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複素数の等式から実部と虚部を決める(x + yi と置くか、共役を使うか)

についての等式から を決めるとき、進み方は 2 つあります。

と置く

を実数として代入し、実部と虚部を比べて連立方程式にする。未知数が実数 2 つに変わります。

両辺の共役をとる

が混ざった式なら、共役をとった式をもう 1 本並べる。 を 2 つの文字と見て消去します。

の 2 乗が入っていれば前者、 が入っているだけなら後者が短く済むことが多い。

置きかえて連立する

を解きます。 は実数)とおく。

から を引いて が残り、実部は 。右辺と比べます。

。もとの式に入れると になります。

共役をとってもう 1 本並べる

を、置きかえずに解いてみます。両辺の共役をとる。

共役は和とかけ算をまたいでも形を変えず、実数の はそのまま、 に戻ります。 の共役は

2 本を並べます。

下の式を 倍して上を引くと、 が消える。

左辺は 、右辺は です。

。合っています。

例:

こんどは置きかえの道で進みます。 を入れて展開する。

になって実部へ回り、実部は 。虚部は

引くと から になります。

純虚数でした。代入して確かめると

を満たす はどれですか。

__RESULT__

とおくと です。実部から 、虚部から なので 。虚部の係数を ではなく と読むと になります。

共役から実部と虚部を拾う

を割り算の形に直すと、実部と虚部を式で書けます。

虚部のほうは で割るところが目印。 で割ると になり、実数の虚部にはなりません。

で試します。 で割って実部は で割って が虚部。

例: の実部と虚部

分子を先に片づけます。 だから、

分母を実数化する。

実部が 、虚部が です。 ではなく のほうが虚部。

例:実部が で、 が純虚数になる

実部が決まっているため は実数)とおきます。

純虚数になるのは実部が で虚部が でないとき。 から で、 も満たしています。

。前者を 乗すると で、たしかに純虚数になりました。

例: のとき

を先に用意します。

実部も虚部も 乗と 乗を先に の形にしておくと、あとは実部どうし虚部どうしの足し算で済みます。

のとき、 の値はどれですか。

__RESULT__

です。 で割ると になり、これが の虚部。 で割ってしまうと になります。

例: かつ

とおくと、

を 2 本目へ入れて 。答えは です。

和が 、積が の 2 数なので、 の解。判別式は で負になり、共役な虚数解が 2 つという結果とつながっています。

例: を満たす

とおいて両辺を書き並べます。

実部と虚部を比べると 2 本。

2 本目を と直すと、 に分かれます。

のとき 1 本目は で、 または が解になります。

のとき 1 本目は で、

あわせて 4 つ。 乗すると で、たしかに共役になりました。

を除いた 3 つは、 乗して になる数と同じ顔ぶれ。 の両辺に をかけると になり、 で絶対値が なら左辺が になるからです。

と置けば実数の連立に落ち、共役をとれば の連立になる。どちらの道でも、複素数 1 つぶんの等式が 2 本ぶんの情報を持っているところは変わりません。

$z$ を $x + yi$ と置いて実部と虚部を比べる道と、両辺の共役をとってもう 1 本の式を並べる道があります。$2z + \overline{z} = 6 + i$ なら前者で $3x + yi = 6 + i$ となり $z = 2 + i$。$z + 2\overline{z} = 9 - i$ のように $\overline{z}$ が混ざる式は、共役をとった $2z + \overline{z} = 9 + i$ と連立させると $z$ だけが残る。$\dfrac{z + \overline{z}}{2}$ が実部、$\dfrac{z - \overline{z}}{2i}$ が虚部という書き方、$\overline{z} = z^2$ の解が 4 つになるところまで。