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極形式と回転【ド・モアブルの定理・回転移動】

公開日: 2026/7/11

📐 公式まとめ

  • 1. 極形式とは

    z=r(cosθ+isinθ)z = r(\cos\theta + i\sin\theta)
  • 1.1. 例:極形式に直す

    r=12+(3)2=4=2r = \sqrt{1^2 + (\sqrt{3})^2} = \sqrt{4} = 2
  • 1.1. 例:極形式に直す

    cosθ=12,sinθ=32    θ=π3\cos\theta = \frac{1}{2},\quad \sin\theta = \frac{\sqrt{3}}{2} \implies \theta = \frac{\pi}{3}
  • 1.1. 例:極形式に直す

    z=2 ⁣(cosπ3+isinπ3)z = 2\!\left(\cos\frac{\pi}{3} + i\sin\frac{\pi}{3}\right)
  • 2. 複素数の積と商の極形式

    z1z2=r1r2{cos(θ1+θ2)+isin(θ1+θ2)}z_1 z_2 = r_1 r_2\{\cos(\theta_1+\theta_2) + i\sin(\theta_1+\theta_2)\}
  • 2. 複素数の積と商の極形式

    z1z2=r1r2{cos(θ1θ2)+isin(θ1θ2)}\frac{z_1}{z_2} = \frac{r_1}{r_2}\{\cos(\theta_1-\theta_2) + i\sin(\theta_1-\theta_2)\}
  • 3. ド・モアブルの定理

    (cosθ+isinθ)n=cosnθ+isinnθ\boxed{(\cos\theta + i\sin\theta)^n = \cos n\theta + i\sin n\theta}
  • 3. ド・モアブルの定理

    {r(cosθ+isinθ)}n=rn(cosnθ+isinnθ)\{r(\cos\theta + i\sin\theta)\}^n = r^n(\cos n\theta + i\sin n\theta)
  • 4. 回転移動

    z=z(cosα+isinα)z' = z \cdot (\cos\alpha + i\sin\alpha)
  • 4. 回転移動

    zw=(zw)(cosα+isinα)z' - w = (z - w)(\cos\alpha + i\sin\alpha)
  • 4. 回転移動

    z=(zw)(cosα+isinα)+wz' = (z - w)(\cos\alpha + i\sin\alpha) + w
  • 5. 1の nnn 乗根

    zk=cos2kπn+isin2kπn(k=0,1,2,,n1)z_k = \cos\frac{2k\pi}{n} + i\sin\frac{2k\pi}{n} \quad (k = 0, 1, 2, \ldots, n-1)
  • 5.1. 例:1の3乗根

    z0=1,z1=cos2π3+isin2π3=12+32i,z2=1232iz_0 = 1,\quad z_1 = \cos\frac{2\pi}{3} + i\sin\frac{2\pi}{3} = -\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2}i,\quad z_2 = -\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2}i

極形式と回転【ド・モアブルの定理・回転移動】

複素数を極形式で表すと、掛け算が「絶対値を掛けて偏角を足す」操作になります。これは複素数平面上での回転と拡大に対応しており、幾何学的な直感がぐっと深まります。この記事では極形式の定義からド・モアブルの定理、回転移動の応用まで順を追って解説します。

1. 極形式とは

複素数 z=a+biz = a + bia,bRa, b \in \mathbb{R})に対して

  • 絶対値(原点からの距離):z=r=a2+b2|z| = r = \sqrt{a^2 + b^2}
  • 偏角xx 軸正方向からの角度):argz=θ\arg z = \thetatanθ=b/a\tan\theta = b/a

とおくと、a=rcosθa = r\cos\thetab=rsinθb = r\sin\theta より

z=r(cosθ+isinθ)z = r(\cos\theta + i\sin\theta)

この表し方を複素数の極形式といいます。

1.1. 例:極形式に直す

z=1+3iz = 1 + \sqrt{3}\,i を極形式で表せ。

r=12+(3)2=4=2r = \sqrt{1^2 + (\sqrt{3})^2} = \sqrt{4} = 2 cosθ=12,sinθ=32    θ=π3\cos\theta = \frac{1}{2},\quad \sin\theta = \frac{\sqrt{3}}{2} \implies \theta = \frac{\pi}{3} z=2 ⁣(cosπ3+isinπ3)z = 2\!\left(\cos\frac{\pi}{3} + i\sin\frac{\pi}{3}\right)

