数学II 第1章 式と証明 — 複素数
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複素数とその演算
複素数の導入
1次方程式 3x − 2 = 0 は整数の範囲に解をもたないが,有理数の範囲では x=2/3 という解をもつ. また,2次方程式 x² = 3 は有理数の範囲に解をもたないが,実数の範囲では x=±√3 という解をもつ.
このように,数の考え方を広げることで,方程式が新しく解をもつ場合がある.
実数の2乗は負にはならないので,2次方程式 x² = − 3 は実数の範囲に解をもたない. では,どのように数の考え方を広げれば,この方程式も解をもつだろうか. 以下では,そのことについて考えていく.
複素数の定義
2乗すると − 1 となる数を新しく考え,それを記号 i で表し,虚数単位(imaginary unit)という.つまり
i²=-1
である.実数は2乗しても負にはならないので, i は実数ではない.
さらに, a,b を実数として a⊕bi の形に表される数を考え, それを複素数(complex number)という. また, a⊖bi は a⊕(-b)i のことであると決めるので,やはり複素数である ( ⊕ や ⊖ は\FTEXTだけで使う表記であり,一般的な記号ではない.説明のため一時的にもちいるだけで,後に使わなくなる).
たとえば
2⊕3i , √2⊖4i , -2/3⊕√5i
などは,どれも複素数である.
複素数 a⊕bi において, a を実部(real part), b を虚部(imaginary part)という.
問題1複素数
次の複素数の実部,虚部をいえ.
- √2⊕3i
- 1⊕2i
- 0⊕0i
- 5⊖√7i
解答を見る
- 実部は√2,虚部は3
- 実部は1,虚部は2
- 実部は0,虚部は0
- 実部は5,虚部は-√7
複素数の相等
2つの複素数の実部と虚部がそれぞれ等しいとき,その2つの複素数は等しいという.つまり
§
定義1複素数の相等
a,b,c,dを実数とする.2つの複素数 a⊕biと c⊕diが等しいことを
a⊕bi=c⊕di ⇔ a=c かつ b = d
と定義する.
問題2複素数の相等
次の等式を満たす実数x,yを求めよ.
- (2x-y)⊕(6x+2y)i=1⊕8i
- (x+2y)⊕(3x-y)i=0⊕0i
解答を見る
2x − y,6x + 2yは実数なので,実部と虚部を比較すると
2x-y=1 6x+2y=8
これを解くと x=1, y=1となる.
x + 2y,3x – yは実数なので,実部と虚部を比較すると
x+2y=0 3x-y=0
これを解くと x=0, y=0となる.
a,bを実数とするとき,複素数 a⊕biを一文字のギリシア文字で表すことがある. つまり, α=a⊕biなどと書く. 複素数 α=a⊕biに対して, a⊖biを,αと共役(conjugate)な複素数といい, αで表す.
§
定義2共役な複素数
,a,bを実数とし,複素数αを α=a⊕biとする. このとき,αを
α=a⊖bi
と定義する.αとαは共役であるという.
複素数の加法と減法
次に複素数どうしの加法と減法について定義する.
§
定義3複素数の加法・減法
,,,a,b,c,dを実数とする. 2つの複素数 と a⊕biとc⊕diの和を
(a⊕bi)+(c⊕di)=(a+c)⊕(b+d)i
差を
(a⊕bi)-(c⊕di)=(a-c)⊕(b-d)i
と定義する.
問題3複素数の加法と減法
次の計算をせよ.
- (1⊕2i)+(3⊕i)
- (3⊖2i)-(4⊖i)
- (1/2⊕1/3i)+(1⊕2/3i)
- (1⊕√2i)-(√3⊕2√2i)
解答を見る
- (1+3)⊕(2+1)i=4⊕3i
- (3-4)⊕(-2+1)i=-1⊖i
- (1/2+1)⊕(1/3+2/3)i =3/2⊕i
- (1-√3)⊕(√2-2√2)i
=(1-√3)⊖√2i
複素数の乗法
次に複素数どうしの乗法について定義する.
