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広島大学 2024年度 前期理系数学 第4問

複素数平面において、点1を中心とする半径2の円をCとする。次の問いに答えよ。

(1) 点αが円Cと虚軸との交点であるとき、α+1αを求めよ。

(2) 円C上の点zに対し、点−1zも円C上にあることを示せ。

(3) 円C上の点zに対し、w=z+1zとする。複素数w,zは∣w−2∣=2∣z∣を満たすことを示せ。

(4) 円C上の点zに対し、(3)で定めた複素数wは∣w−2∣∣w+2∣=4を満たすことを示せ。

難易度4/ 10計算量4/ 10目安15分

複素数平面 図形的解釈、複素数の極形式、式変形、対称性の利用

方針

円の条件∣z−1∣2=2を展開し、∣z+1∣2=2∣z∣2を導く。w±2を因数分解して絶対値をとり、積を求める。

解答

(1)
αは虚軸上にあるから α=yi とおける。円C上にある条件は∣yi−1∣2=2であり、1+y2=2より y=±1 である。したがって α=±i であり、いずれの場合もα+1α=0である。

(2)
∣z−1∣=2より∣z∣2−z−z‾−1=0である。よって∣z+1∣2=∣z∣2+z+z‾+1=2∣z∣2である。したがって∣−1z−1∣=∣z+1z∣=2となるので、点−1zも円C上にある。

(3) w−2=z+1z−2=(z−1)2zである。したがって∣w−2∣=∣z−1∣2∣z∣=2∣z∣である。

(4) w+2=z+1z+2=(z+1)2zである。(2)の計算より ∣z+1∣2=2∣z∣2 であるから∣w+2∣=∣z+1∣2∣z∣=2∣z∣である。よって(3)と合わせて∣w−2∣∣w+2∣=2∣z∣⋅2∣z∣=4である。

別解

解法2(極形式による反転の追跡)

方針

z=ρ(cos⁡θ+isin⁡θ)とおき、円の条件をρ2−2ρcos⁡θ−1=0へ直す。−1/zの絶対値と偏角を追って同じ円の方程式を満たすことを示し、最後はw±2の積の構造を用いる。

解答

円Cは原点を通らないので、以下ではz≠0である。

(1)
虚軸上ではα=yi(yは実数)と書ける。∣α−1∣2=2からy2+1=2,y=±1.したがってα=±iでありα+1α=0.(2)
z=ρ(cos⁡θ+isin⁡θ)(ρ>0)とおく。円C上にある条件は∣z−1∣2=2すなわちρ2−2ρcos⁡θ−1=0.(*)一方−1z=1ρ{cos⁡(π−θ)+isin⁡(π−θ)}.この点に対して円の方程式の左辺を計算すると1ρ2−2ρcos⁡(π−θ)−1=1+2ρcos⁡θ−ρ2ρ2=0となる。最後の等号は(∗)による。よって−1zも円C上にある.(3)w−2=z+1z−2=(z−1)2zより∣w−2∣=∣z−1∣2∣z∣=2∣z∣.(4)
(2)より−1/zも円C上にあるから∣−1z−1∣=2.したがって∣z+1∣∣z∣=2,∣z+1∣2=2∣z∣2.またw+2=(z+1)2zなので∣w+2∣=∣z+1∣2∣z∣=2∣z∣.(3)と掛け合わせて∣w−2∣∣w+2∣=2∣z∣⋅2∣z∣=4.この積は、zと−1/zが同じ円上にあるという反転対称性が、w平面上の2点±2からの距離の積へ移ったものと解釈できる。

総評

難度4、計算量4、想定12分。代数解法では∣z+1∣2=2∣z∣2、極形式の解法ではρ2−2ρcos⁡θ−1=0が中心となる。円が原点を通らずz≠0であることを最初に確認する。2解法で反転z↦−1/zの不変性と距離積4を相互確認した。

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出典: 広島大学 2024年度 前期 理系数学(大学公式の問題PDF)。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。