四、计算题(本大题共7个小题,共70分,答案务必写在答题纸上)1.求sqrt[3](1+sqrt(3)i)的值.
题目解答
答案
为了求解 $\sqrt[3]{1+\sqrt{3}i}$ 的值,我们首先需要将复数 $1 + \sqrt{3}i$ 转换为极坐标形式。极坐标形式的复数表示为 $re^{i\theta}$,其中 $r$ 是复数的模,$\theta$ 是复数的辐角。
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计算复数的模 $r$:
$r = \sqrt{1^2 + (\sqrt{3})^2} = \sqrt{1 + 3} = \sqrt{4} = 2$ -
计算复数的辐角 $\theta$:
$\theta = \tan^{-1}\left(\frac{\sqrt{3}}{1}\right) = \frac{\pi}{3}$因此,复数 $1 + \sqrt{3}i$ 的极坐标形式为:
$1 + \sqrt{3}i = 2e^{i\frac{\pi}{3}}$ -
求复数的立方根:
复数 $re^{i\theta}$ 的 $n$ 次根由以下公式给出:
$\sqrt[n]{re^{i\theta}} = \sqrt[n]{r} e^{i\left(\frac{\theta + 2k\pi}{n}\right)}$
其中 $k = 0, 1, 2, \ldots, n-1$。对于立方根, $n = 3$,所以:
$\sqrt[3]{2e^{i\frac{\pi}{3}}} = \sqrt[3]{2} e^{i\left(\frac{\frac{\pi}{3} + 2k\pi}{3}\right)} = \sqrt[3]{2} e^{i\left(\frac{\pi + 6k\pi}{9}\right)} = \sqrt[3]{2} e^{i\left(\frac{\pi(1 + 6k)}{9}\right)}$
其中 $k = 0, 1, 2$。 -
计算三个根:
- 对于 $k = 0$:
$\sqrt[3]{2} e^{i\frac{\pi}{9}} = \sqrt[3]{2} \left( \cos\frac{\pi}{9} + i\sin\frac{\pi}{9} \right)$ - 对于 $k = 1$:
$\sqrt[3]{2} e^{i\frac{7\pi}{9}} = \sqrt[3]{2} \left( \cos\frac{7\pi}{9} + i\sin\frac{7\pi}{9} \right)$ - 对于 $k = 2$:
$\sqrt[3]{2} e^{i\frac{13\pi}{9}} = \sqrt[3]{2} \left( \cos\frac{13\pi}{9} + i\sin\frac{13\pi}{9} \right)$
因此,$\sqrt[3]{1+\sqrt{3}i}$ 的值为:
$\boxed{\sqrt[3]{2} \left( \cos\frac{\pi}{9} + i\sin\frac{\pi}{9} \right), \sqrt[3]{2} \left( \cos\frac{7\pi}{9} + i\sin\frac{7\pi}{9} \right), \sqrt[3]{2} \left( \cos\frac{13\pi}{9} + i\sin\frac{13\pi}{9} \right)}$ - 对于 $k = 0$:
解析
本题考查复数的极坐标形式以及复数的 $n$ 次方根的计算。解题思路是先将给定的复数 $1 + \sqrt{3}i$ 转化为极坐标形式 $re^{i\theta}$,其中 $r$ 是复数的模,$\theta$ 是复数的辐角,然后利用复数 $n$ 次方根的公式 $\sqrt[n]{re^{i\theta}} = \sqrt[n]{r} e^{i\left(\frac{\theta + 2k\pi}{n}\right)}$($k = 0, 1, 2, \ldots, n - 1$)来计算立方根。
- 计算复数的模 $r$:
对于复数 $z = a + bi$,其模 $r$ 的计算公式为 $r = \sqrt{a^2 + b^2}$。
在复数 $1 + \sqrt{3}i$ 中,$a = 1$,$b = \sqrt{3}$,则:
$\begin{align*}r&=\sqrt{1^2 + (\sqrt{3})^2}\\&=\sqrt{1 + 3}\\&=\sqrt{4}\\&= 2\end{align*}$ - 计算复数的辐角 $\theta$:
对于复数 $z = a + bi$,其辐角 $\theta$ 满足 $\tan\theta = \frac{b}{a}$。
在复数 $1 + \sqrt{3}i$ 中,$a = 1$,$b = \sqrt{3}$,则:
$\theta = \tan^{-1}\left(\frac{\sqrt{3}}{1}\right) = \frac{\pi}{3}$
所以,复数 $1 + \sqrt{3}i$ 的极坐标形式为 $1 + \sqrt{3}i = 2e^{i\frac{\pi}{3}}$。 - 求复数的立方根:
已知复数 $re^{i\theta}$ 的 $n$ 次根公式为 $\sqrt[n]{re^{i\theta}} = \sqrt[n]{r} e^{i\left(\frac{\theta + 2k\pi}{n}\right)}$,其中 $k = 0, 1, 2, \ldots, n - 1$。
对于本题,要求立方根,即 $n = 3$,则:
$\begin{align*}\sqrt[3]{2e^{i\frac{\pi}{3}}}&=\sqrt[3]{2} e^{i\left(\frac{\frac{\pi}{3} + 2k\pi}{3}\right)}\\&=\sqrt[3]{2} e^{i\left(\frac{\pi + 6k\pi}{9}\right)}\\&=\sqrt[3]{2} e^{i\left(\frac{\pi(1 + 6k)}{9}\right)}\end{align*}$
其中 $k = 0, 1, 2$。 - 计算三个根:
- 当 $k = 0$ 时:
$\sqrt[3]{2} e^{i\frac{\pi}{9}} = \sqrt[3]{2} \left( \cos\frac{\pi}{9} + i\sin\frac{\pi}{9} \right)$ - 当 $k = 1$ 时:
$\sqrt[3]{2} e^{i\frac{7\pi}{9}} = \sqrt[3]{2} \left( \cos\frac{7\pi}{9} + i\sin\frac{7\pi}{9} \right)$ - 当 $k = 2$ 时:
$\sqrt[3]{2} e^{i\frac{13\pi}{9}} = \sqrt[3]{2} \left( \cos\frac{13\pi}{9} + i\sin\frac{13\pi}{9} \right)$
- 当 $k = 0$ 时: