7.3 复数的三角表示

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7.3 复数的三角表示

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7.3* 复数的三角表示
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1.通过复数的几何意义,了解复数的三角表示,了解复数的代数表示与三角表示之间的关系(数学抽象). 2.了解复数乘、除运算的三角表示及其几何意义(数学运算).   复数可以用a+bi(a,b∈R)的形式来表示,复数a+bi与复平面内的点Z(a,b)一一对应,与平面向量=(a,b)也是一一对应的,你能用向量的模r和以x轴的非负半轴为始边,以向量所在射线(射线OZ)为终边的角θ来表示复数z吗?
知识点一|复数的三角形式
问题1 我们知道复数z=a+bi可以由向量在两坐标轴方向上的投影a,b来确定,向量也可以由它的大小和方向唯一确定,那么能否借助向量的大小和方向这两个要素来表示复数呢?
提示:可以由复数z的模和复平面内以x轴的非负半轴为始边、向量所在射线为终边的角来表示复数z.
【知识梳理】
1.定义:一般地,任何一个复数z=a+bi都可以表示成 r(cos θ+isin θ) 的形式.其中,r是复数z的模;θ是以x轴的非负半轴为始边,向量所在射线(射线OZ)为终边的角,叫做复数z=a+bi的 辐角 . r(cos θ+isin θ) 叫做复数z=a+bi的三角表示式,简称三角形式.
2.辐角的主值:我们规定在0≤θ<2π范围内的辐角θ的值为辐角的主值.通常记作arg z,即0≤arg z<2π.
  提醒:辐角和辐角主值的区别:辐角θ是指以x轴的非负半轴为始边,以复数z所对应的向量所在射线(射线OZ)为终边的角,显然辐角有无数个,而辐角主值是指在0≤θ<2π范围内的辐角,因而一个复数的辐角主值只有一个;辐角和辐角主值的联系:θ=2kπ+arg z,k∈Z.
角度1 复数的代数形式化为三角形式
【例1】 (链接教材P84例1)将下列复数的代数形式化成三角形式:
(1)+i;
解:(1)r==2,所以cos θ=,
因为与+i对应的点在第一象限,所以arg(+i)=,
故+i=2.
(2)2-2i.
解:(2)r==2,所以cos θ=,
因为与2-2i对应的点在第四象限,所以arg(2-2i)=,
故2-2i=2.
【规律方法】
将复数的代数形式化为三角形式的步骤
(1)求复数的模;
(2)确定辐角所在的象限;
(3)根据象限求出辐角;
(4)求出复数的三角形式.
角度2 复数的三角形式化成代数形式
【例2】 (链接教材P85例2)把下列复数的三角形式化成代数形式:
(1)4(cos +isin );
解:(1)4(cos +isin )=4cos +(4sin )i=4×+(4×)i=2+2i.
(2)3(cos +isin ).
解:(2)3(cos +isin )=3cos +(3sin )i=3×(-)+3×(-)i=--i.
【规律方法】
将复数的三角形式化为代数形式的方法
复数三角形式为z=r(cos θ+isin θ),代数形式为z=x+yi,对应实部等于实部,虚部等于虚部,即x=rcos θ,y=rsin θ.
训练1 (1)下列复数是复数三角形式表示的是( D )
A. B.-
C. D.cosπ+isinπ
解析:(1)选项A,cos与isin之间要用“+”连接,不是用“-”连接;选项B,-<0不符合r≥0的要求;选项C,icosπ与sinπ是用“+”连接但不是cosπ+isinπ的形式,故A、B、C均不是复数的三角形式.故选D.
(2)复数的代数形式为 1-i .
解析:(2)(cosπ+isinπ)=[cos(π+π)+isin(π+π)]==(-i)=1-i.
知识点二|复数三角形式的乘法法则与几何意义
问题2 根据复数乘法定义,两复数z1=r1(cos θ1+isin θ1)和z2=r2(cos θ2+isin θ2)相乘的结果是什么呢?
提示:z1·z2=r1(cos θ1+isin θ1)·r2(cos θ2+isin θ2)
=r1r2[(cos θ1cos θ2-sin θ1sin θ2)+i(sin θ1cos θ2+cos θ1sin θ2)]
=r1r2[cos(θ1+θ2)+isin(θ1+θ2)].
