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数学
题目

复数 z 满足 z^3 = 125,则 z = 5。A 对B 错

复数 $z$ 满足 $z^3 = 125$,则 $z = 5$。 A 对 B 错

题目解答

答案

我们来一步一步分析这个题目:

题目说:

> 复数 $ z $ 满足 $ z^3 = 125 $,则 $ z = 5 $。

然后让我们判断这个命题是否正确,选项是:

A. 对
B. 错

第一步:理解方程 $ z^3 = 125 $

这是一个复数方程。我们要找的是所有满足 $ z^3 = 125 $ 的复数 $ z $。

注意:虽然 $ 5^3 = 125 $,但在复数范围内,一个三次方程应该有 三个根(根据代数基本定理)。

所以,我们要求的是 $ z^3 = 125 $ 的所有复数解。

第二步:将 125 写成复数的极坐标形式

$ 125 $ 是一个正实数,可以写成:

$125 = 125 \cdot (\cos 0 + i \sin 0)$

或者更一般地,由于角度是周期性的:

$125 = 125 \cdot \left( \cos(2k\pi) + i \sin(2k\pi) \right), \quad k \in \mathbb{Z}$

我们要求 $ z $,使得 $ z^3 = 125 $,即求 125 的三次方根。

使用棣莫弗定理,三次方根为:

$z = \sqrt[3]{125} \left[ \cos\left( \frac{2k\pi}{3} \right) + i \sin\left( \frac{2k\pi}{3} \right) \right], \quad k = 0, 1, 2$

因为 $ \sqrt[3]{125} = 5 $,所以三个根为:

  • 当 $ k = 0 $:
    $z = 5 \left[ \cos 0 + i \sin 0 \right] = 5(1 + 0i) = 5$

  • 当 $ k = 1 $:
    $z = 5 \left[ \cos\left( \frac{2\pi}{3} \right) + i \sin\left( \frac{2\pi}{3} \right) \right] = 5 \left( -\frac{1}{2} + i \frac{\sqrt{3}}{2} \right) = -\frac{5}{2} + i \frac{5\sqrt{3}}{2}$

  • 当 $ k = 2 $:
    $z = 5 \left[ \cos\left( \frac{4\pi}{3} \right) + i \sin\left( \frac{4\pi}{3} \right) \right] = 5 \left( -\frac{1}{2} - i \frac{\sqrt{3}}{2} \right) = -\frac{5}{2} - i \frac{5\sqrt{3}}{2}$

所以,方程 $ z^3 = 125 $ 有三个复数解:

$z = 5, \quad z = -\frac{5}{2} + i \frac{5\sqrt{3}}{2}, \quad z = -\frac{5}{2} - i \frac{5\sqrt{3}}{2}$

第三步:分析原命题

原命题是:

> 复数 $ z $ 满足 $ z^3 = 125 $,则 $ z = 5 $。

这个说法的意思是:只要 $ z $ 满足 $ z^3 = 125 $,就一定有 $ z = 5 $。

但我们刚刚算出,还有另外两个复数解,它们也满足方程,但不等于 5。

所以,这个命题是不正确的,因为它忽略了另外两个复数根。

结论:

命题“复数 $ z $ 满足 $ z^3 = 125 $,则 $ z = 5 $”是错误的。

正确答案是:

$\boxed{\text{B 错}}$

解析

本题考查复数方程的求解以及对命题正确性的判断。解题思路是先明确在复数范围内求解方程$z^3 = 125$的所有根,再根据求出的根判断命题“复数$z$满足$z^3 = 125$,则$z = 5$”是否正确。

  1. 将$125$写成复数的极坐标形式:
    因为$125$是正实数,所以$125 = 125(\cos 0 + i\sin 0)$,更一般地可写成$125 = 125[\cos(2k\pi) + i\sin(2k\pi)]$,其中$k\in\mathbb{Z}$。
  2. 求$z^3 = 125$的所有复数解:
    根据棣莫弗定理,对于方程$z^n = r(\cos\theta + i\sin\theta)$,其$n$个根为$z = \sqrt[n]{r}[\cos(\frac{\theta + 2k\pi}{n}) + i\sin(\frac{\theta + 2k\pi}{n})]$,$k = 0,1,\cdots,n - 1$。
    在方程$z^3 = 125 = 125[\cos(2k\pi) + i\sin(2k\pi)]$中,$n = 3$,$r = 125$,$\theta = 0$,则$z = \sqrt[3]{125}[\cos(\frac{2k\pi}{3}) + i\sin(\frac{2k\pi}{3})]$,$k = 0,1,2$。
    由于$\sqrt[3]{125} = 5$,分别计算$k$取不同值时的根:
    • 当$k = 0$时:
      $z = 5[\cos 0 + i\sin 0]=5(1 + 0i)=5$
    • 当$k = 1$时:
      $z = 5[\cos(\frac{2\pi}{3}) + i\sin(\frac{2\pi}{3})]=5(-\frac{1}{2} + i\frac{\sqrt{3}}{2})=-\frac{5}{2} + i\frac{5\sqrt{3}}{2}$
    • 当$k = 2$时:
      $z = 5[\cos(\frac{4\pi}{3}) + i\sin(\frac{4\pi}{3})]=5(-\frac{1}{2} - i\frac{\sqrt{3}}{2})=-\frac{5}{2} - i\frac{5\sqrt{3}}{2}$
      所以方程$z^3 = 125$的三个复数解为$z = 5$,$z = -\frac{5}{2} + i\frac{5\sqrt{3}}{2}$,$z = -\frac{5}{2} - i\frac{5\sqrt{3}}{2}$。
  3. 判断命题的正确性:
    命题“复数$z$满足$z^3 = 125$,则$z = 5$”表示只要$z$满足$z^3 = 125$,就一定有$z = 5$。但我们求出了另外两个复数解也满足方程,所以该命题错误。

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