos⁡φz+z^{-1}=2 \cos \varphi, то zn+z−n=2cos⁡nφz^{n}+z^{-n}=2 \cos n \varphi, где n∈Zn \in \mathbb {Z}.

?
Задача 21.11

Представить в виде многочленов от sin⁡x\sin x и cos⁡x\cos x функции:

?
(а)

sin⁡4x\sin 4 x;

(б)

cos⁡4x;\cos 4 x ;

(в)

sin⁡5x\sin 5 x;

(г)

cos⁡5x\cos 5 x.

Задача 21.12

Доказать равенства:

?
(а)

cos⁡nx=∑k=0[n/2](−1)k(n2k)cos⁡n−2kx⋅sin⁡2kx\cos n x=\sum_{k=0}^{[n / 2]}(-1)^{k}\binom {n}{2 k} \cos^{n-2 k} x \cdot \sin^{2 k} x;

(б)

sin⁡nx=∑k=0[(n−1)/2](−1)k(n2k+1)cos⁡n−2k−1x⋅sin⁡2k+1x\sin n x=\sum_{k=0}^{[(n-1) / 2]}(-1)^{k}\binom {n}{2 k+1} \cos^{n-2 k-1} x \cdot \sin^{2 k+1} x.

Задача 21.13

Выразить через первые степени синуса и косинуса аргументов, кратных xx, функции:

?
(а)

sin⁡4x\sin^{4} x;

(б)

cos⁡4x\cos^{4} x;

(в)

sin⁡5x\sin^{5} x;

(г)

cos⁡5x\cos^{5} x.

Задача 21.14

Доказать равенства:

?
(а)

cos⁡2mx=122m−1[∑k=0m−1(2mk)cos⁡(2m−2k)x+12(2mm)]\cos^{2 m} x=\frac{1}{2^{2 m-1}}\left[\sum_{k=0}^{m-1}\binom {2 m}{k} \cos (2 m-2 k) x+\frac{1}{2}\binom {2 m}{m}\right];

(б)

cos⁡2m+1x=122m∑k=0m(2m+1k)cos⁡(2m+1−2k)x\cos^{2 m+1} x=\frac{1}{2^{2 m}} \sum_{k=0}^{m}\binom {2 m+1}{k} \cos (2 m+1-2 k) x;

(в)

sin⁡2mx=\sin^{2 m} x=

=(−1)m22m−1[∑k=0m−1(−1)k(2mk)cos⁡(2m−2k)x+(−1)m2(2mm)] =\frac{(-1)^{m}}{2^{2 m-1}}\left[\sum _{k=0}^{m-1}(-1)^{k}\binom {2 m}{k} \cos (2 m-2 k) x+\frac{(-1)^{m}}{2}\binom {2 m}{m}\right]
(г)

sin⁡2m+1x=(−1)22m∑k=0m(−1)k(2m+1k)sin⁡(2m+1−2k)x\sin^{2 m+1} x=\frac{(-1)}{2^{2 m}} \sum_{k=0}^{m}(-1)^{k}\binom {2 m+1}{k} \sin (2 m+1-2 k) x.