【知识梳理】
1.乘法运算法则
设z1=r1(cos θ1+isin θ1),z2=r2(cos θ2+isin θ2),则z1z2= r1r2[cos(θ1+θ2)+isin(θ1+θ2)] .
即:两个复数相乘,积的模等于各复数的模的 积 ,积的辐角等于各复数的辐角的 和 .
2.复数乘法的几何意义
两个复数z1,z2相乘时,先分别画出与z1,z2对应的向量,,然后把向量绕点O按逆时针方向旋转角 θ2 (如果θ2<0,就要把绕点O按顺时针方向旋转角|θ2|),再把它的模变为原来的 r2 倍,得到向量,表示的复数就是积z1z2 (如图).
【例3】 (链接教材P87例3)计算:
(1)2×;
解:(1)原式=2=-2i.
(2)(cos 15°+isin 15°)×4(cos 135°-isin 135°).
解:(2)原式=(cos 15°+isin 15°)×4[cos(-135°)+isin(-135°)]
=2[cos(-120°)+isin(-120°)]
=-1-i.
【规律方法】
两个复数三角形式相乘,把模相乘作为积的模,把辐角相加作为积的辐角.若遇到复数的代数形式与三角形式混合相乘时,需将相混的复数统一成代数形式或三角形式,然后进行相乘.
训练2 (1)设复数2-i和3-i的辐角的主值分别为α和β,则α+β=( C )
A.135° B.315°
C.675° D.585°
(2)设向量对应复数z=--i,把绕原点O逆时针旋转120°得到,则对应的复数为 -i (用代数形式表示).
解析:(1)根据题意有2-i=(cos α+isin α),3-i=(cos β+isin β),则(cos α+isin α)×(cos β+isin β)=5[cos(α+β)+isin(α+β)].又(2-i)(3-i)=5-5i,所以cos(α+β)=,sin(α+β)=-,而270°<α<360°,270°<β<360°,所以α+β=675°.
(2)根据复数乘法的几何意义,所求的复数是z=--i乘一个复数z0的积,z0的模是1,辐角的主值是120°,故所求复数是(--i)·(cos 120°+isin 120°)=(--i)(-+i)=-i.
知识点三|复数三角形式的除法法则与几何意义
问题3 根据复数除法定义,两复数z1=r1(cos θ1+isin θ1)和z2=r2(cos θ2+isin θ2)(z2≠0)相除的结果是什么呢?
提示:=

=[(cos θ1cos θ2+sin θ1sin θ2)-i(cos θ1sin θ2-sin θ1cos θ2)]=[cos(θ1-θ2)+isin(θ1-θ2)].
【知识梳理】
1.除法运算法则
设z1=r1(cos θ1+isin θ1),z2=r2(cos θ2+isin θ2),且z2≠0,则= [cos(θ1-θ2)+isin(θ1-θ2)] .
即:两个复数相除,商的模等于被除数的模除以除数的模所得的 商 ,商的辐角等于被除数的辐角减去除数的辐角所得的 差 .
2.复数除法的几何意义
两个复数z1,z2相除时,先分别画出与z1,z2对应的向量,,然后把向量绕点O按顺时针方向旋转角 θ2 (如果θ2<0,就要把绕点O按逆时针方向旋转角|θ2|),再把它的模变为原来的  ,得到向量,表示的复数就是商(如图).
【例4】 (链接教材P88例5)计算:
(1)(cos 225°+isin 225°)÷[(cos 150°+isin 150°)];
(2)4÷(cos +isin ).
解:(1)(cos 225°+isin 225°)÷[(cos 150°+isin 150°)]=[cos(225°-150°)+isin(225°-150°)]=(cos 75°+isin 75°)=(+i)=+i.
(2)4÷(cos +isin )=4(cos 0+isin 0)÷(cos +isin )=4[cos(-)+isin(-)]=2-2i.
【规律方法】
两个三角形式的复数相除(除数不为0),则商还是一个复数,它的模等于被除数的模除以除数的模所得的商,它的辐角等于被除数的辐角减去除数的辐角所得的差.出现复数的代数形式先转化为复数的三角形式再计算.
