background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

ZADANIA  -   Seria 5, Struktura algebraiczna i geometryczna liczb zespolonych 

 
  1.  Wykazać, że stosunki odległości odpowiednich punktów leżących na prostej 

           

R

t

z

z

t

z

z

,

1

2

1

   ,   

2

1

z

z

  ,       wynoszą: 

                             a)   

2

2

1

,

1

z

z

t

t

z

z

z

z

     ;          b)  

t

z

z

z

z

2

1

1

 

  2.  Określić zbiory punktów płaszczyzny zespolonej spełniających warunki:             

        a)     

i

z

i

z

Arg

i

z

i

z

Arg

2

1

2

lub

0

2

1

2

              b)       

3

1

1

z

z

 

        c)          

3

2

2

z

z

                                          d)       

2

Re

2

z

z

      

  3.  Lemniskata. Przedstawić na płaszczyźnie zespolonej zbiór punktów spełniających   

        równanie 

c

z

1

2

. Dla  

1

c

 zapisać równanie otrzymanej krzywej we współrzędnych     

        biegunowych. 

  4.  Wyznaczyć środek oraz promień okręgu Apoloniusza:       

i

z

i

z

2

5

2

1

 .     

       Wykazać, że dwa punkty spełniające odpowiednio jedno z równań:   

i

z

i

z

2

5

2

1

 

        leżą na średnicy tego okręgu. 

  5.  Wykazać, że dla dowolnej liczby zespolonej 

z

spełnione są następujące równości: 

           a)      

0

Re

2

2

2

z

z

z

z

               b)     

z

z

z

z

z

Re

2

2

 

  6.  Wyznaczyć macierz przekształcenia liniowego 

C

C

f

:

 takiego, że   

z

i

z

f

)

1

(

)

(

 

        w bazie: 

i

e

2

2

1

 ,    

i

e

3

2

2

  7.  Wykazać równoważność następujących wzorów algebraicznych na pierwiastki kwadratowe z       
       liczby zespolonej 

ib

a

z

:  

 a) 

z

z

z

z

z

Re

2

  b)  

z

z

z

z

z

z

2

/

1

 c)





)

(

2

2

2

2

2

2

b

a

a

bi

b

a

a

z

 

  8.    Rozwiązać równania korzystając kolejno ze wszystkich wzorów z zadania 7: 

           a)   

0

3

6

)

1

(

2

i

z

i

z

         b)   

0

1

2

i

z

  9.   Czy obroty wokół punktu (0,0) i przesunięcia równoległe na płaszczyźnie są przemienne?    
        Odpowiedź uzasadnić algebraicznie ( w języku liczb zespolonych ) oraz graficznie ( przykład ). 

10.   Obliczyć pole czworokąta, którego wierzchołkami są rozwiązaniami równania   

0

4

4

i

z

.  

        Podać współrzędne wierzchołków: kartezjańskie oraz biegunowe. 
 
11.   Wykazać równości: 

            a)     

2

)

1

(

2

2

1

cos

sin

sin

)

1

cos(

...

cos

1

n

n

n

 

            b)     

2

)

1

(

2

2

1

sin

sin

sin

)

1

sin(

...

sin

n

n

n

 

 

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

 

ZADANIA  -   Seria 5  -  Uwagi, szkice rozwiązań. 

 
1.  Z równania parametrycznego prostej przechodzącej przez dwa punkty: 

1

z

)

0

(

t

 oraz 

2

z

 

)

1

(

t

     

     otrzymujemy 

                              

1

2

1

z

z

t

z

z

   ,    

 

2

1

2

1

z

z

t

z

z

   ,          

     Stąd:   a)   stosunek odległości dowolnego punktu prostej 

z

 od punktów 

1

z

 i  

2

z

                                                                                              

                      

1

2

2

1

1

2

2

1

1

2

2

1

,

1

1

1

)

)(

1

(

)

(

z

z

z

t

t

t

t

z

z

t

z

z

t

z

z

t

z

z

t

z

z

z

z

 

b)  stosunek odległości punktu 

z

 od punktu 

1

z

 do długości odcinka 

2

1

z

z

   

      

1

2

2

1

1

2

2

1

1

2

2

1

1

,

)

(

z

z

t

z

z

z

z

t

z

z

z

z

t

z

z

z

z

 

 

2.  a)  Wprowadźmy oznaczenia: 

i

z

2

1

i

z

2

1

2

  oraz   

1

1

1

i

e

r

z

z

 ,  

2

2

2

i

e

r

z

z

.     

