7.2.2 复数的乘、除运算
[学习目标] 1.掌握复数的乘法和除法运算.
2.理解复数乘法的交换律、结合律和乘法对加法的分配律.
3.掌握在复数范围内解方程的方法.
[讨论交流] 预习教材P77-P79的内容,思考以下问题:
问题1.复数的乘法和除法运算法则各是什么?
问题2.复数乘法的运算律有哪些?
问题3.如何在复数范围内求方程的解?
[自我感知] 经过认真预习,结合你对本节课的理解和认识,请画出本节课的知识逻辑体系.
探究1 复数乘法的运算法则和运算律
探究问题1 类比多项式的乘法,我们该如何定义两复数的乘法呢?
[提示] 复数的乘法法则如下:
设z1=a+bi,z2=c+di(a,b,c,d∈R)是任意两个复数,那么它们的积(a+bi)·(c+di)=ac+bci+adi+bdi2=(ac-bd)+(ad+bc)i.
[新知生成]
1.复数的乘法法则
设z1=a+bi,z2=c+di(a,b,c,d∈R)是任意两个复数,那么它们的积(a+bi)(c+di)=ac+bci+adi+bdi2=(ac-bd)+(ad+bc)i.
2.复数乘法的运算律
对任意复数z1,z2,z3∈C,有以下运算律:
交换律 z1z2=z2z1
结合律 (z1z2)z3=z1(z2z3)
乘法对加法的分配律 z1(z2+z3)=z1z2+z1z3
【教用·微提醒】 一般地,对任意自然数n,有i4n=1,i4n+1=i,i4n+2=-1,i4n+3=-i.
【链接·教材例题】
例3 计算(1-2i)(3+4i)(-2+i).
[解] (1-2i)(3+4i)(-2+i)
=(11-2i)(-2+i)
=-20+15i.
例4 计算:
(1)(2+3i)(2-3i);
(2)(1+i)2.
分析:本例可以用复数的乘法法则计算,也可以用乘法公式计算.
[解] (1)(2+3i)(2-3i)
=22-(3i)2
=4-(-9)
=13;
(2)(1+i)2=1+2i+i2
=1+2i-1
=2i.
[典例讲评] 1.(源自湘教版教材)计算:
(1)(1+2i)(4-3i);
(2)(1+i)2;
(3)(1-i)2;
(4)(1+i)1 000.
[解] (1)(1+2i)(4-3i)
=1×4+1×(-3i)+2i×4+2i×(-3i)
=4-3i+8i-6i2
=4-3i+8i-6×(-1)
=10+5i.
(2)(1+i)2=12+2×1×i+i2=1+2i-1=2i.
(3)(1-i)2=12-2×1×i+i2=1-2i-1=-2i.
(4)(1+i)1 000=[(1+i)2]500
=(2i)500
=2500×i500
=2500×1
=2500.
1.两个复数代数形式乘法的一般方法
复数的乘法可以按多项式的乘法法则进行,注意选用恰当的乘法公式进行简便运算,例如平方差公式、完全平方公式等.
2.常用公式
(1)(a+bi)2=a2+2abi-b2(a,b∈R).
(2)(a+bi)(a-bi)=a2+b2(a,b∈R).
(3)(1±i)2=±2i.
[学以致用] 1.(1)(2023·新高考Ⅱ卷)在复平面内,(1+3i)(3-i)对应的点位于( )
A.第一象限 B.第二象限
C.第三象限 D.第四象限
(2)i是虚数单位,若(1+mi)(2-i)为纯虚数,则实数m的值为( )
A.2 B.4
C.-2 D.-4
(1)A (2)C [(1)因为(1+3i)(3-i)=3-i+9i-3i2=6+8i,所以该复数在复平面内对应的点为(6,8),位于第一象限,故选A.
(2)依题意(1+mi)(2-i)=2+2mi-i+m=2+m+i为纯虚数,所以解得m=-2.故选C.]
探究2 复数除法的运算法则
探究问题2 设复数z=a+bi(a,b∈R),则z·结果是多少?能否借助该结论计算(a,b∈R)
[提示] z·=a2+b2,==.
探究问题3 类比实数的除法是乘法的逆运算,你认为该如何定义复数的除法运算?