训练3 计算:2i÷.
解:2i÷=2(cos 90°+isin 90°)÷
=4(cos 60°+isin 60°)=2+2i.
欧拉公式及应用
 欧拉公式eix=cos x+isin x(x∈R,i为虚数单位)是由瑞士著名数学家欧拉发明的,它将指数函数的定义域推广到复数,建立了三角函数与指数函数的关系,它在复变函数论里占有非常重要的地位,被誉为“数学中的天桥”.
【典例】 (1)欧拉公式ei θ=cos θ+isin θ把自然对数的底数e、虚数单位i、三角函数联系在一起,充分体现了数学的和谐美.若复数z满足(eiπ+i)·z=i,则z的虚部为( B )
A. B.-
C.1 D.-1
解析:(1)由欧拉公式知eiπ=cos π+isin π=-1,∴(eiπ+i)·z=(-1+i)·z=i,∴z====-i,∴z的虚部为-.故选B.
(2)〔多选〕欧拉公式exi=cos x+isin x(其中i为虚数单位,x∈R),依据欧拉公式,下列选项正确的是( BC )
A.复数e2i对应的点位于第三象限
B.为纯虚数
C.复数的模等于
D.的共轭复数为-i
解析:(2)由题知e2i=cos 2+isin 2,而cos 2<0,sin 2>0,则复数e2i对应的点位于第二象限,故A错误;=cos+isin=i,则为纯虚数,故B正确;===+i,则的模为==,故C正确;=cos+isin=+i,其共轭复数为-i,故D错误.故选B、C.
【迁移应用】
欧拉公式eiθ=cos θ+isin θ(e=2.718 28…),被誉为数学上优美的数学公式.已知=+i,则θ=(  )
A.+2kπ(k∈Z) B.+2kπ(k∈Z)
C.+kπ(k∈Z) D.+kπ(k∈Z)
解析:B ∵eiθ=cos θ+isin θ,∴=cos(θ+)+isin(θ+)=+i,∴ θ+=2kπ+(k∈Z),∴θ=2kπ+(k∈Z).故选B.
1.复数z=1+i(i为虚数单位)的三角形式为(  )
A.z=(sin 45°+icos 45°)
B.z=(cos 45°+isin 45°)
C.z=[cos(-45°)-isin(-45°)]
D.z=[cos(-45°)+isin(-45°)]
解析:B 依题意得r==,复数z=1+i对应的点在第一象限,且cos θ=,因此,arg z=45°,结合选项知B正确.故选B.
2.(cos +isin )(cos +isin )= (cos +isin ) .
解析:原式=[cos(+)+isin(+)]=(cos +isin ).
3.若|z|=2,arg z=,则复数z= 1+i .
解析:由题意知,z=2=1+i.
4.计算= 1+i .
解析:

=2=1+i.
课堂小结
1.理清单 (1)复数的三角形式; (2)复数三角形式的乘、除运算及其几何意义. 2.应体会 运用复数乘、除法的几何意义时,关键要明确模与辐角的变化,抓住向量与复数间的对应关系. 3.避易错 (1)复数的三角形式的结构特征:模非负,角相同,余弦前,加号连; (2)利用复数三角形式乘、除时,复数必须是三角形式的标准形式.
1.若a<0,则a的三角形式为(  )
A.a(cos 0+isin 0) B.a(cos π+isin π)
C.-a(cos π+isin π) D.-a(cos π-isin π)
解析:C 因为a<0,所以辐角主值为π,故其三角形式为-a(cos π+isin π).故选C.
2.复数z=-i的三角形式为(  )
A.2 B.2
C.2 D.2
解析:D 因为r=2,所以cos θ=,因为z=-i对应的点在第四象限,所以arg(-i)=,故z=-i=2.
3.复数(sin 10°+icos 10°)(sin 10°+icos 10°)的三角形式是(  )
A.sin 30°+icos 30° B.cos 160°+isin 160°
C.cos 30°+isin 30° D.sin 160°+icos 160°
解析:B (sin 10°+icos 10°)(sin 10°+icos 10°)=(cos 80°+isin 80°)(cos 80°+isin 80°)=cos 160°+isin 160°.故选B.
