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絶対値と偏角で複素数を書き直す極形式 r(cos θ + i sin θ)

を、原点からの距離と、実軸から測った角の 2 つで書き直します。 として、距離を 、角を とおく。

これを へ入れると、 でくくれます。

この書き方が極形式です。 を の絶対値、 を偏角といい、、 と書く。

距離のほうは三平方の定理から

点 と原点の距離だから、 は次の形になる。

は 以上の実数で、 になるのは のときだけ。 には向きがないため、偏角は決まりません。極形式を書くときに と断るのはそのためです。

偏角は 1 つに決まらない

を 増やしても、点はぐるりと 1 周して同じ場所へ戻ります。だから偏角は無数にあり、 がすべて答えになる。

範囲をひとつに区切ったものを主値と呼びます。高校では をとることが多く、 を使う流儀もある。問題文が範囲を指定していれば、そちらに合わせます。

偏角には ずらすぶんの自由があるので、 は 1 つの数ではなく、 おきに並ぶ数の集まりを指しています。

範囲を切って 1 つに決めたものが主値。範囲の指定がない答案では、どの範囲をとったかを書き添える。

例:

、 で 。

どちらも正で、値は 。 に決まる。

例:

で、 と は次のとおり。

が負で が正だから第 2 象限。両方を満たす角は ただ 1 つ。

例:

虚軸の上にある点。、 で 。

なら 、 なら 。同じ点を、どちらの範囲で呼ぶかの違いです。

tan だけで決めると 2 つの象限が残る

から角を求めようとすると、向かい合う 2 つの象限が区別できません。 は ごとに同じ値をくり返すため。

も も 。前者は 、後者は で、 だけずれています。

と の符号を両方見れば、象限が 1 つに絞れる。

、第 1 象限
、第 2 象限
、第 3 象限
、第 4 象限

の偏角として正しいものはどれですか。ただし とします。

__RESULT__

で、、 です。 が負で が正だから第 2 象限にあり、 になります。 だけを見ると、第 4 象限の も候補に残ってしまう。

と から に戻す

極形式のほうが与えられていれば、 と の値を入れれば戻せる。

が で が の点は、第 2 象限にある。実部が負、虚部が正という符号も合っています。

実数と純虚数の偏角

軸の上にある点は、偏角が の倍数になる。

正の実数は 。
負の実数は 。
で なら 。
で なら 。

を極形式にすると になり、 は です。 の絶対値が という実数のときの話と、そのままつながります。

を の形にするとどれですか。

__RESULT__

、 を入れます。 をかけて になります。 と の値をとり違えると 2 番目の形になる。

は右へどれだけ、上へどれだけ。 はどちらへどれだけ離れているか。同じ点を、別の測り方で書いています。

$z = a + bi$ の代わりに、原点からの距離 $r = \sqrt{a^2 + b^2}$ と実軸から測った角 $\theta$ で書きます。$a = r\cos\theta$、$b = r\sin\theta$ を入れれば $z = r(\cos\theta + i\sin\theta)$。角は $2\pi$ ずらしても同じ点を指すため 1 つに決まらず、$0 \leq \theta < 2\pi$ などに区切ったものを主値と呼ぶ。$\tan\theta = \dfrac{b}{a}$ だけで決めると $\pi$ ずれた角まで拾うため、$\cos$ と $\sin$ の符号を両方見ます。$1+i$、$-1+\sqrt{3}i$、$-2i$ を書き直す手順まで。