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共役をかけて実数にする - 複素数の計算で共役が効く場面

共役が効くのは、 を組み合わせると実数が残るところ。

足しても、かけても が消えます。分母を実数にするのも、絶対値を積に置きかえるのも、この 2 本から来ている。

分母から を追い出す

の分母と分子に をかけると、分母が になります。

分母を実数にしてしまえば、あとは分子を実部と虚部に分けるだけ。

実数かどうかを で見る

が実数であることと は同じ。 と置いて虚部を にする代わりに、この形で条件を書けます。

が実数になる を求めてみます。 とおき、 を書き下す。

たすきにかけて を入れます。

実部はそろっているため、虚部から 、つまり

となり、 の実数倍。複素数平面でいえば原点を通る直線の上です。

絶対値を 乗して積にする

は、根号を消して式変形へ持ちこむための置きかえ。

という条件が与えられたとします。両辺に をかける。

左辺は だから 。単位円の上にある、という条件と同じものでした。

例: が実数になる

とし、 とおきます。 が実数なら

を左へ、分数を右へ寄せます。

右辺の分子は通分して になる。両辺を見比べて でくくります。

積が になるのは、 または のとき。前者は が実数、後者は です。

答えは実軸の上か、単位円の上。 なら なら 。どちらも実数になっています。

が成り立つとき、 について言えることはどれですか。

  • は実数
  • は純虚数
__RESULT__

両辺に をかけると です。絶対値は 以上なので になります。実数かどうかまでは決まらず、 も条件を満たします。

和と積が実数になることを使う

を足すと実部の 倍、かけると 。どちらも実数だから、この 2 数を解に持つ二次方程式は実数係数になります。

なら和が 、積が です。

例:実数係数の 4 次方程式へ戻す

を解に持つ実数係数の 4 次方程式を考えます。係数が実数のため、共役の も解。

の側は、和が 、積が

の側は、和が 、積が

2 つをかけて 4 次にします。

係数がすべて実数になりました。虚数解を 2 つ与えられたら、その共役を足して 4 つにそろえ、共役どうしを組にして実数係数の 2 次式へ落とす。

対称式に持ちこむ

が実数だと分かっていれば、 の対称式はすべて実数になります。

なら と書き直せる。 で計算すると です。

じかに を足しても 。虚部が打ち消し合うことは、対称式の形からあらかじめ分かっています。

のとき、 の値はどれですか。

__RESULT__

です。 になります。

共役はもう 1 本の式を持ってくる道具。 だけでは書けない条件が、 を並べたとたんに等式として書けるようになります。

$z + \overline{z} = 2a$ と $z\overline{z} = a^2 + b^2$ がどちらも実数になるところが、共役の働きどころ。分母から $i$ を追い出すのも、$|z|^2$ を積に置きかえるのも、この 2 本から来ています。$z = \overline{z}$ を実数の判定に使うと、$\dfrac{z}{1+i}$ が実数になる $z$ は $1+i$ の実数倍と決まり、$z + \dfrac{1}{z}$ が実数になる条件は $|z| = 1$ または $z$ が実数の 2 つにほどける。虚数解から実数係数の 4 次方程式へ戻す手順と、対称式の使い方まで。