                                     Wtedy    

2

1

)

(

2

1

2

1

2

1

i

e

r

r

Arg

z

z

z

z

Arg

 

a1) Jeśli  

0

2

1

z

z

z

z

Arg

  to   

2

1

  .   Z układu równań:   

i

i

e

r

z

z

e

r

z

z

2

2

1

1

 

      otrzymujemy kolejno:     

i

e

r

r

z

z

)

(

2

1

1

2

      oraz  

      

)

(

1

2

2

1

1

1

z

z

r

r

r

z

z

   

 równanie parametryczne prostej przechodzącej przez 

1

z

i

2

z

 

                Dla  

2

1

r

r

  parametr  

2

1

1

r

r

r

t

 spełnia nierówność    

1

t

, natomiast 

0

t

 dla 

2

1

r

r

 . 

                Punkt 

z

 leży więc na prostej przechodzącej przez punkty 

1

z

i

2

z

 na zewnątrz odcinka   

                

2

1

z

z

.    

a2) Jeśli  

2

1

z

z

z

z

Arg

  to   

2

1

  .   Z układu równań:   

2

2

2

2

)

(

1

1

i

i

e

r

z

z

e

r

z

z

 

      otrzymujemy kolejno:     

2

)

(

2

1

1

2

i

e

r

r

z

z

     (  

1

i

e

  )   oraz  

      

)

(

1

2

2

1

1

1

z

z

r

r

r

z

z

   

 równanie parametryczne prostej przechodzącej przez 

1

z

i

2

z

 

                Parametr  

2

1

1

r

r

r

t

 spełnia nierówność    

1

0

t

.  

                Punkt 

z

 leży więc na prostej przechodzącej przez punkty 

1

z

i

2

z

 na zewnątrz odcinka   

                

2

1

z

z

.    

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

ZADANIA  -   Seria 5  -  Uwagi, szkice rozwiązań - cd 

 

b)  Jest to równanie elipsy o ogniskach w punktach  

1

1

z

 , 

1

2

z

 będącej miejscem        

     geometrycznym punktów na płaszczyźnie, których suma odległości od ognisk jest stała i  
     wynosi 3. 

c)  Jest to równanie hiperboli o ogniskach w punktach  

2

1

z

 , 

2

2

z

 będącej miejscem        

     geometrycznym punktów na płaszczyźnie, których różnica odległości od ognisk jest stała i  
     wynosi 3. 

d)  Jest to równanie paraboli  będącej miejscem geometrycznym punktów na płaszczyźnie, których  

     różnica odległości od punktu 

2

0

z

 i prostej  

0

Re

z

 jest stała i wynosi 2. 

 

3.  Z równania 

c

z

z

)

1

)(

1

(

 wynika, że iloczyn odległości punktu z od punktów 

1

1

z

 i    

  

1

2

z

 jest równy stałej c. Zbiór takich liczb zespolonych 

z

tworzy na płaszczyźnie zespolonej   

  krzywą zwaną lemniskatą. 

  Dla c = 1  ,  

i

re

z

    

          

)

2

sin

2

(cos

2

2

2

2

i

r

e

r

z

i

      

          

2

sin

1

2

cos

1

2

2

2

ir

r

z

  .   

  Z równania  

1

1

2

2

z

  wynika więc, że     

 

1

2

sin

1

2

cos

2

2

2

2

r

r

 

  i ostatecznie:     

2

cos

2

2

r

 . 

4.  Zbiór punktów, takich że 

b

z

a

z

 tworzy:  

prostą gdy 

1

 ( symetralna odcinka 

 

b

a,

 )   

okrąg ( gdy 

1

0

) o środku w punkcie  

2

2

0

1

b

a

z

    i promieniu  

2

1

b

a

r

  ,     

przy czym 

0

z

 leży na prostej przechodzącej przez punkty a i b , na zewnątrz odcinka 

 

b

a,

Dowód polega na przekształceniu równania     

2

2

2

b

z

a

z

   do postaci     

      

2

2

0

r

z

z

 .  Korzystając z równości    

d

d

d

z

d

z

z

z

w

w

w

2

 , dla                  

      

d

z

w

, otrzymujemy kolejno:  

                        

)

)(

(

)

)(

(

2

b

z

b

z

a

z

a

z

 

           

a

a

b

b

b

a

z

b

a

z

z

z

2

2

2

2

)

(

)

(

)

1

(

 

               

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

)

1

(

)

)(

(

)

1

(

)

1

(

)

)(

(

)

1

(

)

(

)

1

(

)

(

b

a

b

a

a

a

b

b

b

a

b

a

b

a

z

b

a

z

z

z

 

                         

2

2

2

2

2

2

2

)

1

(

1

b

a

b

a

z

 

 

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

ZADANIA  -   Seria 5  -  Uwagi, szkice rozwiązań - cd 

 

W tym przypadku ( 

i

a

1

 ,  

i

b

2

5

2

 )  otrzymujemy   

                       

3

7

3

19

0

i

z

      ,       

3

17

2

r

 

Rozwiązaniami równań   

)

(

b

z

a

z

  są liczby 

z

  postaci:   

