質問<3230>
「「複素数」」
日付
質問者 hajime
\(\frac{2006}{6}\)/7


方程式x^11-2=0
1.解をすべて求めよ。
2.Cを複素数平面と見るとき、1.で求めた解のなかで第二象限(実部>0、
  虚部<0の領域)に属するものをすべてあげよ。

これってどうやって解くのでしょうか??
よろしくお願いします。

★完全解答希望★

お便り
日付 2006/6/14
回答者 亀田馬志


分かりません(笑)。全く見当も付きません(笑)。
そこで、手抜きしましょう。フリー数式処理ソフトMAXIMA(Windows版)を使って
解いてみましょうか。数学的な事は分からないんで(笑)、そのテの事は他の得意なお方に
お任せしたいと思います(笑)。

まずは指示に従って、MAXIMA(Windows版)をダウンロードして下さい。
指示通り(と言っても英語ですが、簡単な英語です)MAXIMA(Windows版)をダウン
ロードするとデスクトップ上にMAXIMAのアイコンが出来ている事と思います。
ダブルクリックでMAXIMAを立ち上げてください。
そうすると、次のような画面が現れると思います。

Maxima 5.9.3 http://maxima.sourceforge.net
Using Lisp GNU Common Lisp (GCL) GCL 2.6.7 (aka GCL)
Distributed under the GNU Public License. See the file COPYING.
Dedicated to the memory of William Schelter.
This is a development version of Maxima. The function bu\(g_{r}\)eport()
provides bug reporting information.
(%i1)

これでMAXIMAの起動は成功です。そして、(%i1)の後にコマンドを入力して
MAXIMAを動かすワケです。
ではやっていってみましょう。

>方程式x^11-2=0
>1.解をすべて求めよ。

はいはい。
MAXIMAで方程式を解かせるコマンドはsolveコマンドと言って、書式は次の通り
です。

solve(方程式,解きたい文字);

これを最初は(%i1)の後にセミコロン(;)まで入力します。
問題に従うと、次のようになりますね。

(%i1) solve(\(x^{11}\)-2=0,x);

そしてリターンキーを押すと、次のように(%o1)の後にズラズラと数が出てきます。

2 %i %pi 4 %i %pi
-------- --------
\(\frac{1}{11}\) 11 \(\frac{1}{11}\) 11
(%o1) [x = 2 %e , x = 2 %e ,
6 %i %pi 8 %i %pi
-------- --------
\(\frac{1}{11}\) 11 \(\frac{1}{11}\) 11
x = 2 %e , x = 2 %e ,
10 %i %pi 10 %i %pi
--------- - ---------
\(\frac{1}{11}\) 11 \(\frac{1}{11}\) 11
x = 2 %e , x = 2 %e ,
8 %i %pi 6 %i %pi
- -------- - --------
\(\frac{1}{11}\) 11 \(\frac{1}{11}\) 11
x = 2 %e , x = 2 %e ,
4 %i %pi 2 %i %pi
- -------- - --------
\(\frac{1}{11}\) 11 \(\frac{1}{11}\) 11 \(\frac{1}{11}\)
x = 2 %e , x = 2 %e , x = 2 ]

もの凄い事になってますが(笑)、ちょっと見辛いですが、キチンと解が11個表示されてい
るのが分かると思います。
ネピア数eが底の指数関数をexp()と表記するとして、ちょっと書き直してみましょうか。

x=2^(\(\frac{1}{11}\))*exp(\(\frac{2}{11}\)*i*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))*exp(\(\frac{4}{11}\)*i*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))*exp(\(\frac{6}{11}\)*i*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))*exp(\(\frac{8}{11}\)*i*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))*exp(\(\frac{10}{11}\)*i*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))*exp(-\(\frac{10}{11}\)*i*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))*exp(-\(\frac{8}{11}\)*i*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))*exp(-\(\frac{6}{11}\)*i*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))*exp(-\(\frac{4}{11}\)*i*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))*exp(-\(\frac{2}{11}\)*i*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))

すごいですね。これが解「らしい」です。まあ、バグが無ければこの通りでしょう。
11次方程式なんで、解も全部で11個ですね。
さて、問題2の方にも絡むんですが、この指数関数形式での記述だと大変見辛いです。
なんせ複素数ですからね。そこでオイラーの公式

exp(iθ)=cosθ+isinθ

を利用して、上で出力された解を極形式に変換してみましょう。
MAXIMAでは実部と虚部に複素数を分ける機能があるんで、それを利用してみましょう。
多分(%i2)と言った新しい入力待ちになってるでしょうから、その後に次のよう
セミコロン(;)まで入力します。

(%i2) a:realpart(%o1);

MAXIMAではrealpart(複素数)と言うコマンドが複素数の実部を取り出す命令と
なります。そして、複素数の部分をを前回の計算出力結果%o1で指定しているのです。
また、a:って部分は「aと言う文字に以下の数を代入せよ」と言った意味です。これでaを
使えば計算結果がいつでも復元できるんですね。
リターンキーを押して計算させると、次のような出力が得られます。

\(\frac{1}{11}\) 2 %pi \(\frac{1}{11}\) 4 %pi
(%o2) [x = 2 cos(-----), x = 2 cos(-----),
11 11
\(\frac{1}{11}\) 6 %pi \(\frac{1}{11}\) 8 %pi
x = 2 cos(-----), x = 2 cos(-----),
11 11
\(\frac{1}{11}\) 10 %pi \(\frac{1}{11}\) 10 %pi
x = 2 cos(------), x = 2 cos(------),
11 11
\(\frac{1}{11}\) 8 %pi \(\frac{1}{11}\) 6 %pi
x = 2 cos(-----), x = 2 cos(-----),
11 11
\(\frac{1}{11}\) 4 %pi \(\frac{1}{11}\) 2 %pi \(\frac{1}{11}\)
x = 2 cos(-----), x = 2 cos(-----), x = 2 ]
11 11

見事に三角関数表記で実部が取り出されました。
では調子にのって虚部も取り出してみましょう。虚部の取り出しコマンドはimagpart
(複素数)です。同様に(%i3)に続いて次のようにセミコロン(;)まで入力します。

(%i3) b:imagpart(%o1);

リターンキーを押すと次の出力が得られます。

(%o3) [0 = 2 sin(-----), 0 = 2 sin(-----),
11 11
\(\frac{1}{11}\) 6 %pi \(\frac{1}{11}\) 8 %pi
0 = 2 sin(-----), 0 = 2 sin(-----),
11 11
\(\frac{1}{11}\) 10 %pi \(\frac{1}{11}\) 10 %pi
0 = 2 sin(------), 0 = - 2 sin(------),
11 11
\(\frac{1}{11}\) 8 %pi \(\frac{1}{11}\) 6 %pi
0 = - 2 sin(-----), 0 = - 2 sin(-----),
11 11
\(\frac{1}{11}\) 4 %pi \(\frac{1}{11}\) 2 %pi
0 = - 2 sin(-----), 0 = - 2 sin(-----), 0 = 0]
11 11

またズラズラと出力されました。そしてこれらは既にbに代入されています。
一番最初に複素数で習ったとおり、a+b*iのカタチにしてみます。次のように入力して
下さい。

(%i4) a+b*%i;

MAXIMAでは虚数iや円周率Πのような特殊な数は%piや%iのように表現します
(何故なら、MAXIMAは文字式を扱うので、普通の変数と特殊な定数には違いを持た
せておかないとヤバいからです)。そこで上記のような入力形式を用いるわけです。
リターンキーを押すと次のような計算結果が表示されます。

\(\frac{1}{11}\) 2 %pi \(\frac{1}{11}\) 2 %pi
(%o4) [x = 2 %i sin(-----) + 2 cos(-----),
11 11
\(\frac{1}{11}\) 4 %pi \(\frac{1}{11}\) 4 %pi
x = 2 %i sin(-----) + 2 cos(-----),
11 11
\(\frac{1}{11}\) 6 %pi \(\frac{1}{11}\) 6 %pi
x = 2 %i sin(-----) + 2 cos(-----),
11 11
\(\frac{1}{11}\) 8 %pi \(\frac{1}{11}\) 8 %pi
x = 2 %i sin(-----) + 2 cos(-----),
11 11
\(\frac{1}{11}\) 10 %pi \(\frac{1}{11}\) 10 %pi
x = 2 %i sin(------) + 2 cos(------),
11 11
\(\frac{1}{11}\) 10 %pi \(\frac{1}{11}\) 10 %pi
x = 2 cos(------) - 2 %i sin(------),
11 11
\(\frac{1}{11}\) 8 %pi \(\frac{1}{11}\) 8 %pi
x = 2 cos(-----) - 2 %i sin(-----),
11 11
\(\frac{1}{11}\) 6 %pi \(\frac{1}{11}\) 6 %pi
x = 2 cos(-----) - 2 %i sin(-----),
11 11
\(\frac{1}{11}\) 4 %pi \(\frac{1}{11}\) 4 %pi
x = 2 cos(-----) - 2 %i sin(-----),
11 11
\(\frac{1}{11}\) 2 %pi \(\frac{1}{11}\) 2 %pi \(\frac{1}{11}\)
x = 2 cos(-----) - 2 %i sin(-----), x = 2 ]
11 11

これが極形式の表現ですね。
ちょっとWeb上では見辛いかもしれないので、整理しておきましょうか。

x=2^(\(\frac{1}{11}\))*cos(\(\frac{2}{11}\)*Π)+2^(\(\frac{1}{11}\))*isin(\(\frac{2}{11}\)*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))*cos(\(\frac{4}{11}\)*Π)+2^(\(\frac{1}{11}\))*isin(\(\frac{4}{11}\)*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))*cos(\(\frac{6}{11}\)*Π)+2^(\(\frac{1}{11}\))*isin(\(\frac{6}{11}\)*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))*cos(\(\frac{8}{11}\)*Π)+2^(\(\frac{1}{11}\))*isin(\(\frac{8}{11}\)*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))*cos(\(\frac{10}{11}\)*Π)+2^(\(\frac{1}{11}\))*isin(\(\frac{10}{11}\)*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))*cos(\(\frac{10}{11}\)*Π)-2^(\(\frac{1}{11}\))*isin(\(\frac{10}{11}\)*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))*cos(\(\frac{8}{11}\)*Π)-2^(\(\frac{1}{11}\))*isin(\(\frac{8}{11}\)*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))*cos(\(\frac{6}{11}\)*Π)-2^(\(\frac{1}{11}\))*isin(\(\frac{6}{11}\)*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))*cos(\(\frac{4}{11}\)*Π)-2^(\(\frac{1}{11}\))*isin(\(\frac{4}{11}\)*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))*cos(\(\frac{2}{11}\)*Π)-2^(\(\frac{1}{11}\))*isin(\(\frac{2}{11}\)*Π)、
2^(\(\frac{1}{11}\))

の計11個です。
極形式ですと、角度さえ見ればどの象限に点が存在するのか分かると思うので、
2に対してもこれで探せばイイとは思います。

>2.Cを複素数平面と見るとき、1.で求めた解のなかで第二象限(実部>0、
虚部<0の領域)に属するものをすべてあげよ。

一応プロットするだけしてみましょうか。
実は探したんですが、MAXIMAではComfort Mapping(複素平面描画)の機能がない
みたいなんですね。そこで、代わりにパラメトリック(媒介変数表現)なプロットを試みて
みましょう。
1の解で見る限り、普通の二次元平面で考えると、tをパラメータ(媒介変数)として、

(x,y)=(2^(\(\frac{1}{11}\))*cost,2^(\(\frac{1}{11}\))*sint)

と言った図面を描けば良いわけです。これが複素平面上の

z=2^(\(\frac{1}{11}\))*cosθ+2^(\(\frac{1}{11}\))*isinθ

と図形的には丸っきり同値である、と言うのはお分かりでしょう。
また、cos(-θ)=cos(θ)、sin(-θ)=-sinθより、共役複素数

z'=2^(\(\frac{1}{11}\))*cosθ+2^(\(\frac{1}{11}\))*isinθ

も図形的には特に神経質にならなくっても宜しいと思います。
と言うわけで、MAXIMAで-\(\frac{10}{11}\)*π≦t≦\(\frac{10}{11}\)*πの範囲の曲線を描いてみましょう。
コマンド形式は

plot2d([parametric,x(t),y(t)],[t,tの最小値,tの最大値],[nticks,100]);

です。最後の[nticks,100]ってのは描画計算エリアの分割数を増やして滑らかなグラフを
描かせるオマジナイみたいなものです。ではやってみましょうか。
(%i5)の後に次のようにセミコロン(;)まで入力します。

(%i5) plot2d([parametric,\(2^{1}\)/11*cos(t),\(2^{1}\)/11*sin(t)],[t,-\(\frac{10}{11}\)*%pi,\(\frac{10}{11}\)*%pi],[nticks,100]);

リターンキーを押すとグラフが描画されたと思います。
適当に)[t,tの最小値,tの最大値]の部分を変更して、第二象限(実部>0、虚部<0の
領域)に属するようなグラフを描画する為に色々トライしてみて下さい。
なお、上の完成グラフ(-\(\frac{10}{11}\)*π≦t≦\(\frac{10}{11}\)*π)は下図の通りです。

第1象限


第2象限


第3象限


第4象限


全体図


お便り
日付 2006/9/3
回答者 平 昭


 こんにちは。これは、極形式で考えると分かりやすいと思います。
 x=r*exp(iθ)=r(cosiθ+isinθ)
と置くと(r>0とする)

 x^11=\(r^{11}\)exp(11iθ)

 だから、\(r^{11}\)=2、 11θ=2nπ (nは整数)
となればよい。
 ここで、元の方程式の解は11個であることを考えて
 
 x=αexp(2nπ\(\frac{i}{11}\))
(αは2の11乗根、nは0から10までの整数)
となる。

 解が第二象限にあるのは、
π/2<2nπ/11<πの時で、つまり、n=3、4、5。

 求める解は
x=αexp(6π\(\frac{i}{11}\))、αexp(8π\(\frac{i}{11}\))、αexp(10π\(\frac{i}{11}\))
となる。