4.将复数i对应的向量绕原点按顺时针方向旋转,得到向量,则对应的复数是(  )
A.+i B.-+i
C.--i D.-i
解析:A i=cos+isin,将绕原点按顺时针方向旋转得到对应的复数为cos+isin=+i.
5.〔多选〕已知复数z=1+i(i为虚数单位),则下列说法中正确的是(  )
A.z的共轭复数为=-1+i
B.|z|=
C.z的辐角主值是
D.=1+i
解析:BCD 因为z=1+i,所以=1-i,故A错误;|z|==,故B正确;z=(cos +isin ),所以arg z=,故C正确;===1+i,故D正确.故选B、C、D.
6.〔多选〕已知单位向量,分别对应复数z1,z2,且·=0,则可能为(  )
A.i B.1
C.-1 D.-i
解析:AD 因为单位向量,分别对应复数z1,z2,设复数z1=cos θ1+isin θ1,z2=cos θ2+isin θ2,因为·=0,所以⊥,即θ1-θ2=kπ+,k∈Z,所以==cos(θ1-θ2)+isin(θ1-θ2)=cos(kπ+)+isin(kπ+)=±i.故选A、D.
7.复数cos+isin的辐角主值是  .
解析:原式=cos+isin=cos+isin,故其辐角主值为.
8.计算(cos 40°+isin 40°)÷(cos 10°+isin 10°)= +i .
解析:(cos 40°+isin 40°)÷(cos 10°+isin 10°)= cos(40°-10°)+isin(40°-10°)=cos 30°+isin 30°=+i.
9.已知复数z-1的一个辐角为,z+1的一个辐角为,则复数z= -+i .
解析:设z=a+bi(a,b∈R),∵z-1=a-1+bi的一个辐角为,∴=tan =-①,∵z+1=a+1+bi的一个辐角为,∴=tan =②,联立①②,得∴z=-+i.
10.计算:
(1)2×;
(2)2(cos-isin)÷[(cos+isin)].
解:(1)原式=2×[cos(+π)+isin(+π)]==-+i.
(2)原式=2÷
=2
=2
=-2i.
11.如果θ∈,那么复数(1+i)(cos θ+isin θ)的辐角主值是(  )
A.θ+ B.θ+
C.θ- D.θ+
解析:B (1+i)(cos θ+isin θ)=(cos+isin)(cos θ+isin θ)=[cos(θ+)+isin(θ+)],∵θ∈,∴θ+∈,∴该复数的辐角主值是θ+.故选B.
12.〔多选〕1748年,瑞士数学家欧拉发现了复指数函数和三角函数的关系,并写下公式eix=cos x+isin x(x∈R,i为虚数单位),这个公式在复变函数中有非常重要的地位,被誉为“数学中的天桥”,据此公式,则有(  )
A.eiπ+1=0 B.(+i)2 025=-1
C.|eix+e-ix|≤2 D.-2≤eix-e-ix≤2
解析:ABC 对于A,当x=π时,因为eiπ=cos π+isin π=-1,所以eiπ+1=0,故A正确;对于B,(+i)2 025=(cos +isin )2 025=()2 025=e675πi=cos 675π+isin 675π=-1,故B正确;对于C,由eix=cos x+isin x,e-ix=cos(-x)+isin(-x)=cos x-isin x,所以eix+e-ix=2cos x,得出|eix+e-ix|=|2cos x|≤2,故C正确;对于D,由C分析得eix-e-ix=2isin x,推不出-2≤eix-e-ix≤2,故D错误.故选A、B、C.
13.在复平面上,一个正方形的四个顶点按逆时针方向依次为Z1,Z2,Z3,O(其中O是原点),已知Z1对应复数z1=1+i.若Z3对应的复数为z3,则Z1和Z3对应的复数的乘积z1z3= -2-2i .
解析:由题意得|z3|=|z1|=2,复平面上线段OZ1与x轴正半轴的夹角为,则线段OZ3与x轴正半轴的夹角为,所以z3=2(cos +isin )=-+i,所以z1z3=(1+i)(-+i)=-2-2i.
14.设z=-i对应的向量为,将绕原点O按逆时针方向和顺时针方向分别旋转60°和30°,求所得两个向量对应的复数(用代数形式表示).
解:绕原点O按逆时针方向旋转60°所得向量对应的复数为(-i)(cos 60°+isin 60°)
=(-i)(+i)=1;
绕原点O按顺时针方向旋转30°所得向量对应的复数为(-i)[cos(-30°)+isin(-30°)]
=(-i)(-i)=-i.
15.已知复数z=(m+3)-(m+1)i在复平面内对应的点在第一象限,i是虚数单位.
(1)求实数m的取值范围;
(2)当m=-2时,求复数z的三角表示式;
(3)若在复平面内,向量对应(2)中的复数z,把绕点O按顺时针方向旋转60°得到,求向量对应的复数z1(结果用代数形式表示).
解:(1)因为复数z=(m+3)-(m+1)i在复平面内对应的点在第一象限,
所以解得-3<m<-1,所以实数m的取值范围为(-3,-1).
(2)当m=-2时,z=1+i,所以r==,cos θ=sin θ==,
所以θ=45°,
所以z=(cos 45°+isin 45°).
(3)根据题意得z=1+i在复平面内对应的向量=(1,1),将其顺时针旋转60°后得到向量,则对应的复数z1===+i.
1 / 17.3* 复数的三角表示
1.通过复数的几何意义,了解复数的三角表示,了解复数的代数表示与三角表示之间的关系(数学抽象). 2.了解复数乘、除运算的三角表示及其几何意义(数学运算).
  
知识点一|复数的三角形式
问题1 我们知道复数z=a+bi可以由向量在两坐标轴方向上的投影a,b来确定,向量也可以由它的大小和方向唯一确定,那么能否借助向量的大小和方向这两个要素来表示复数呢?
【知识梳理】
1.定义:一般地,任何一个复数z=a+bi都可以表示成        的形式.其中,r是复数z的模;θ是以x轴的非负半轴为始边,向量所在射线(射线OZ)为终边的角,叫做复数z=a+bi的    .      叫做复数z=a+bi的三角表示式,简称三角形式.
2.辐角的主值:我们规定在0≤θ<2π范围内的辐角θ的值为辐角的主值.通常记作arg z,即0≤arg z<2π.
  提醒:辐角和辐角主值的区别:辐角θ是指以x轴的非负半轴为始边,以复数z所对应的向量所在射线(射线OZ)为终边的角,显然辐角有无数个,而辐角主值是指在0≤θ<2π范围内的辐角,因而一个复数的辐角主值只有一个;辐角和辐角主值的联系:θ=2kπ+arg z,k∈Z.
角度1 复数的代数形式化为三角形式
【例1】 (链接教材P84例1)将下列复数的代数形式化成三角形式:
(1)+i;
(2)2-2i.
【规律方法】
将复数的代数形式化为三角形式的步骤
(1)求复数的模;
(2)确定辐角所在的象限;
(3)根据象限求出辐角;
(4)求出复数的三角形式.
角度2 复数的三角形式化成代数形式
【例2】 (链接教材P85例2)把下列复数的三角形式化成代数形式:
(1)4(cos +isin );
(2)3(cos +isin ).
【规律方法】
将复数的三角形式化为代数形式的方法
复数三角形式为z=r(cos θ+isin θ),代数形式为z=x+yi,对应实部等于实部,虚部等于虚部,即x=rcos θ,y=rsin θ.
训练1 (1)下列复数是复数三角形式表示的是(  )
A. B.-
C. D.cosπ+isinπ
(2)复数的代数形式为    .
知识点二|复数三角形式的乘法法则与几何意义
问题2 根据复数乘法定义,两复数z1=r1(cos θ1+isin θ1)和z2=r2(cos θ2+isin θ2)相乘的结果是什么呢?
【知识梳理】
1.乘法运算法则
设z1=r1(cos θ1+isin θ1),z2=r2(cos θ2+isin θ2),则z1z2=           .
即:两个复数相乘,积的模等于各复数的模的    ,积的辐角等于各复数的辐角的    .
2.复数乘法的几何意义
两个复数z1,z2相乘时,先分别画出与z1,z2对应的向量,,然后把向量绕点O按逆时针方向旋转角    (如果θ2<0,就要把绕点O按顺时针方向旋转角|θ2|),再把它的模变为原来的    倍,得到向量,表示的复数就是积z1z2 (如图).
