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中心をずらして回す〜複素数平面の回転公式の作り方

点 を中心に、点 を角 だけ回した先は次の式で出ます。

引いて、掛けて、足す。原点まわりなら掛け算だけで済むところに、 の出し入れが前後に付きます[1]。

原点まわりは掛け算だけ

絶対値 の複素数を掛けると、点は原点を中心に回ります[2]。

絶対値どうしが掛かり、偏角どうしが足される。掛ける側の絶対値が なので長さは動かず、偏角だけが 増えます[4]。

回転の中心が原点に固定されるのは、原点だけが を掛けても のまま動かないためです。ほかの点はすべて動きます。

中心を原点へ運ぶ

中心が のときは、まず全体を平行移動して を原点へ持っていきます。

複素数のひき算は、ベクトルのひき算にあたります[3]。 は、 から へ向かう矢印そのもの。

矢印だけを回してから、 を足して元の位置へ戻す。3 段の手順になります。

を引いて中心を原点へ運ぶ

を掛けて回す

を足して元の位置へ戻す

矢印の始点が原点へ来た瞬間だけ、掛け算が回転として働きます。戻すのを忘れると、図形ごと原点付近へ寄ってしまう。

例: を のまわりに 90 度回す

、、 とします。 なので、掛けるのは だけ。

です。

が答えになります。 から までの距離は 、 から までの距離も で、長さが保たれている。

例:正三角形の残りの頂点

、 を 2 頂点とする正三角形の、第 3 の頂点を出します。

を のまわりに 回せば届く。 です。

回せば になります。正三角形は 2 つできる。

例:角度の符号

が正なら反時計回り、負なら時計回りです。虚軸が上を向く向きにそろえた結果になります。

時計回りに 回すなら とし、 を掛ける。

符号を逆にすると、答えが中心をはさんで反対側へ行きます。図を粗く描いておくと、このとり違えはすぐ見つかる。

回転の向きは、虚軸をどちらに向けたかで決まります。上向きにとる約束なので、正の角は反時計回りになる。

下向きにとる流儀では逆になる。数学Ⅲの教科書はすべて上向きです。

例:2 回続けて回す

のまわりに だけ回し、続けて同じ のまわりに だけ回します。

掛ける複素数が になり、偏角が足されます。合計は の回転[2]。

同じ中心まわりなら順番を変えても同じ点に着きます。中心が違うと、順番で結果が変わる。

例:中心が違う 2 つの回転

のまわりに 回してから のまわりに 回す場合と、順番を入れかえた場合を、 で比べます。

前者は 。後者は です。着く先が違います。

平行移動の成分が残るためで、2 つを合わせた変換は の回転になります。中心は別の場所へ移る。

例:回転の中心を求める

という対応が与えられたとき、どこを中心とする何度の回転かを読みます。

中心は動かない点なので、 を解けばよい。 から です。

掛かっている の偏角が 、絶対値が 。よって を中心とする の回転になります[1]。

中心動かない点。 を解いて出す
角掛かっている複素数の偏角
倍率掛かっている複素数の絶対値

例:正方形の頂点をたどる

正方形の中心が 、頂点の 1 つが とします。残りの頂点は ずつ回して出ます。

を 倍すると 、中心を足して です。

同じ操作を続けると 、 と並び、4 回目で に戻ります。一周して閉じることが検算になる。

点 を、点 を中心に 回した点はどれですか。

__RESULT__

の回転は 倍にあたるので、 です。中心 が と の中点になっていることでも確かめられます。 は実軸に関する折り返しで、回転ではありません。

検算

中心から元の点までの距離と、中心から答えまでの距離が等しいかを見ます。回転は長さを変えません。

なら中心が 2 点の中点になり、 なら中心と 2 点が直角二等辺三角形をつくる。特別な角では図で確かめられます。

引いて、回して、足す。この 3 段さえ崩さなければ、中心がどこにあっても同じ手順で片づきます。

参考文献

Similitude (géométrie) - Wikipédia
Rotation (mathematics) - Wikipedia
Komplexe Zahl - Wikipedia
复平面 - 维基百科
$\alpha$ を引いて、$\cos\theta + i\sin\theta$ を掛けて、$\alpha$ を足す。原点まわりなら掛け算だけで終わるところに、中心の出し入れが前後に付きます。引くのは中心を原点へ運ぶため、足すのは元の位置へ戻すため。$1+i$ を $2$ のまわりに $90^\circ$ 回す計算から、正三角形の第 3 の頂点、正方形の 4 頂点を順にたどる手順まで並べました。$w = iz+1-i$ という対応なら、動かない点を解いて中心 $1$、掛かった $i$ の偏角から $90^\circ$ と読める。中心が違う 2 つの回転は、順番を変えると着く先が変わります。