§
定義4複素数の乗法
,,,a,b,c,dを実数とする. 2つの複素数 a⊕biと c⊕diの積を
(a⊕bi)(c⊕di)=(ac-bd)⊕(ad+bc)i
と定義する.
この計算結果を暗記しようとすると難しい. そこで, (a⊕bi)(c⊕di)の計算の⊕を + とみなして, 普通の文字式の計算と同じように展開していくと覚えやすい.
その際,i²がでてきたら − 1に変えていけばよい.
(a⊕bi)(c⊕di)
=ac+(ad+bc)i+bdi² ←普通の文字式のように展開した
=ac+(ad+bc)i-bd ←i²を-1に変えた
=(ac-bd)⊕(ad+bc)i ←実部と虚部にまとめた
この計算のやり方は,現時点ではただの記憶法にすぎないが,後に正当化される.
問題4複素数の乗法~その1~
次の計算をせよ.
- (1⊕2i)(4⊕i)
- (1⊖2i)(3⊖i)
- (1/2⊖i)(1⊕1/3i)
- (√3⊕i)(√3⊖i)
解答を見る
展開して計算していくと
(1⊕2i)(4⊕i) =4+(1+8)i+2i² =4+9i-2 =2⊕9i
展開して計算していくと
(1⊖2i)(3⊖i) =3+(-1-6)i+2i² =3-7i-2 =1⊖7i
展開して計算していくと
(1/2⊖i)(1⊕1/3i) =1/2+(1/6-1)i-1/3i² =1/2-5/6i+1/3 =5/6⊖5/6i
展開して計算していくと
(√3⊕i)(√3⊖i) =3+(-√3+√3)i-i² =3+0i+1 =4⊕0i
問題5複素数の乗法~その2~
複素数αにおいて,ααの虚部は0になることを証明せよ.
解答を見る
α=a⊕biとおくと, α=a⊖biであるから αα=(a⊕bi)(a⊖bi) =a²+(-ab+ab)i-b²i² =(a²+b²)⊕0i
複素数の除法
次に複素数どうしの除法について定義する.
§
定義5複素数の除法
,,,a,b,c,dを実数とする. 2つの複素数 a⊕biと c⊕diの商を
a⊕bic⊕di=(ac+bd)/(c²+d²)⊕(bc-ad)/(c²+d²)i
と定義する.ただし, c≠0または d≠0とする.
乗法の場合と同じように,この計算結果も暗記するのは難しい. そこで,a⊕bic⊕diの計算の⊕を,やはり + とみなして,文字式と同様の計算をすると覚えやすい.
次の計算にあるように,計算の初めに分母に共役な複素数 c⊖diを,分母と分子にかけ,分母を実数に変えるのがポイントである.
a⊕bic⊕di
=(a+bi)(c-di)/(c+di)(c-di) ←分母と分子に c-diをかけた
=(ac+(-ad+bc)i-bdi²)/(c²+(-cd+cd)i-d²i²) ←普通の文字式のように展開した
=(ac+(-ad+bc)i+bd)/(c²+d²) ←i²を-1に変えた
=(ac+bd+(bc-ad)i)/(c²+d²) ←iをくくってまとめた
=(ac+bd)/(c²+d²)⊕(bc-ad)/(c²+d²)i ←iを含む項と含まない項に分けた
この計算のやり方も,現時点ではやはり記憶法にすぎないが,後に正当化される.
問題6複素数の除法
次の計算をせよ.