     

)

(

1

a

b

a

z

    ,       

)

(

1

a

b

a

z

 

Punkty 

z

 leżą na okręgu oraz na prostej przechodzącej przez punkty a i b. Środek okręgu 

0

z

 leży również na prostej przechodzącej przez punkty a i b, i to dokładnie w środku 

odcinka 

]

,

[

z

z

, będącego średnicą okręgu, bowiem    

                          

)

(

1

1

2

2

2

2

0

a

b

a

b

a

z

   ,     

)

(

2

1

0

z

z

z

 

W tym przypadku 

i

z

3

9

 , 

3

/

5

11

i

z

 . Łatwo sprawdzić, że                         

          

3

17

4

2

r

z

z

       oraz       

3

7

3

19

2

2

1

0

i

z

z

z

 

     Uwaga.  Zadanie można rozwiązać kładąc na samym początku ( 

i

a

1

 ,  

i

b

2

5

2

 ). 

 

 

5. a)  W dowodach korzystamy wyłącznie z równości:  

d

d

d

z

zd

z

z

w

w

w

2

,     

dla

a

z

w

 oraz   

z

z

z

Re

2

.    Otrzymujemy kolejno: 

                 

z

z

z

2

       

         

0

2

z

z

zz

zz

z

        

          

0

)

(

2

z

z

z

zz

z

              

          i ostatecznie         

                                                  

0

Re

2

2

2

z

z

z

z

 

              

 b)  Korzystając z wyniku uzyskanego w zadaniu 5a oraz z własności modułu liczby    

          zespolonej ( moduł iloczynu  =  iloczyn modułów ) otrzymujemy kolejno:          

                 

0

Re

2

2

2

z

z

z

z

         

         

0

Re

2

2

2

2

2

z

z

z

z

z

z

z

z

 

                   

  

z

z

z

z

z

z

z

z

Re

2

2

2

2

2

    

    

)

Re

(

2

)

(

2

z

z

z

z

z

 

          i ostatecznie  

                                                    

z

z

z

z

z

Re

2

2

 

 

6.  Niech 

A

 oznacza macierz przekształcenia liniowego 

C

C

f

:

,  

z

i

z

f

)

1

(

)

(

 w bazie:   

     

i

e

2

2

1

 ,    

i

e

3

2

2

. Kolumny 

j

A

.

 macierzy 

A

 tworzą wektory kolumnowe, będące   

     obrazami elementów bazy 

j

e

przy przekształceniu 

f

, zapisanymi we współrzędnych w bazie 

i

e

 

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

ZADANIA  -   Seria 5  -  Uwagi, szkice rozwiązań - cd 

 

Jeśli     

2

1

)

(

i

i

ij

j

e

a

e

f

      to        

j

j

j

a

a

A

2

1

.

     czyli      

22

21

12

11

a

a

a

a

A

 

W tym przypadku 

       

i

i

i

e

f

4

)

2

2

)(

1

(

)

(

1

        czyli       

)

3

2

(

)

2

2

(

4

21

11

i

a

i

a

i

 

       Równanie zespolone na 

1

i

a

 sprowadza się do układu dwóch równań rzeczywistych ( liczby    

       zespolone są równe gdy ich części rzeczywiste i urojone są równe )

                    

21

11

21

11

3

2

4

2

2

0

a

a

a

a

            stąd         

5

4

21

11

a

a

 

      

i

i

i

e

f

5

)

3

2

)(

1

(

)

(

2

        czyli      

)

3

2

(

)

2

2

(

5

22

12

i

a

i

a

i

 

       Teraz   

                     

21

11

21

11

3

2

1

2

2

5

a

a

a

a

              stąd         

10

13

12

a

  ,     

10

12

12

a

 

Macierz przekształcenia liniowego f ma więc postać:      

12

8

13

8

10

1

A

 

  

7.  Równoważność wzorów a) i b) wynika wprost z równości udowodnionej w zadaniu 5b: 

                   

z

z

z

z

z

Re

2

2

      czyli          

z

z

z

z

z

2

/

1

)

(Re

2

1

 

      Wzór c) można łatwo przekształcić do postaci  a) : 

              

)

(

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

b

a

a

ib

b

a

a

b

a

a

b

i

b

a

a

z

 

                        

z

z

z

z

Re

2

      

      ponieważ dla 

ib

a

z

   mamy   

2

2

Re

b

a

a

z

z

   oraz  

2

2

b

a

ib

a

z

z

 

 

8.  a) Można korzystać ze wzorów na pierwiastki równania kwadratowego  

a

b

z

2

 ,                 

         gdzie   

1

a

,   

i

b

1

  ,   

i

ac

b

10

24

4

2

 .  