2. 複素数の積と商の極形式

z1=r1(cosθ1+isinθ1)z_1 = r_1(\cos\theta_1 + i\sin\theta_1)z2=r2(cosθ2+isinθ2)z_2 = r_2(\cos\theta_2 + i\sin\theta_2) のとき

z1z2=r1r2{cos(θ1+θ2)+isin(θ1+θ2)}z_1 z_2 = r_1 r_2\{\cos(\theta_1+\theta_2) + i\sin(\theta_1+\theta_2)\} z1z2=r1r2{cos(θ1θ2)+isin(θ1θ2)}\frac{z_1}{z_2} = \frac{r_1}{r_2}\{\cos(\theta_1-\theta_2) + i\sin(\theta_1-\theta_2)\}

掛け算 → 絶対値の積・偏角の和、割り算 → 絶対値の商・偏角の差、と覚えましょう。

これは三角関数の加法定理から導けます。cos(α+β)=cosαcosβsinαsinβ\cos(\alpha+\beta) = \cos\alpha\cos\beta - \sin\alpha\sin\beta などを使って計算すると確認できます。

2.1. 例題 1:積の計算

z1=2 ⁣(cosπ4+isinπ4)z_1 = \sqrt{2}\!\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + i\sin\dfrac{\pi}{4}\right)z2=3 ⁣(cosπ6+isinπ6)z_2 = 3\!\left(\cos\dfrac{\pi}{6} + i\sin\dfrac{\pi}{6}\right) のとき z1z2z_1 z_2 を求めよ。

解答

z1z2=2×3=32|z_1 z_2| = \sqrt{2} \times 3 = 3\sqrt{2} arg(z1z2)=π4+π6=3π12+2π12=5π12\arg(z_1 z_2) = \frac{\pi}{4} + \frac{\pi}{6} = \frac{3\pi}{12} + \frac{2\pi}{12} = \frac{5\pi}{12} z1z2=32 ⁣(cos5π12+isin5π12)z_1 z_2 = 3\sqrt{2}\!\left(\cos\frac{5\pi}{12} + i\sin\frac{5\pi}{12}\right)

3. ド・モアブルの定理

極形式の積の公式を nn 回繰り返すと

(cosθ+isinθ)n=cosnθ+isinnθ\boxed{(\cos\theta + i\sin\theta)^n = \cos n\theta + i\sin n\theta}

これをド・モアブルの定理といいます(nn は整数)。

絶対値 rr がある場合は

{r(cosθ+isinθ)}n=rn(cosnθ+isinnθ)\{r(\cos\theta + i\sin\theta)\}^n = r^n(\cos n\theta + i\sin n\theta)

3.1. 例題 2:ド・モアブルの定理で累乗を計算

(1+i)8(1 + i)^8 を計算せよ。

解答

まず 1+i1 + i を極形式に直す。

r=2,θ=π4r = \sqrt{2},\quad \theta = \frac{\pi}{4} 1+i=2 ⁣(cosπ4+isinπ4)1 + i = \sqrt{2}\!\left(\cos\frac{\pi}{4} + i\sin\frac{\pi}{4}\right)

ド・モアブルの定理を適用する。

(1+i)8=(2)8 ⁣(cos8π4+isin8π4)(1+i)^8 = (\sqrt{2})^8\!\left(\cos\frac{8\pi}{4} + i\sin\frac{8\pi}{4}\right) =16(cos2π+isin2π)=16(1+0)=16= 16(\cos 2\pi + i\sin 2\pi) = 16(1 + 0) = 16

4. 回転移動

複素数平面上で、点 zz原点を中心に角 α\alpha だけ回転させた点は

z=z(cosα+isinα)z' = z \cdot (\cos\alpha + i\sin\alpha)

で表されます。これは zz に偏角 α\alpha・絶対値 11 の複素数を掛けることと同じです。

また、ww を中心に zz を角 α\alpha だけ回転させると

zw=(zw)(cosα+isinα)z' - w = (z - w)(\cos\alpha + i\sin\alpha) z=(zw)(cosα+isinα)+wz' = (z - w)(\cos\alpha + i\sin\alpha) + w