[提示] 设复数a+bi(a,b∈R)除以c+di(c,d∈R),其商为x+yi(x,y∈R),即(a+bi)÷(c+di)=x+yi.
∵(x+yi)(c+di)=(cx-dy)+(dx+cy)i,
∴(cx-dy)+(dx+cy)i=a+bi.
由复数相等,可知
解这个方程组,得
于是有(a+bi)÷(c+di)=+i.
[新知生成]
复数除法的法则:(a+bi)÷(c+di)=+i(a,b,c,d∈R,且c+di≠0).
【链接·教材例题】
例5 计算(1+2i)÷(3-4i).
[解] (1+2i)÷(3-4i)=
==
==-+i.
[典例讲评] 2.(源自北师大版教材)计算:
(1);(2);(3).
[解] (1)==;
(2)===-+i;
(3)===i6=-1.
1.根据复数的除法法则,通过分子、分母都乘分母的共轭复数,使“分母实数化”,这个过程与“分母有理化”类似.
2.设z1,z2都是复数,则|z1·z2|=|z1|·|z2|,=(z2≠0).
[学以致用] 2.(1)设复数z满足=i2 025,则|z|等于( )
A.1 B.
C. D.2
(2)若复数z满足z(2-i)=11+7i(i为虚数单位),则z为( )
A.3+5i B.3-5i
C.-3+5i D.-3-5i
(1)A (2)A [(1)因为i4=1,所以i2 025=i,
所以=i,得1+z=i(1-z),
即z====i,
所以|z|=1.
(2)∵z(2-i)=11+7i,
∴z====3+5i.]
【教用·备选题】 (源自湘教版教材)已知复数z1=1+2i,z2=4-3i,求及.
[解] ====+i.
====-+i,
或=z1·=(1+2i)
=+i+i-=-+i.
探究3 在复数范围内解方程
【链接·教材例题】
例6 在复数范围内解下列方程:
(1)x2+2=0;
(2)ax2+bx+c=0,其中a,b,c∈R,且a≠0,Δ=b2-4ac<0.
分析:利用复数的乘法容易得到(1) 中方程的根.对于(2), 当Δ=b2-4ac<0时,一元二次方程ax2+bx+c=0无实数根.利用求解一元二次方程的“根本大法”——配方法,类似于(1),就能在复数范围内求得(2)中方程的根.
[解] (1)因为(i)2=(-i)2=-2,所以方程x2+2=0的根为x=±i.
(2)将方程ax2+bx+c=0的二次项系数化为1,得
x2+x+=0.
配方,得
=,
即=-.
由Δ<0,知=>0.
类似(1),可得
x+=±i.
所以原方程的根为x=-±i.
[典例讲评] 3.在复数范围内解下列方程:
(1)x2+5=0;
(2) x2+6x+10=0.
[解] (1)因为x2+5=0,所以x2=-5,
又因为(i)2=(-i)2=-5,
所以x=±i,
所以方程x2+5=0的根为±i.
(2)法一:因为x2+6x+10=x2+6x+9+1=(x+3)2+1=0,所以(x+3)2=-1,
又因为i2=-1,所以(x+3)2=i2,
所以x+3=±i,即x=-3±i.
法二:因为Δ=62-4×10×1=-4<0,
所以方程的根为x==-3±i.
在复数范围内,实系数一元二次方程ax2+bx+c=0(a≠0)的求解方法
(1)求根公式法
①当Δ≥0时,x=;
②当Δ<0时,x=(此时,两根互为共轭复数).
(2)利用复数相等的定义求解
设方程的根为x=m+ni(m,n∈R),将此根代入方程ax2+bx+c=0(a≠0),化简后利用复数相等的定义求解.
[学以致用] 3.已知1+i是方程x2+bx+c=0(b,c为实数)的一个根.
(1)求b,c的值;
(2)试判断1-i是不是方程的根.
[解] (1)∵1+i是方程x2+bx+c=0的根,且b,c为实数,
∴(1+i)2+b(1+i)+c=0,
即b+c+(b+2)i=0,
∴解得
(2)由(1)知方程为x2-2x+2=0,
把1-i代入方程左边得(1-i)2-2(1-i)+2=0=右边,即方程成立.