- 1⊕i3⊕2i
- 1⊖2i2⊖i
- 3⊕i3⊖i
- √2⊖√3i√2⊕√3i
解答を見る
分母に共役な複素数を分母子にかけて
1⊕i3⊕2i=(1+i)(3-2i)/(3+2i)(3-2i) =(3+(-2+3)i-2i²)/(9+(-6+6)i-4i²)=(3+i+2)/(9+4) =(5+i)/13=5/13⊕1/13i
分母に共役な複素数を分母子にかけて
1⊖2i2⊖i=(1-2i)(2+i)/(2-i)(2+i) =(2+(1-4)i-2i²)/(4+(2-2)i-i²)=(2-3i+2)/(4+1) =(4-3i)/5=4/5⊖3/5i
分母に共役な複素数を分母子にかけて
3⊕i3⊖i=(3+i)(3+i)/(3-i)(3+i) =(9+(3+3)i+i²)/(9+(3-3)i-i²)=(9+6i-1)/(9+1) =(8+6i)/10=4/5⊕3/5i
分母に共役な複素数を分母子にかけて
√2⊖√3i√2⊕√3i=(√2-√3i)(√2-√3i)/(√2+√3i)(√2-√3i) =(2+(-√6-√6)i+3i²)/(2+(-√6+√6)i-3i²) =(2-2√6-3)/(2+3) =(-1-2√6i)/5=-1/5⊖2√6/5i
⊕と+を同一視する
⊕ と+ を同一視する
複素数 a⊕biは,虚部が0,すなわち b = 0のとき, a⊕0iとなるが,これを単にaと書き,実数aのことだと考える. また,実部が0,すなわち a = 0のとき, 0⊕biとなるが,これを単にbiと書く. 特に, a = 0かつ b≠0のとき,biを純虚数(pure imaginary)という.
このように決めると
a⊕bi
=(a+0)⊕(0+b)i ← a⊕biを2つの複素数の和で書き換えた
=(a⊕0i)+(0⊕bi) ← a⊕0iを a,0⊕biをbに書き換えた
=a+bi
と表せるので,結局 a⊕biは a + biと表してかまわない,つまり⊕と + は混同させてかまわないことになる.
これから以下では,⊕はすべて + と表記するようにする.⊖と− も同様である.
暗記1複素数の実数条件と純虚数条件
αを複素数とするとき,次のことを証明せよ.
- 「αが実数である」 ⇔ α=α
「αが純虚数である」 ⇔ α=-α
解答を見る
α = a + biとおくと, α=a-biであるので
⇔ α=α ⇔ α-α=0 ⇔ (a+bi)-(a-bi)=0 ⇔ (a-a)+(b+b)i=0 ⇔ 0+2bi=0 ⇔ 2b=0⇔ b=0
以上から, α = a + 0iつまりαは実数である.
α = a + biとおくと, α=a-biであるので
⇔ α=-α ⇔ α+α=0 ⇔ (a+bi)+(a-bi)=0 ⇔ (a+a)+(b-b)i=0 ⇔ 2a+0i=0 ⇔ 2a=0⇔ a=0
以上から, α = 0 + biつまりαは純虚数である.
§
定理6複素数の実数条件と純虚数条件
複素数αについて,次のことがいえる.
「αが実数である」 ⇔ α=α
「αが純虚数である」 ⇔ α=-α
複素数の性質
暗記2複素数の性質
複素数,α,βにおいて
αβ=0⇔ α=0 または β = 0
を証明せよ.
解答を見る
は明らかなので,以下では⇒を証明する.
, α = a + bi,β = c + diとおく.
αβ = 0の両辺にαをかけて
ααβ=0 ∴(a-bi)(a+bi)(c+di)=0 ⇔ (a²+b²)(c+di)=0 ⇔ (a²+b²)c+(a²+b²)di=0
よって
(a²+b²)c=0 (a²+b²)d=0 (上の式を①,下の式を②とする.)
①となるのは, a² + b² = 0つまり a = b = 0,または c = 0のときである.
a = b = 0のときは,②も成立.
c = 0のときは, d = 0であれば②が成立.
以上より,( a = 0かつ b = 0)または( c = 0かつ d = 0),つまり α = 0または β = 0が示せた.
暗記3共役な複素数の性質
,α,βを複素数とするとき,次の等式を証明せよ.
- α+β=α+β
- α-β=α-β
- αβ=αβ
- (ただし, )α/β=α/β (ただし,β≠0)
解答を見る
, α = a + bi,β = c + diとおく.
(左辺)
=(a+bi)+(c+di) =(a+c)+(b+d)i =(a+c)-(b+d)i
(右辺)
=a+bi+c+di =(a-bi)+(c-di) =(a+c)-(b+d)i
以上より,(左辺)=(右辺)となる.
(左辺)
=(a+bi)-(c+di) =(a-c)+(b-d)i =(a-c)-(b-d)i
(右辺)
=a+bi-c+di =(a-bi)-(c-di) =(a-c)-(b-d)i
以上より,(左辺)=(右辺)となる.
(左辺)
=(a+bi)(c+di) =ac+(ad+bc)i+bdi² =(ac-bd)+(ad+bc)i =(ac-bd)-(ad+bc)i
(右辺)
=a+bi c+di =(a-bi)(c-di) =ac-(ad+bc)i+bdi² =(ac-bd)-(ad+bc)i
以上より,(左辺)=(右辺)となる.
(左辺)
=((a+bi)/(c+di)) =((a+bi)(c-di)/(c+di)(c-di)) =((ac-(ad-bc)i-bdi²)/(c²+(-cd+cd)i-d²i²)) =((ac+bd)/(c²+d²)-(ad-bc)/(c²+d²)) =(ac+bd)/(c²+d²)+(ad-bc)/(c²+d²)i
(右辺)
=(a+bi)/(c+di) =(a-bi)/(c-di) =(a-bi)(c+di)/(c-di)(c+di) =(ac+(ad-bc)i-bdi²)/(c²+(cd-cd)i-d²i²) =((ac+bd)+(ad-bc)i)/(c²+d²) =(ac+bd)/(c²+d²)+(ad-bc)/(c²+d²)i
以上より,(左辺)=(右辺)となる.
負の数の平方根
数の範囲を,いままでみてきたような複素数にまで拡張すれば,負の数の平方根を求めることができる. 例として, − 3の平方根を求めてみよう.
− 3の平方根は,方程式 x² = − 3の解である. i² = − 1を利用して
x²=3i² ⇔ x²-3i²=0 ⇔ (x-√3i)(x+√3i)=0 ⇔ x=√3i, -√3i
つまり, − 3の平方根は√3iと-√3iである. 一般には次のようにまとめられる.
§
定義7負の数の平方根
a > 0のとき,− aの平方根は,√aiと−√aiである.
特に, − 1の平方根はiと− iである.
問題7負の数の平方根
次の数の平方根を求めよ.
- − 36
- − 20
- -49/81
- -5/12
解答を見る
- ±√36i=±6i
- ±√20i=±2√5i
- ±√(49/81)i=±7/9i
- ±√(5/12)i=±√5/2√3i=±√15/6i
負の数 − aの平方根のうち,√aiのことを√(-a)と表す.
問題8負の数の平方根の計算
次の式を計算せよ.
- √(-9)+√(-1)
- √(-48)-√(-75)
- √24√(-18)
- √(-2)√(-8)
- √(-15)/√108
- √80/√(-10)
解答を見る
√(-9)+√(-1)=3i+i=4i
√(-48)-√(-75)=4√3i-5√3i
=-√3i
√24√(-18)=2√6×3√2i=12√3i
√(-2)√(-8)=√2i×2√2i=4i²=-4
√(-15)/√108=√15/6√3i =√5/6i
√80/√(-10)=4√5/√10i =-4√5/√10i=-2√2i
,a,bが実数のとき
√a√b=√ab , √a/√b=√(a/b)
は一般には成り立たない.このことを,次の例題で確認しておこう.
問題9負の数の根号の計算
次の問いに答えよ.ただし, a > 0かつ b > 0のとき, √a√b=√abおよび √a/√b=√(a/b)が成り立つことは使ってよい.
- a < 0かつ b < 0のとき, √a√b≠√abであることを証明せよ.
- a > 0かつ b < 0のとき, √a/√b≠√(a/b)であることを証明せよ.
解答を見る
(1) a < 0かつ b < 0のとき
(左辺)
=√a√b=√(-(-a))√(-(-b)) =√(-a)i√(-b)i=√(-a)(-b)i² =-√ab
≠(右辺)
(2) a > 0かつ b < 0のとき
(左辺)
=√a/√(-(-b))=√a/√(-b)i =-√a/√(-b)i=-√(-a/b)i =-√(-(-a/b))=-√(a/b)
≠(右辺)
2次方程式の解の公式の拡張
2次方程式の解の公式の拡張について
実数,,a,b,cを係数にもつ2次方程式
ax²+bx+c=0
①
を解くことを考える. \FTEXT 数学Iで学んだときには,解を実数の範囲でしか考えていなかったが,ここではより広く複素数の範囲で 解を考えることにする.
①を変形していくと
ax²+bx+c=0 ⇔ x²+b/ax+c/a=0 ⇔ (x+b/2a)²-b²/4a²+c/a=0 ⇔ (x+b/2a)²=(b²-4ac)/4a²
複素数の範囲では負の数の平方根も求められるので, b² − 4acの符号が何であっても
x+b/2a=±√(b²-4ac)/2a
と表せ, x=(-b±√(b²-4ac))/2aとなる.
§
定理92次方程式の解の公式の拡張
実数,,a,b,cを係数にもつ2次方程式 ax² + bx + c = 0の解は ( b² − 4acの値の符号が何であっても)
x=(-b±√(b²-4ac))/2a
と表せる.
問題102次方程式の複素数の範囲での解
次の2次方程式を解け.
- 2x² + 5x + 1 = 0
- 3x² − 2x + 2 = 0
- √2x²+4x+3√2=0
- (√3-1)x²-2x+3√3+3=0
解答を見る
2次方程式の解の公式より
x=(-5± √(5²-4・ 2・ 1))/(2・ 2) =(-5±√17)/4
2次方程式の解の公式より
x=(1± √((-1)²-3・ 2))/3 =1±√5i/3
両辺に√2を掛けると
⇔ 2x²+4√2x+6=0 ⇔ x²+2√2x+3=0
であるから,2次方程式の解の公式より
x=(-√2±√((√2)²-1・ 3))/1 =-√2± i
両辺に(√3+1)を掛けると
⇔ (√3-1)(√3+1)x² -2(√3+1)x (√3-1)(√3+1)x² +(3+3√3)(√3+1)=0 ⇔ 2x²-2(√3+1)x +3(√3+1)²=0
であるから,2次方程式の解の公式より
x= (√3+1)/2 ±√((√3+1)²-2・ 3(√3+1)²)/2 = (√3+1)/2(1±√5i)
2次方程式の判別式
2次方程式 ax² + bx + c = 0について,\FTEXT 数学Iでは
- D = b² − 4ac > 0のとき,2つの異なる解をもつ.
- D = b² − 4ac = 0のとき,重解をもつ.
- D = b² − 4ac < 0のとき,解は存在しない.
と学んだが,解を複素数の範囲まで拡張して考えるならば,次のようにまとめられる.
§
定理102次方程式の判別式
2次方程式 ax² + bx + c = 0の判別式 D = b² − 4acについて
- D = b² − 4ac > 0のとき,異なる2つの実数解をもつ.
- D = b² − 4ac = 0のとき,重解(実数解) をもつ.
- D = b² − 4ac < 0のとき,異なる2つの虚数解をもつ.
となる.
問題11解の判別
次の2次方程式の解を判別せよ.
- x² − 4x + 2a + 1 = 0
- x² + (a − 1)x − a + 3 = 0
解答を見る
判別式をDとすると
D/4=(-2)²-(2a+1)=3-2a
- D/4 > 0,すなわち a<3/2のとき,異なる2つの実数解をもつ.
- D/4=0,すなわち a=3/2のとき,重解をもつ.
- D/4 < 0,すなわち a>3/2のとき,異なる2つの虚数解をもつ.
判別式をDとすると
D=(a-1)²-4(-a+3) =a²+2a-11
y = a² + 2a – 11のグラフは右図のようであるから
- D > 0,すなわち , a<-1-2√3,-1+2√3< aのとき,異なる2つの実数解をもつ.
- D = 0,すなわち a=-1± 2√3のとき,重解をもつ.
- D < 0,すなわち -1-2√3< a<-1+2√3のとき,異なる2つの虚数解をもつ.
最終更新: 2026-08-09
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