【例3】 (链接教材P87例3)计算:
(1)2×;
(2)(cos 15°+isin 15°)×4(cos 135°-isin 135°).
【规律方法】
两个复数三角形式相乘,把模相乘作为积的模,把辐角相加作为积的辐角.若遇到复数的代数形式与三角形式混合相乘时,需将相混的复数统一成代数形式或三角形式,然后进行相乘.
训练2 (1)设复数2-i和3-i的辐角的主值分别为α和β,则α+β=(  )
A.135° B.315°
C.675° D.585°
(2)设向量对应复数z=--i,把绕原点O逆时针旋转120°得到,则对应的复数为    (用代数形式表示). 
知识点三|复数三角形式的除法法则与几何意义
问题3 根据复数除法定义,两复数z1=r1(cos θ1+isin θ1)和z2=r2(cos θ2+isin θ2)(z2≠0)相除的结果是什么呢?
【知识梳理】
1.除法运算法则
设z1=r1(cos θ1+isin θ1),z2=r2(cos θ2+isin θ2),且z2≠0,则=                .
即:两个复数相除,商的模等于被除数的模除以除数的模所得的      ,商的辐角等于被除数的辐角减去除数的辐角所得的     .
2.复数除法的几何意义
两个复数z1,z2相除时,先分别画出与z1,z2对应的向量,,然后把向量绕点O按顺时针方向旋转角    (如果θ2<0,就要把绕点O按逆时针方向旋转角|θ2|),再把它的模变为原来的    ,得到向量,表示的复数就是商(如图).
【例4】 (链接教材P88例5)计算:
(1)(cos 225°+isin 225°)÷[(cos 150°+isin 150°)];
(2)4÷(cos +isin ).
【规律方法】
两个三角形式的复数相除(除数不为0),则商还是一个复数,它的模等于被除数的模除以除数的模所得的商,它的辐角等于被除数的辐角减去除数的辐角所得的差.出现复数的代数形式先转化为复数的三角形式再计算.
训练3 计算:2i÷.
欧拉公式及应用
 欧拉公式eix=cos x+isin x(x∈R,i为虚数单位)是由瑞士著名数学家欧拉发明的,它将指数函数的定义域推广到复数,建立了三角函数与指数函数的关系,它在复变函数论里占有非常重要的地位,被誉为“数学中的天桥”.
【典例】 (1)欧拉公式ei θ=cos θ+isin θ把自然对数的底数e、虚数单位i、三角函数联系在一起,充分体现了数学的和谐美.若复数z满足(eiπ+i)·z=i,则z的虚部为(  )
A. B.-
C.1 D.-1
(2)〔多选〕欧拉公式exi=cos x+isin x(其中i为虚数单位,x∈R),依据欧拉公式,下列选项正确的是(  )
A.复数e2i对应的点位于第三象限 B.为纯虚数
C.复数的模等于 D.的共轭复数为-i
【迁移应用】
欧拉公式eiθ=cos θ+isin θ(e=2.718 28…),被誉为数学上优美的数学公式.已知=+i,则θ=(  )
A.+2kπ(k∈Z) B.+2kπ(k∈Z)
C.+kπ(k∈Z) D.+kπ(k∈Z)
1.复数z=1+i(i为虚数单位)的三角形式为(  )
A.z=(sin 45°+icos 45°)
B.z=(cos 45°+isin 45°)
C.z=[cos(-45°)-isin(-45°)]
D.z=[cos(-45°)+isin(-45°)]
2.(cos +isin )(cos +isin )=    .
3.若|z|=2,arg z=,则复数z=    .
4.计算=    .
1.理清单 (1)复数的三角形式; (2)复数三角形式的乘、除运算及其几何意义. 2.应体会 运用复数乘、除法的几何意义时,关键要明确模与辐角的变化,抓住向量与复数间的对应关系. 3.避易错 (1)复数的三角形式的结构特征:模非负,角相同,余弦前,加号连; (2)利用复数三角形式乘、除时,复数必须是三角形式的标准形式.
提示:完成课后作业 第七章 7.3*
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