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English

割り算は偏角の引き算になる(複素数の商と極形式)

の絶対値は 、偏角は です。

掛け算で足された偏角が、割り算では引かれます[1]。長さのほうも掛け算から割り算へ変わるだけ。

分母を実数にしてから割る

の形で答えが要るときは、分母の共役を分子と分母に掛けます。

分母が という実数になり、あとは実数で割るだけになります[1]

割り算が定義できるのは のときだけ。 になると分母が消えます。

例:

分母の共役は です。分子と分母の両方に掛けます。

になります。分母の そのもの。

極形式なら引き算で済む

共役を掛ける手は、実部と虚部が要るときの手です。角度が知りたいだけなら極形式のほうが速い。

を掛けると、 だけ回して 倍することになります[1]。掛け算のちょうど逆の動きです。

を掛けてから で割ると元へ戻る。回して伸ばしたものを、戻して縮めているだけの話になります。

例:極形式のまま割る

とします。

絶対値は 、偏角は です。

の値を覚えていなくても、この形のまま答えにできます。実部と虚部へ落とすと の計算が要るので、かえって遠回りになる。

例: が表す動き

とした場合です。絶対値は 、偏角は になります。

長さが逆数になり、実軸で折り返される。単位円に関する反転と、実軸の折り返しを続けた動きにあたります。

なら です。単位円の上では、逆数と共役が同じ点になります[3]

canvas: 式は呼び出しにそのまま書いてください。この引数は焼けません -> drawMath(… invMark[index][2] …)

例: で割る

です。 の偏角が なので、割ると 回ります。

を掛けたものと同じで、時計回りに 回した点になります。

なら 。実部と虚部が入れかわって符号が付く形です。

例:2 点のなす角を出す

の偏角は、 から へ向かう矢印と、 から へ向かう矢印のなす角です[3]

割り算が偏角の差になるので、2 本の矢印の角度差がそのまま出てきます。

なら で、偏角は 。角 だと分かります。

のとき

例:割り算と累乗を混ぜる

を出します。 の絶対値は 、偏角は は絶対値 、偏角 です。

分子は絶対値 、偏角 。分母は絶対値 、偏角 になります。

割ると絶対値 、偏角 を引いて です。

展開せずに済みました。累乗と割り算が混ざるほど、極形式が効きます[2]

例:偏角の差が をまたぐ

なら、差は です。

以上 未満でそろえるなら を足して 。同じ点を指しますが、書き方が変わります。

偏角は ずらしても同じ点なので、答えの範囲を先に決めておくと迷いません[2]

を極形式で表すとどれですか。

__RESULT__

絶対値は 、偏角は です。 は偏角を足してしまった値、 は絶対値を掛けてしまった値になります。

補足

が実数になるのは、 の偏角が等しいか 違うときです。原点と 2 点が一直線に並ぶ形。

純虚数になるのは偏角の差が のときで、こちらは 2 本の矢印が直角に交わる形になります。

商の偏角を見るだけで、平行と垂直が判定できる。図形の問題で割り算が出てくるのは、この読み替えが効くためです。

割り算は偏角の引き算。この一行を先に置いておくと、極形式の計算はほとんど暗算で進みます。

参考

Marc Deisenroth. *Complex Numbers*. Revision Notes, Imperial College London, Department of Computing, 2017.
Jörn Dunkel, Jeremy Orloff. *18.04 Complex Analysis with Applications*. MIT, Spring 2019.
Evan Chen. *Bashing Geometry with Complex Numbers*. 2015.
$\dfrac{z_1}{z_2}$ の絶対値は $\dfrac{|z_1|}{|z_2|}$、偏角は $\arg z_1 - \arg z_2$。掛け算で足された偏角が、割り算では引かれます。$a+bi$ の形が要るときは分母の共役を掛けて $|z_2|^2$ という実数に変え、角度だけが要るときは極形式のまま引く。$\dfrac{1}{z}$ は長さが逆数になって実軸で折り返る動きで、単位円の上では共役と一致します。$\dfrac{(1+i)^6}{(1-i)^4}$ を展開せずに $2i$ と出す手順、$\dfrac{\gamma-\alpha}{\beta-\alpha}$ の偏角が 2 本の矢印のなす角になる読み方まで扱いました。