∴1-i是方程的根.
【教用·备选题】 (源自苏教版教材)在复数集C内解下列方程:
(1)z2+4=0;
(2)z2-10z+40=0.
[解] (1)设z=x+yi(x,y∈R),则
(x+yi)2+4=0,
即(x2-y2+4)+2xyi=0,
所以
解得或
因此z=2i或z=-2i.
(2)配方,得
(z-5)2=-15.
所以z-5=i或z-5=-i.
所以z=5+i或z=5-i.
1.-i=( )
A.-5-3i B.-5+3i
C.5-3i D.5+3i
A [-i=5i2-3i=-5-3i.
故选A.]
2.复数的共轭复数是( )
A.2+i B.-2+i
C.-2-i D.2-i
B [∵===-2-i,而-2-i的共轭复数是-2+i.故选B.]
3.复数z满足z2+1=0,则z3=( )
A.1 B.±1
C.i D.±i
D [因为z2+1=0,所以z2=-1,则z=±i.
当z=i时,z3=i3=-i.
当z=-i时,z3=(-i)3=i.
所以z3=±i.]
4.若一元二次方程x2-2x+5=0,则该方程在复数范围内的解为 .
1±2i [Δ=(-2)2-4×1×5=-16<0,
所以方程的根为x==1±2i.
即方程的两根分别为1+2i和1-2i.]
1.知识链:(1)复数的乘法运算及运算律.
(2)复数的除法运算.
(3)在复数范围内解方程.
2.方法链:分母实数化、配方法、求根公式法.
3.警示牌:分母实数化时注意不要因忽视i2=-1造成运算错误.
回顾本节知识,自主完成以下问题:
1.三个实数|z|,|具有怎样的关系?
[提示] 设z=a+bi(a,b∈R),则=a-bi,
所以|z|=,||==,
z·=(a+bi)(a-bi)=a2-(bi)2=a2+b2,
所以|z|2=|.
2.复数除法的实质是怎样的?
[提示] 复数除法的实质是分母实数化的过程,两个复数相除,就是先把它们的商写成分数的形式,然后把分子与分母都乘以分母的共轭复数,再把结果化简即可.
3. 实系数一元二次方程的虚根有何特点?
[提示] 实系数一元二次方程的虚根是成对出现的,即若复数a+bi(a,b∈R,b≠0)是实系数一元二次方程的根,则其共轭复数a-bi是该方程的另一根.
利用复数产生分形图
以前我们学过的函数,定义域都是实数集的子集.但函数概念还可以推广:定义域是复数集的子集的函数称为复变函数.类似地,我们还可以得到多项式复变函数的概念.例如,f(z)=z2就是一个多项式复变函数,此时
f(i)=i2=-1,f(1+i)=(1+i)2=2i.
给定多项式复变函数f(z)之后,对任意一个复数z0,通过计算公式zn+1=f(zn),n∈N可以得到一列值
z0,z1,z2,…,zn,….
如果存在一个正数M,使得|zn|<M对任意n∈N都成立,则称z0为f(z)的收敛点;否则,称z0为f(z)的发散点.f(z)的所有收敛点组成的集合称为f(z)的充满茹利亚集.
例如,当f(z)=z2时,如果z0=i,则得到的一列值是
i,-1,1,1,…,1,…;
如果z0=1+i,则算出的一列值是
1+i,2i,-4,…,,….
显然,对于f(z)=z2来说,i为收敛点,1+i为发散点.事实上,利用|z2|=|z|2可以证明,f(z)=z2的充满茹利亚集是一个单位圆盘(即由满足|z|≤1的所有z组成的集合).
让人惊讶的是,当f(z)=z2+c时,对于某些复数c来说,f(z)的充满茹利亚集是非常复杂的.如果利用计算机对不同形态的收敛点和发散点进行不同的着色,而且,按照一定的规则对c进行分类,并进行着色,可以得到如图所示的芒德布罗分形图.
课时分层作业(十九) 复数的乘、除运算
一、选择题
1.已知z=,则z在复平面上对应的点所在象限为( )
A.第一象限 B.第二象限
C.第三象限 D.第四象限
D [因为z===5-3i,
所以它在复平面上对应的点为,该点位于第四象限.故选D.]
