题目
设 z_1 = (1+i)/(sqrt(2)), z_2 = sqrt(3) - i, 试用指数形式表示 z_1 z_2 及 (z_1)/(z_2).
设 $z_1 = \frac{1+i}{\sqrt{2}}$, $z_2 = \sqrt{3} - i$, 试用指数形式表示 $z_1 z_2$ 及 $\frac{z_1}{z_2}$.
题目解答
答案
我们来逐步解决这个问题:
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### **题目:**
设
$$
z_1 = \frac{1+i}{\sqrt{2}}, \quad z_2 = \sqrt{3} - i
$$
试用**指数形式**表示:
1. $ z_1 z_2 $
2. $ \frac{z_1}{z_2} $
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## **第一步:将复数转换为指数形式**
复数的指数形式为:
$$
z = r e^{i\theta}
$$
其中:
- $ r = |z| $ 是模长;
- $ \theta = \arg(z) $ 是幅角(通常取主值,即 $ -\pi < \theta \leq \pi $)
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### **1. 求 $ z_1 = \frac{1+i}{\sqrt{2}} $ 的指数形式**
先写出 $ z_1 = \frac{1+i}{\sqrt{2}} $
- 模长:
$$
|z_1| = \left| \frac{1+i}{\sqrt{2}} \right| = \frac{|1+i|}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{1^2 + 1^2}}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{\sqrt{2}} = 1
$$
- 幅角:
$$
\arg(1+i) = \tan^{-1}(1/1) = \frac{\pi}{4}
$$
所以:
$$
z_1 = e^{i\frac{\pi}{4}}
$$
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### **2. 求 $ z_2 = \sqrt{3} - i $ 的指数形式**
- 模长:
$$
|z_2| = \sqrt{(\sqrt{3})^2 + (-1)^2} = \sqrt{3 + 1} = \sqrt{4} = 2
$$
- 幅角:
$$
\arg(z_2) = \tan^{-1}\left( \frac{-1}{\sqrt{3}} \right)
$$
注意:点 $ (\sqrt{3}, -1) $ 在第四象限,所以幅角是负数:
$$
\arg(z_2) = -\tan^{-1}\left( \frac{1}{\sqrt{3}} \right) = -\frac{\pi}{6}
$$
所以:
$$
z_2 = 2 e^{-i\frac{\pi}{6}}
$$
---
## **第二步:求 $ z_1 z_2 $ 的指数形式**
我们有:
$$
z_1 = e^{i\frac{\pi}{4}}, \quad z_2 = 2 e^{-i\frac{\pi}{6}}
$$
相乘:
$$
z_1 z_2 = e^{i\frac{\pi}{4}} \cdot 2 e^{-i\frac{\pi}{6}} = 2 e^{i\left( \frac{\pi}{4} - \frac{\pi}{6} \right)} = 2 e^{i\left( \frac{3\pi - 2\pi}{12} \right)} = 2 e^{i\frac{\pi}{12}}
$$
---
## **第三步:求 $ \frac{z_1}{z_2} $ 的指数形式**
$$
\frac{z_1}{z_2} = \frac{e^{i\frac{\pi}{4}}}{2 e^{-i\frac{\pi}{6}}} = \frac{1}{2} e^{i\left( \frac{\pi}{4} + \frac{\pi}{6} \right)} = \frac{1}{2} e^{i\left( \frac{3\pi + 2\pi}{12} \right)} = \frac{1}{2} e^{i\frac{5\pi}{12}}
$$
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## **最终答案:**
1. $ z_1 z_2 = \boxed{2 e^{i\frac{\pi}{12}}} $
2. $ \frac{z_1}{z_2} = \boxed{\frac{1}{2} e^{i\frac{5\pi}{12}}} $
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如需进一步转换为代数形式或极坐标形式,也可以继续计算,但题目只要求指数形式,所以到此为止。
解析
考查要点:本题主要考查复数的指数形式转换及乘除运算。
解题思路:
- 将每个复数转换为指数形式,需计算模长和幅角;
- 利用指数形式的乘除法则:模长相乘/除,幅角相加/减。
关键点:
- 模长计算:复数 $a+bi$ 的模长为 $\sqrt{a^2 + b^2}$;
- 幅角计算:根据复数所在象限确定主值,注意符号;
- 运算规则:乘法模长相乘、幅角相加;除法模长相除、幅角相减。
1. 将 $z_1$ 和 $z_2$ 转换为指数形式
$z_1 = \frac{1+i}{\sqrt{2}}$
- 模长:
$|z_1| = \frac{\sqrt{1^2 + 1^2}}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{\sqrt{2}} = 1$ - 幅角:
$\arg(z_1) = \tan^{-1}\left(\frac{1}{1}\right) = \frac{\pi}{4}$ - 指数形式:
$z_1 = e^{i\frac{\pi}{4}}$
$z_2 = \sqrt{3} - i$
- 模长:
$|z_2| = \sqrt{(\sqrt{3})^2 + (-1)^2} = \sqrt{4} = 2$ - 幅角:
$\arg(z_2) = \tan^{-1}\left(\frac{-1}{\sqrt{3}}\right) = -\frac{\pi}{6} \quad (\text{第四象限})$ - 指数形式:
$z_2 = 2 e^{-i\frac{\pi}{6}}$
2. 计算 $z_1 z_2$
- 模长:
$|z_1 z_2| = |z_1| \cdot |z_2| = 1 \cdot 2 = 2$ - 幅角:
$\arg(z_1 z_2) = \frac{\pi}{4} + \left(-\frac{\pi}{6}\right) = \frac{\pi}{12}$ - 指数形式:
$z_1 z_2 = 2 e^{i\frac{\pi}{12}}$
3. 计算 $\frac{z_1}{z_2}$
- 模长:
$\left|\frac{z_1}{z_2}\right| = \frac{|z_1|}{|z_2|} = \frac{1}{2}$ - 幅角:
$\arg\left(\frac{z_1}{z_2}\right) = \frac{\pi}{4} - \left(-\frac{\pi}{6}\right) = \frac{5\pi}{12}$ - 指数形式:
$\frac{z_1}{z_2} = \frac{1}{2} e^{i\frac{5\pi}{12}}$