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- 2021-06-16 发布
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*10.3 复数的三角形式及其运算
学 习 目 标
核 心 素 养
1.通过复数的几何意义,了解复数的三角形式,了解复数的代数表示与三角表示之间的关系.
2.了解复数乘、除运算的三角表示及其几何意义.
1.借助复数的三角形式,培养数学抽象的核心素养.
2.通过复数三角形式的运算,培养数学运算的核心素养.
前面已经学习过了复数的两种表示.一是代数表示,即z=a+bi(a,b∈R);二是几何表示,复数z既可以用复平面上的点Z(a,b)表示,也可以用复平面上的向量来表示.现在需要学习复数的三角表示,即用复数z的模和辐角来表示复数.
思考:复数的三角形式在复数的运算中有怎样的作用?
1.复数的三角表示式及复数的辐角和辐角主值
一般地,如果非零复数z=a+bi(a,b∈R)在复平面内对应点Z(a,b),且r为向量的模,θ是以x轴正半轴为始边、射线OZ为终边的一个角,则r=|z|=,
根据任意角余弦、正弦的定义可知
cos θ=,sin θ=.
因此a=rcos θ,b=rsin θ,如图所示,从而z=a+bi=(rcos θ)+(rsin θ)i=r(cos θ+isin θ),
上式的右边称为非零复数z=a+bi的三角形式(对应地,a+bi称为复数的代数形式),其中的θ称为z的辐角.
显然,任何一个非零复数z的辐角都有无穷多个,而且任意两个辐角之间都相差2π的整数倍.特别地,在[0,2π)内的辐角称为z的辐角主值,记作arg z.
2.复数三角形式的乘、除运算
若复数z1=r1(cos θ1+isin θ1),z2=r2(cos θ2+isin θ2),且z1≠z2,则
(1)z1z2=r1(cos θ1+isin θ1)×r2(cos θ2+isin θ2)
=r1r2[cos(θ1+θ2)+isin(θ1+θ2)].
(2)=
= [cos(θ1-θ2)+isin(θ1-θ2)].
(3)[r(cos θ+isin θ)]n=rn[cos(nθ)+isin(nθ)].
1.思考辨析(正确的画“√”,错误的画“×”)
(1)复数的辐角是唯一的. ( )
(2)z=cos θ-isin θ是复数的三角形式. ( )
(3)z=-2(cos θ+isin θ)是复数的三角形式. ( )
(4)复数z=cos π+isin π的模是1,辐角的主值是π. ( )
[答案] (1)× (2)× (3)× (4)√
2.复数z=1+i的三角形式为z=________.
[r=,cos θ==,
又因为1+i对应的点位于第一象限,
所以arg(1+i)=.
所以z=.]
3.复数6的代数形式为________.
6i [6=6cos+6isin=6i.]
4.计算:(1)6×4=________;
(2)6÷4=________.
(1)24i (2)+i [(1)6×4
=24
=24i.
(2)6÷4
=
=
=+i.]
复数的代数形式与三角形式的互化
角度1 代数形式化为三角形式
【例1】 把下列复数的代数形式化成三角形式:
(1)+i;
(2)-i.
[解] (1)r==2,因为+i对应的点在第一象限,
所以cos θ=,即θ=,
所以+i=2.
(2)r==2,cos θ=,
又因为-i对应的点位于第四象限,
所以θ=.
所以-i=2.
复数的代数形式化为三角形式的步骤
(1)先求复数的模.
(2)决定辐角所在的象限.
(3)根据象限求出辐角.
(4)求出复数的三角形式.
提醒:一般在复数三角形式中的辐角,常取它的主值,这使表达式简便,又便于运算,但三角形式辐角不一定取主值.
角度2 三角形式化为代数形式
【例2】 分别指出下列复数的模和辐角主值,并把这些复数表示成代数形式.
(1)4;
(2)(cos 60°+isin 60°);
(3)2.
[解] (1)复数4的模r=4,辐角主值为θ=.
4=4cos+4isin
=4×+4×i
=2+2i.
(2)(cos 60°+isin 60°)的模r=,辐角主值为θ=60°.
(cos 60°+isin 60°)=×+×i
=+i.
(3)2
=2
=2.
所以复数的模r=2,辐角主值为π.
2=2cosπ+2isinπ
=2×+2×i.
=1-i.
复数的三角形式z=r(cos θ+isin θ)必须满足“模非负、余正弦、+相连、角统一、i跟sin”,否则就不是三角形式,只有化为三角形式才能确定其模和辐角,如本例(3).
1.下列复数是不是复数的三角形式?如果不是,把它们表示成三角形式.
(1);
(2)-;
(3);
(4)cos+isin.
[解] 根据复数三角形式的定义可知,(1)、(2)、(3)不是,(4)是复数的三角形式.
(1)原式=.
(2)原式=
=.
(3)原式=
=.
复数三角形式的乘、除运算
【例3】 计算:
(1)8×4;
(2)(cos 225°+isin 225°)÷[(cos 150°+isin 150°)];
(3)4÷.
[解] (1)8×4
=32
=32
=32
=32
=16+16i.
(2)(cos 225°+isin 225°)÷[(cos 150°+isin 150°)]
=[cos(225°-150°)+isin(225°-150°)]
=(cos 75°+isin 75°)=
=+i
=+i.
(3)4÷
=4(cos 0+isin 0)÷
=4
=2-2i.
1.乘法法则:模相乘,辐角相加.
2.除法法则:模相除,辐角相减.
3.复数的n次幂,等于模的n次幂,辐角为n倍.
2.计算:
(1);
(2)(cos 75°+isin 75°)×;
(3)÷.
[解] (1)
=()2
=2
=-1+i.
(2)-i=
=,
所以(cos 75°+isin 75°)×
=×
=×
=cosπ+isinπ
=cos+isin
=+i.
(3)因为-+i=cosπ+isinπ,
所以÷
=÷
=
==+i.
复数三角形式乘、除运算的几何意义
【例4】 在复平面内,把复数3-i对应的向量分别按逆时针和顺时针方向旋转,求所得向量对应的复数.
[解] 因为3-i=2
=2,
所以2×
=2
=2
=2
=3+i,
2×
=2
=2
=-2i.
故把复数3-i对应的向量按逆时针旋转得到的复数为3+i,按顺时针旋转得到的复数为-2i.
两个复数z1,z2相乘时,先分别画出与z1,z2对应的向量,,然后把向量绕点O按逆时针方向旋转角θ2(如果θ2<0,就要把绕点O按顺时针方向旋转角|θ2|),再把它的模变为原来的r2倍,得到向量,表示的复数就是积z1z2.
3.在复平面内,把与复数+i对应的向量绕原点O按逆时针方向旋转,然后将其长度伸长为原来的2倍,求与所得向量对应的复数.(用代数形式表示)
[解] +i=,
由题意得×
=×2
=3
=3i,
即与所得向量对应的复数为3i.
知识:
(1)任何一个不为零的复数的辐角有无限多个值,且这些值相差2π的整数倍.
(2)复数0的辐角是任意的.
(3)在0≤θ<2π范围内的辐角θ的值为辐角主值,通常记作arg z,且0≤arg z<2π.
(4)两个非零复数相等当且仅当它们的模与辐角主值分别相等.
方法:
两个复数三角形式乘法的法则可简记为:模相乘,辐角相加,并且可以作以下推广;
(1)有限个复数相乘,结论亦成立.
即z1·z2…zn=r1(cos θ1+isin θ1)·r2(cos θ2+isin θ2)…rn(cos θn+isin θn)=r1·r2…rn[cos(θ1+θ2+…+θn)+isin(θ1+θ2+…+θn)].
(2)当z1=z2=…=zn=z时,即r1=r2=…=rn=r,θ1=θ2=…=θn=θ,有zn=[r(cos θ+isin θ)]n=rn[cos(nθ)+isin(nθ)],这就是复数三角形式的乘方法则,即:模数乘方,辐角n倍.
1.复数1-i的辐角主值是( )
A.π B.π
C.π D.
A [因为1-i=2=2,
所以1-i的辐角主值为π.]
2.复数9(cos π+isin π)的模是________.
[答案] 9
3.复数-1+i的辐角主值是________.
π [将复数-1+i化为三角形式:
-1+i=2,即得-1+i的辐角主值为π.]
4.(cos 75°+isin 75°)(cos 15°+isin 15°)=________.
i [(cos 75°+isin 75°)(cos 15°+isin 15°)
=cos(75°+15°)+isin(75°+15°)
=cos 90°+isin 90°
=i.]
5.2(cos 300°+isin 300°)÷=________.
-+i [2(cos 300°+isin 300°)÷
=2÷
=
=
=-+i.]
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