2.设复数z=i2 024-2i,则z的虚部是( )
A.3 B.2
C.-3 D.-2
D [因为z=i506×4-2i=1-2i,
所以z的虚部为-2.
故选D.]
3.(2023·全国甲卷)设a∈R,(a+i)(1-ai)=2,则a=( )
A.-1 B.0
C.1 D.2
C [因为(a+i)(1-ai)=2,
所以2a+(1-a2)i=2,即解得a=1.
故选C.]
4.已知复数z·(1-2i)在复平面内对应的点的坐标为(3,1),则z=( )
A.+i B.+i
C.-i D.-i
A [由已知复数z·(1-2i)在复平面内对应的点的坐标为(3,1),则z·(1-2i)=3+i,
所以z====+i.故选A.]
5.(多选)下列各式的运算结果为纯虚数的是( )
A.i3(1+i)2 B.i2(1-i)2
C.
BC [计算得AD为实数,BC为纯虚数.]
二、填空题
6.在复数范围内方程2x2+3x+4=0的解为 .
[因为Δ=b2-4ac=32-4×2×4=9-32=-23<0,
所以方程2x2+3x+4=0的根为
x==.]
7.设z=+3-4i,i是虚数单位,则= .
3 [由z=+3-4i=+3-4i=3-3i,所以==3.]
8.若2+i(i是虚数单位)是关于x的实系数方程x2+mx+n=0的一个根,则m+n= .
1 [因为2+i是关于x的实系数方程x2+mx+n=0的一个根,所以(2+i)2+m(2+i)+n=0,
所以2m+n+3+(4+m)i=0,由复数相等可得
所以m+n=1.]
三、解答题
9.已知复数z1=1-i,z2=4+6i,i为虚数单位.
(1)求;
(2)若复数z=1+bi(b∈R)满足z+z1为实数,求|z|.
[解] (1)====-1+5i.
(2)因为z=1+bi(b∈R),所以z+z1=2+(b-1)i,
因为z+z1为实数,
所以b-1=0,所以b=1,所以z=1+i,
所以|z|=.
10.已知a∈R,b∈R,且=1+2i,则=( )
A. B.2
C. D.10
A [因为=1+2i,即a+3i=,即a+3i=1+bi+2i+2bi2=+i,
因为a∈R,b∈R,所以解得
所以===.
故选A.]
11.在复平面内,复数z1,z2对应的向量分别是==,则复数对应的点位于( )
A.第一象限 B.第二象限
C.第三象限 D.第四象限
A [由已知可得,z1=-2+3i,z2=3-2i,
则==
==+i,
所以复数对应的点为,该点位于第一象限.故选A.]
12.在复数范围内方程x2-2x+5=0的两根为α,β,则|α|+|β|=( )
A.2 B.2
C. D.5
B [因为方程x2-2x+5=0,
所以Δ=(-2)2-4×5=-16<0,
所以x==1±2i,
若令α=1+2i,则β=1-2i,
则|α|+|β|=|1+2i|+|1-2i|==2.]
13.某同学在解题中发现,以下三个式子的值都等于同一个常数(i是虚数单位).
①;②;③.
从三个式子中选择一个,求出这个常数为 ;根据三个式子的结构特征及计算结果,将该同学的发现推广为一个复数恒等式 .
i =i [由复数的运算法则,可得===i;
根据三个式子的结构特征及上式的计算结果,可以得到:=i,
证明如下:
由====i.]
14.已知z是复数,z-i为实数,为纯虚数(i为虚数单位).
(1)求复数z;
(2)复数z1=在复平面上对应的点在第二象限,求实数m的取值范围.
[解] (1)设复数z=a+bi,因为z-i=a+i是实数,
所以b=1,则z=a+i,
所以==,
因为为纯虚数,
所以2-2a=0且a+4≠0,解得a=1,
所以z=1+i.
(2)由(1)知,z1===+i,
所以z1在复平面上对应的点为,又已知z1在复平面上对应的点在第二象限,
所以解得-1即实数m的取值范围为.
15.设z是虚数,ω=z+是实数,且-1<ω<2.
(1)求|z|的值及z的实部的取值范围;
(2)设u=,证明:u为纯虚数.
