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複素数平面の回転移動:中心が原点でないときの公式

を点 のまわりに 度回すと、 へ移ります。

中心が原点なら、 をかけるところで終わります。中心が に動くと、それだけでは合わない。中心を原点へ寄せ、そこで回し、寄せたぶんを戻す。3 段に分けます。

は回転の中心、 は回す角、 は移った先です。

z - α で中心を原点へ寄せる

cos θ + i sin θ をかけて回す

α を足して元の位置へ戻す

引くと矢印だけが残る

は、点 から点 へ向かう矢印です。始点が原点にくるため、かけ算で回せる形になる。

回したあとに を足すと、矢印の始点が へ戻る。長さも角も、足す段では変わらない。

右の図で回っているのは です。 をかけると を足し直して

中心が原点

。かけ算 1 つで終わる

中心が

。引いて、かけて、足す

例: のまわりに

とします。まず中心を原点へ寄せる。

なので、 をかけます。

を足して戻す。

から までは から までは 。回しただけだから、中心からの距離は変わりません。

例: のまわりに

とします。かける数は

を足して

偏角でも確かめられる。 の偏角は で、 を足すと

第 2 象限の角だから、実部は負、虚部は正になるはずです。実際に は負、 は正になっていて、符号が合う。

例:時計回りに

角に をつけると向きが変わる。 なら、かける数は

を、 のまわりに時計回りへ 度回します。

を足すと で、実軸上の点になりました。距離は で、やはり変わらない。

回した点は円周上に並ぶ

を動かすと、 を中心とする円をたどります。半径は で、 の値によらない。

は、 をどう選んでも成り立ちます。 から まで動かすと は円を 1 周し、 でもとの に重なる。

例: 度回すと中心が中点になる

なら 。式に入れて整理します。

移項すると になり、両辺を で割ると の中点になる。

で試す。

中点を計算すると で、 に戻りました。

を点 のまわりに 度回した点はどれですか。

__RESULT__

をかけて を足して です。 を足し戻さないと のままで、原点のまわりに回した点になります。

例:正方形の残りの頂点を決める

正方形 のうち、 が分かっているとします。頂点は反時計回りに並ぶものとする。

は、 のまわりに 度回した点です。

を足して 。残る は、 を足した点になる。

辺の長さを見ます。 で、隣り合う 2 辺がそろっている。

対角線は で、 倍です。

倍率をつける

回しながら伸ばすときは、絶対値 を前に置きます。

は中心からの距離を 倍にし、 は向きを 変える。 なら回転だけ、 なら伸び縮みだけになる。

で、 とします。

にかける数は

を足すと になる。中心からの距離は から に変わり、ちょうど 倍です。

2 点と中心から角と倍率を読む

が中心 のまわりの回転で へ移ったなら、次の比を見ます。

これが そのもの。絶対値は倍率 、偏角は回した角 です。

で計算します。

絶対値は 、偏角は で、倍率なしの 度回転。 に替えると比は になり、 度回して 倍に伸ばした動きになる。

比の値と、その値が表す動きを並べます。

動かさない
度回す
度回す。中心が中点になる
時計回りに 度回す
度回して 倍に伸ばす
度回す

のとき、 から読める回転角はどれですか。

__RESULT__

なので、比は です。比の実部は 、虚部は正だから、偏角は 。絶対値の は倍率のほうで、角には効きません。

補足: はどこを中心に回っているか

のような 1 次式も、回転の式に書き直せます。動かない点を先に探す。

となる点を と置きます。

だけが動かない。この点を両辺から引きます。

になり、点 を中心とする 度の回転だと読めます。

なら、動かない点 にただ 1 つあります。

のときは で平行移動になり、動かない点はない。

の絶対値は倍率、偏角は回す角にあたる。 なら倍率 度、 なら倍率 度。

回転の中心をどこに置くかで変わるのは、 を引くかどうかです。中心さえ原点へ寄せてしまえば、あとは のかけ算が角を動かし、 を足すと元の場所へ戻ります。

$z = 4 + 3i$ を点 $1 + i$ のまわりに $90$ 度回すと $-1 + 4i$。中心が原点でなければ、$\alpha$ を引いて原点へ寄せ、$\cos\theta + i\sin\theta$ をかけ、$\alpha$ を足し直す 3 段になり、$w = (z - \alpha)(\cos\theta + i\sin\theta) + \alpha$ と書けます。時計回りなら $-i$、$180$ 度なら $-1$ で、このときは $\alpha$ が $z$ と $w$ の中点にくる。倍率 $k$ を前に置くと回しながら伸ばせて、逆に $\dfrac{w - \alpha}{z - \alpha}$ の絶対値と偏角から倍率と角が読めます。正方形の残りの頂点を $90$ 度回転で決める例と、$w = \beta z + \gamma$ の動かない点を探す手順まで。