         W oparciu o wzory z zadania 7 obliczamy 

              

26

 ,         

i

10

2

 ,       

2

Re

 ,        

26

2

 

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

ZADANIA  -   Seria 5  -  Uwagi, szkice rozwiązań - cd 

 

         We wszystkich trzech przypadkach otrzymujemy    

i

5

1

 . Dlatego 

                                

i

z

2

1

    ,    

i

z

3

 

      b) W tym przypadku korzystamy bezpośrednio ze wzorów z zadania 7: 

            

2

z

 ,         

i

z

z

2

1

 ,       

2

1

Re

z

z

 ,        

2

2

4

z

z

 

          Stąd     a)  

2

2

2

2

1

i

z

      b)   

2

2

4

)

2

1

(

2

4

i

z

     c)   

2

2

2

2

1

i

z

 

          Należy jeszcze sprawdzić ( podnosząc obie strony do kwadratu ), że  

                                                

2

2

4

2

2

2

1

4

 

 

9.  Każdej liczbie zespolonej 

1

z

można przyporządkować przekształcenie płaszczyzny zespolonej  

       

1

1

:

)

(

z

z

z

z

T

      -   przesunięcie równoległe,  a liczbie zespolonej o module równym jeden    

     postaci  

2

2

i

e

z

   obrót wokół punktu  (0,0) o kąt 

2

:        

2

:

)

(

2

i

ze

z

R

     Wykonując najpierw przesunięcie a potem obrót otrzymujemy: 

                             

 

 

1

1

2

1

2

2

)

(

)

(

)

(

z

ze

ze

z

T

z

R

z

T

i

i

      

     Gdy zmienimy kolejność przekształceń otrzymamy inny wynik  

                             

 

2

2

1

1

2

1

2

)

(

)

(

)

(

i

i

e

z

ze

z

z

R

z

z

T

R

 

     Otrzymaną nierówność     

1

1

2

2

z

ze

e

z

z

i

i

   zilustrować na płaszczyźnie zespolonej dla     

     wybranych wartości 

2

1

,

,

z

z

,  na przykład:      

2

,

1

,

1

2

1

z

z

.            

 

10.  Dla każdej liczby zespolonej 

i

re

w

, równanie  

0

w

z

n

 posiada n różnych rozwiązań                    

       ( pierwiastków n-tego stopnia z 

w

)  postaci:  

                                                                           

 

n

k

i

n

k

e

r

z

2

   ,    

1

...,

,

1

,

0

n

k

 . 

      Pierwiastki te tworzą na płaszczyźnie zespolonej wielokąt foremny o środku w puncie (0,0) .  

      W tym przypadku 

i

e

i

w

4

4

.  Liczby:  

                

4

0

2

i

e

z

 ,            

4

3

1

2

i

e

z

 ,    

4

5

2

2

i

e

z

 ,      

4

7

3

2

i

e

z

     

      są wierzchołkami kwadratu o boku 

a

, którego przekątna równa jest  

2

2

2

2

2

4

a

r

z

k

      Pole kwadratu:     

4

2

a

P

 . 

 

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

ZADANIA  -   Seria 5  -  Uwagi, szkice rozwiązań - cd 

 

      Uwaga: Długość boku kwadratu równa jest odległości jego sąsiednich wierzchołków: 

              

2

4

sin

2

2

Im

2

2

2

2

4

2

4

4

2

0

1





i

i

i

i

i

i

e

e

e

e

e

e

z

z

a

 

 
 
11.  Układ dwóch równości dla licz rzeczywistych postaci: 

                

2

)

1

(

2

2

1

cos

sin

sin

)

1

cos(

...

cos

1

n

n

n

 

                

2

)

1

(

2

2

1

sin

sin

sin

)

1

sin(

...

sin

n

n

n

 

       jest równoważny jednej równości dla liczb zespolonych postaci: 

                 

 

2

)

1

(

2

2

1

2

)

1

(

2

2

1

sin

sin

sin

cos

sin

sin

)

1

sin(

...

sin

)

1

cos(

...

cos

1

n

n

n

n

i

n

i

n

      

       Obliczamy lewą stronę tej równości korzystając kolejno:  

           - ze wzoru Eulera:        

sin

cos

i

e

i

   ,    

           - ze wzoru na sumę ciągu geometrycznego:   

q

q

a

S

n

1

1

0

  , 

           -  oraz    

z

z

z

Im

2

   ,  

 

 

 

2

1

sin

2

sin

2

sin

2

1

cos

2

sin

2

sin

2

1

sin

2

1

cos

2

sin

2

sin

2

sin

2

2

sin

2

1

1

...

1

)

1

sin(

...

sin

)

1

cos(

...

cos

1

1

1

1

2

1

2

2

2

2

2

2

1













n

n

i

n

n

n

i

n

n

e

n

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

n

i

n

n

i

i

i

i

n

i

n

i

n

i

i

in

n

i

i

 

      Obie strony równości są więc równe.