[解] (1)因为z是虚数,所以可设z=x+yi,x,y∈R,且y≠0,
所以ω=z+=x+yi+
=x+yi+=x++i.
因为ω是实数且y≠0,
所以y-=0,所以x2+y2=1,
即|z|=1.
此时ω=2x.
因为-1<ω<2,
所以-1<2x<2,
从而有-<x<1,
即z的实部的取值范围是.
(2)[证明] 设z=x+yi,x,y∈R,且y≠0,
由(1)知,x2+y2=1,
所以u==
=
=
=-i.
因为x∈,y≠0,
所以≠0,
所以u为纯虚数.
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7.2.2 复数的乘、除运算
第七章 复数
7.2 复数的四则运算
整体感知
[学习目标] 1.掌握复数的乘法和除法运算.
2.理解复数乘法的交换律、结合律和乘法对加法的分配律.
3.掌握在复数范围内解方程的方法.
[讨论交流] 预习教材P77-P79的内容,思考以下问题:
问题1.复数的乘法和除法运算法则各是什么?
问题2.复数乘法的运算律有哪些?
问题3.如何在复数范围内求方程的解?
[自我感知] 经过认真预习,结合你对本节课的理解和认识,请画出本节课的知识逻辑体系.
探究建构
探究1 复数乘法的运算法则和运算律
探究问题1 类比多项式的乘法,我们该如何定义两复数的乘法呢?
[提示] 复数的乘法法则如下:
设z1=a+bi,z2=c+di(a,b,c,d∈R)是任意两个复数,那么它们的积(a+bi)·(c+di)=ac+bci+adi+bdi2=(ac-bd)+(ad+bc)i.
[新知生成]
1.复数的乘法法则
设z1=a+bi,z2=c+di(a,b,c,d∈R)是任意两个复数,那么它们的积(a+bi)(c+di)=ac+bci+adi+bdi2=_____________________.
(ac-bd)+(ad+bc)i
2.复数乘法的运算律
对任意复数z1,z2,z3∈C,有以下运算律:
交换律 z1z2=______
结合律 (z1z2)z3=__________
乘法对加法的分配律 z1(z2+z3)=____________
z2z1
z1(z2z3)
z1z2+z1z3
【教用·微提醒】 一般地,对任意自然数n,有i4n=1,i4n+1=i,i4n+2=-1,i4n+3=-i.
【链接·教材例题】
例3 计算(1-2i)(3+4i)(-2+i).
[解] (1-2i)(3+4i)(-2+i)
=(11-2i)(-2+i)
=-20+15i.
例4 计算:
(1)(2+3i)(2-3i);
(2)(1+i)2.
分析:本例可以用复数的乘法法则计算,也可以用乘法公式计算.
[解] (1)(2+3i)(2-3i)
=22-(3i)2
=4-(-9)
=13;
(2)(1+i)2=1+2i+i2
=1+2i-1
=2i.
[典例讲评] 1.(源自湘教版教材)计算:
(1)(1+2i)(4-3i);
(2)(1+i)2;
(3)(1-i)2;
(4)(1+i)1 000.
[解] (1)(1+2i)(4-3i)
=1×4+1×(-3i)+2i×4+2i×(-3i)
=4-3i+8i-6i2
=4-3i+8i-6×(-1)
=10+5i.
(2)(1+i)2=12+2×1×i+i2=1+2i-1=2i.
(3)(1-i)2=12-2×1×i+i2=1-2i-1=-2i.
(4)(1+i)1 000=[(1+i)2]500
=(2i)500
=2500×i500
=2500×1
=2500.
反思领悟
1.两个复数代数形式乘法的一般方法
复数的乘法可以按多项式的乘法法则进行,注意选用恰当的乘法公式进行简便运算,例如平方差公式、完全平方公式等.
2.常用公式
(1)(a+bi)2=a2+2abi-b2(a,b∈R).
(2)(a+bi)(a-bi)=a2+b2(a,b∈R).
(3)(1±i)2=±2i.
