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複素数をかけると点が回って伸びる!積と商の絶対値と偏角

極形式で書いた 2 つの複素数をかけると、絶対値はかけ算、偏角は足し算になります。

長さは倍に、向きは回る。この 2 つが同時に起きています。

加法定理をそのまま読みかえている

展開して を使い、実部と虚部に分けます。

実部のかっこが 、虚部のかっこが 。三角関数の加法定理の右辺そのものです。

が実部の引き算をつくり、加法定理の の側と符号がそろう。ここが噛み合っているところ。

割り算では角を引く

分母の共役をかけて実数化すると、同じ計算が符号違いで進みます。

絶対値は割り算、偏角は引き算。 の断りがいるのは、割る側の で割るためです。

かけたとき

絶対値は 、偏角は

割ったとき

絶対値は 、偏角は

をかけるのは、回して伸ばすこと

に をかけた点は、 を原点のまわりに だけ回し、原点からの距離を 倍にした位置に来ます。

なら距離が変わらず、回転だけ。 が正の実数なら偏角が で、伸び縮みだけ。

をかけると 度回る

の絶対値は 、偏角は 。

長さを変えずに だけ回す操作にあたります。 で試すと、。

点 が点 へ動きました。横の座標が縦へ、縦の座標は符号を変えて横へ。座標平面で 度回したときの動き方と同じです。

4 回かければ で、 度まわって元の位置へ戻る。

絶対値はかけ算のまま通る

偏角の話を落として長さだけを見ると、次の 2 つになります。

極形式を持ち出さずに確かめることもできます。 を使い、共役が積をまたいでも形を変えないことから次のように進む。

両辺とも 以上だから、平方根をとって 。

足し算のほうは同じようにいきません。 は と一致しないことのほうが多く、、 なら左辺が 、右辺が になります。

例: を角の足し算で

それぞれを極形式にします。 は 、。 は 、。

絶対値をかけて 、偏角を足して 。

そのまま展開した結果とも合わせておきます。

補足: が手に入る

上の 2 つは同じ数なので、実部どうしを比べられます。

は 。両辺を で割り、分母を有理化します。

虚部を比べれば も同じ手順で決まる。有名角でない値が、かけ算 1 つから拾えました。

の絶対値が 、偏角が 、 の絶対値が 、偏角が のとき、 の偏角はどれですか。

__RESULT__

割り算では偏角を引くので です。絶対値のほうは割って になります。角まで割ってしまうと になる。

例:

絶対値は 、偏角は 。

分母を実数化する道でも確かめておきます。

実部が正、虚部が負。偏角が負の角だという見立てと合っています。

、 のとき、 はどれですか。

__RESULT__

絶対値はかけ算をまたいでそのまま通るため です。 は足した値、 は で、どちらも積の絶対値にはなりません。

かけるとは、回して伸ばすこと。割るとは、逆へ回して縮めること。 の形では見えなかった動きが、極形式にすると角と長さの計算として表れます。

極形式どうしをかけると、絶対値は $r_1 r_2$、偏角は $\theta_1 + \theta_2$。展開して実部と虚部に分けると、そこに三角関数の加法定理の右辺がそのまま並びます。だから $w$ をかける操作は、原点のまわりに $\arg w$ だけ回して $|w|$ 倍に伸ばすことと同じ。$i$ をかければ $90$ 度の回転で、4 回で元の位置へ戻ります。割り算は角を引いて絶対値を割る。$|z_1z_2| = |z_1||z_2|$ を共役から確かめ、$(1+i)(\sqrt{3}+i)$ の 2 通りの計算から $\cos 75^\circ$ を拾うところまで。