4.1. 例題 3:回転移動

複素数平面上の点 z=2+iz = 2 + i を原点を中心に π2\dfrac{\pi}{2} だけ回転させた点 zz' を求めよ。

解答

cosπ2+isinπ2=0+i=i\cos\frac{\pi}{2} + i\sin\frac{\pi}{2} = 0 + i = i z=(2+i)i=2i+i2=2i1=1+2iz' = (2 + i) \cdot i = 2i + i^2 = 2i - 1 = -1 + 2i

確認:z=5|z| = \sqrt{5}z=1+4=5|z'| = \sqrt{1+4} = \sqrt{5} — 絶対値は変わっていない。

4.2. 例題 4:別の点を中心とした回転

z=3+0iz = 3 + 0i を点 w=1+iw = 1 + i を中心に π2\dfrac{\pi}{2} だけ回転させた点 zz' を求めよ。

解答

zw=(31)+(01)i=2iz - w = (3 - 1) + (0 - 1)i = 2 - i (zw)i=(2i)i=2ii2=2i+1=1+2i(z - w) \cdot i = (2 - i) \cdot i = 2i - i^2 = 2i + 1 = 1 + 2i z=(1+2i)+w=(1+2i)+(1+i)=2+3iz' = (1 + 2i) + w = (1 + 2i) + (1 + i) = 2 + 3i

5. 1の nn 乗根

zn=1z^n = 1 を満たす複素数を1の nn 乗根といいます。ド・モアブルの定理より

zk=cos2kπn+isin2kπn(k=0,1,2,,n1)z_k = \cos\frac{2k\pi}{n} + i\sin\frac{2k\pi}{n} \quad (k = 0, 1, 2, \ldots, n-1)

これらは複素数平面上で原点を中心とする半径1の円(単位円)を nn 等分する点に対応します。

5.1. 例:1の3乗根

z3=1z^3 = 1 の解(n=3n = 3, k=0,1,2k = 0,1,2

z0=1,z1=cos2π3+isin2π3=12+32i,z2=1232iz_0 = 1,\quad z_1 = \cos\frac{2\pi}{3} + i\sin\frac{2\pi}{3} = -\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2}i,\quad z_2 = -\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2}i

関連記事として、複素数平面の基本(加減算・共役複素数・絶対値)については「複素数平面の基本」を参照してください。

6. クイズ

  1. z=1+iz = -1 + i の絶対値と偏角を求めよ。

    正解:z=2|z| = \sqrt{2}argz=3π4\arg z = \dfrac{3\pi}{4} r=(1)2+12=2r = \sqrt{(-1)^2+1^2} = \sqrt{2}cosθ=12\cos\theta = -\dfrac{1}{\sqrt{2}}sinθ=12\sin\theta = \dfrac{1}{\sqrt{2}} より θ=3π4\theta = \dfrac{3\pi}{4}(第2象限)。

  2. ド・モアブルの定理を使って (cosπ6+isinπ6)6\left(\cos\dfrac{\pi}{6} + i\sin\dfrac{\pi}{6}\right)^6 を求めよ。

    正解:1-1 cos6π6+isin6π6=cosπ+isinπ=1+0i=1\cos\dfrac{6\pi}{6} + i\sin\dfrac{6\pi}{6} = \cos\pi + i\sin\pi = -1 + 0i = -1

  3. 複素数平面上の点 z=1+3iz = 1 + \sqrt{3}\,i を原点を中心に π3-\dfrac{\pi}{3}(時計回りに 60°60°)回転させた点 zz' を求めよ。

    正解:z=2z' = 2 cos ⁣(π3)+isin ⁣(π3)=1232i\cos\!\left(-\dfrac{\pi}{3}\right) + i\sin\!\left(-\dfrac{\pi}{3}\right) = \dfrac{1}{2} - \dfrac{\sqrt{3}}{2}i(1+3i)(1232i)=1232i+32i34i22(1+\sqrt{3}\,i)\left(\dfrac{1}{2} - \dfrac{\sqrt{3}}{2}i\right) = \dfrac{1}{2} - \dfrac{\sqrt{3}}{2}i + \dfrac{\sqrt{3}}{2}i - \dfrac{3}{4}i^2\cdot 2……を計算すると =12+32=2= \dfrac{1}{2} + \dfrac{3}{2} = 2。(z=2|z| = 2、偏角 π3\dfrac{\pi}{3} の点を π3-\dfrac{\pi}{3} 回転 → 偏角 00z=2z' = 2

#複素数平面#極形式#ド・モアブルの定理#回転移動#偏角#数学C