[学以致用] 1.(1)(2023·新高考Ⅱ卷)在复平面内,(1+3i)(3-i)对应的点位于( )
A.第一象限 B.第二象限
C.第三象限 D.第四象限
(2)i是虚数单位,若(1+mi)(2-i)为纯虚数,则实数m的值为( )
A.2 B.4
C.-2 D.-4
√
√
探究问题3 类比实数的除法是乘法的逆运算,你认为该如何定义复数的除法运算?
[提示] 设复数a+bi(a,b∈R)除以c+di(c,d∈R),其商为x+yi(x,y∈R),即(a+bi)÷(c+di)=x+yi.
∵(x+yi)(c+di)=(cx-dy)+(dx+cy)i,
∴(cx-dy)+(dx+cy)i=a+bi.
【链接·教材例题】
例5 计算(1+2i)÷(3-4i).
√
√
探究3 在复数范围内解方程
【链接·教材例题】
例6 在复数范围内解下列方程:
(1)x2+2=0;
(2)ax2+bx+c=0,其中a,b,c∈R,且a≠0,Δ=b2-4ac<0.
分析:利用复数的乘法容易得到(1) 中方程的根.对于(2), 当Δ=b2-4ac<0时,一元二次方程ax2+bx+c=0无实数根.利用求解一元二次方程的“根本大法”——配方法,类似于(1),就能在复数范围内求得(2)中方程的根.
[典例讲评] 3.在复数范围内解下列方程:
(1)x2+5=0;
(2) x2+6x+10=0.
[学以致用] 3.已知1+i是方程x2+bx+c=0(b,c为实数)的一个根.
(1)求b,c的值;
(2)试判断1-i是不是方程的根.
(2)由(1)知方程为x2-2x+2=0,
把1-i代入方程左边得(1-i)2-2(1-i)+2=0=右边,即方程成立.
∴1-i是方程的根.
【教用·备选题】 (源自苏教版教材)在复数集C内解下列方程:
(1)z2+4=0;
(2)z2-10z+40=0.
2
4
3
题号
1
应用迁移
√
2
3
题号
1
4
√
2
3
题号
4
1
3.复数z满足z2+1=0,则z3=( )
A.1 B.±1
C.i D.±i
√
D [因为z2+1=0,所以z2=-1,则z=±i.
当z=i时,z3=i3=-i.
当z=-i时,z3=(-i)3=i.
所以z3=±i.]
2
4
3
题号
1
4.若一元二次方程x2-2x+5=0,则该方程在复数范围内的解为__________.
1±2i
1.知识链:(1)复数的乘法运算及运算律.
(2)复数的除法运算.
(3)在复数范围内解方程.
2.方法链:分母实数化、配方法、求根公式法.
3.警示牌:分母实数化时注意不要因忽视i2=-1造成运算错误.
2.复数除法的实质是怎样的?
[提示] 复数除法的实质是分母实数化的过程,两个复数相除,就是先把它们的商写成分数的形式,然后把分子与分母都乘以分母的共轭复数,再把结果化简即可.
3.实系数一元二次方程的虚根有何特点?
[提示] 实系数一元二次方程的虚根是成对出现的,即若复数a+bi(a,b∈R,b≠0)是实系数一元二次方程的根,则其共轭复数a-bi是该方程的另一根.
利用复数产生分形图
以前我们学过的函数,定义域都是实数集的子集.但函数概念还可以推广:定义域是复数集的子集的函数称为复变函数.类似地,我们还可以得到多项式复变函数的概念.例如,f (z)=z2就是一个多项式复变函数,此时
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f (i)=i2=-1,f (1+i)=(1+i)2=2i.
给定多项式复变函数f (z)之后,对任意一个复数z0,通过计算公式zn+1=f (zn),n∈N可以得到一列值
z0,z1,z2,…,zn,….
如果存在一个正数M,使得|zn|<M对任意n∈N都成立,则称z0为f (z)的收敛点;否则,称z0为f (z)的发散点.f (z)的所有收敛点组成的集合称为f (z)的充满茹利亚集.
让人惊讶的是,当f (z)=z2+c时,对于某些复数c来说,f (z)的充满茹利亚集是非常复杂的.如果利用计算机对不同形态的收敛点和发散点进行不同的着色,而且,按照一定的规则对c进行分类,并进行着色,可以得到如图所示的芒德布罗分形图.