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絶対値の最大値と正三角形の条件|複素数平面の入試問題

複素数平面の出題は、絶対値の評価、回転、 乗根の か所に手が集まります。典型を 問並べ、どこで方針が決まるかを見ていきます。

問題 1 絶対値の最大値

を満たす複素数 に対して、 の最大値を求めよ。

が単位円を 周するあいだに、 は右のようなくぼんだ曲線を描きます。原点をかすめる瞬間と、いちばん外へ張り出す瞬間がある。

解き方 1

という条件は 、つまり と書き直せます。ここが入口。

から をくくり出すと、この形が使えます。

は実数なので、絶対値は を掛けて

から まで動くので、中身は から まで。絶対値の最大値は で、 のときに実現します。

となる で最小値 になる。曲線が原点を通るのがこの瞬間です。

問題 2 正三角形の条件

複素数平面上の , , が正三角形をなすとき、次が成り立つことを示せ。

三角形は原点を頂点のひとつに持ったまま、全体として回っています。どの向きに回っても関係式は崩れません。 の比だけで決まる条件だからです。

解き方 2

正三角形なので、 を原点まわりに 度回したもの。

この で、 次方程式 の解です。 の満たす関係を使えるようにしておくのが要点。

を代入して整理します。

括弧の中は そのもので 。よって が示せました。

のどちらでも が成り立つので、場合分けは要りません。

問題 3 7 乗根の組み分け

, とする。, について、 を求めよ。

個の点を 組に分け、それぞれ矢印を継いでいきます。 つの終点は実軸に関して対称。 が互いに共役だと図から読めます。

解き方 3

から までの総和です。 乗根の総和が なので、 を除いた 個の和は

積のほうは、 個の項を素直に展開します。 を使うと指数が を超えたものは折り返せる。

, , つが になり、残る 項は から をちょうど 回ずつ拾います。

和が 、積が なので、 解。求めると になります。

共通する手は 3 つ

問とも、入口は同じ場所にありました。

に書き直す。
回転を の積として式に入れる。
乗根の和が 、という関係を使う。

見た目が違っても、使う道具はこの つに戻ってきます。問題を読んだら、まず条件がどれに触れているかを探す。そこが決まれば、あとは計算するだけになります。

絶対値の最大値、正三角形の条件、7 乗根の組み分けの 3 問を解きます。見た目は違っても入口は 3 か所しかありません。|z| = 1 を共役の関係に書き直す、回転を cosθ + i sinθ の積として式に入れる、1 の n 乗根の和が 0 になることを使う。条件のどこを見れば方針が決まるのかを、計算の流れごとたどりました。