Đề tài : Ứng dụng số phức vào giải toán Hình học phẳng

Chia sẻ: Nguyen Huy Hung | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:43

Thêm vào BST

Báo xấu

942
lượt xem 214
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Số phức xuất hiện từ thể kỷ XIX do nhu cầu phát triển của Toán học về giải những phương trình đại số. Từ khi ra đời số phức đã thúc đẩy toán học tiến lên mạnh mẽ và giải quyết được nhiều vấn đề của khoa học và kỹ thuật. Đối với học sinh bậc THPT thì số phức là một nội dung còn mới mẻ, với thời lượng không nhiều, học sinh mới chỉ biết được những kiến thức rất cơ bản của số phức, việc khai thác các ứng dụng của số phức còn hạn chế, đặc...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài : Ứng dụng số phức vào giải toán Hình học phẳng

z Đề tài : Ứng dụng số phức vào giải toán Hình học phẳng 1
MỤC LỤC Trang 2 Mục lục ............................................................................................................................1 MỞ ĐẦU .........................................................................................................................3 Chương 1:SỐ PHỨC.......................................................................................................4 1.1 Lịch sử hình thành khái niệm số phức......................................................................4 1.2 Khái niệm số phức....................................................................................................8 1.3 Các phép toán trên tập các số phức ..........................................................................9 1.4 Dạng lượng giác và dạng mũ của số phức..............................................................11 Chương 2: ỨNG DỤNG SỐ PHỨC VÀO GIẢI TOÁN HÌNH HỌC PHẲNG..........17 2.1 Phương pháp giải toán ............................................................................................17 2.2 Mô tả một số kết quả của hình học phẳng bằng ngôn ngữ số phức .......................17 2.3 Ứng dụng số phức giải toán chứng minh hình học và tính toán ............................22 2.4 Ứng dụng số phức giải toán dựng hình ..................................................................35 2.5 Ứng dụng số phức giải toán quỹ tích......................................................................38 KẾT LUẬN ...................................................................................................................44 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................45 2
MỞ ĐẦU Số phức xuất hiện từ thể kỷ XIX do nhu cầu phát triển của Toán học về giải những phương trình đại số. Từ khi ra đời số phức đã thúc đẩy toán học tiến lên mạnh mẽ và giải quyết được nhiều vấn đề của khoa học và kỹ thuật. Đối với học sinh bậc THPT thì số phức là một nội dung còn mới mẻ, với thời lượng không nhiều, học sinh mới chỉ biết được những kiến thức rất cơ bản của số phức, việc khai thác các ứng dụng của số phức còn hạn chế, đặc biệt là việc sử dụng số phức như một phương tiện để giải các bài toán Hình học phẳng là một vấn đề khó, đòi hỏi học sinh phải có năng lực giải toán nhất định, biết vận dụng kiến thức đa dạng của toán học. Mặc dù sách giáo khoa Giải tích lớp 12 đã đưa bài tập ứng dụng Số phức vào giải toán hình học phẳng nhưng còn rất ít. Với những lí do trên, tôi chọn đề tài nghiên cứu là: “Ứng dụng số phức vào giải toán Hình học phẳng”. 3
Chương 1: SỐ PHỨC Chương này trình bày lịch sử hình thành số phức, định nghĩa, các phép toán và tính chất của số phức. 1.1 Lịch sử hình thành khái niệm số phức Lịch sử số phức bắt đầu từ thế kỉ thứ XVI. Đó là thời kì Phục hưng của toán −1, b −1, a + b −1 xuất học châu Âu sau đêm trường trung cổ. Các đại lượng ảo hiện đầu tiên từ thế kỉ XVI trong các công trình của của các nhà toán học Italy “Nghệ thuật vĩ đại hay là về các quy tắc của đại số” (1545) của G. Cardano (1501 – 1576) và “Đại số” (1572) của R. Bombelli (1530 – 1572). Nhà toán học Đức Felix Klein (1849 – 1925) đã đánh giá công trình của G. Cardano như sau: “Tác phẩm quý giá đến tột đỉnh này đã chứa đựng mầm mống của đại số hiện đại và nó vượt xa tầm của toán học thời cổ đại”. −1 Khi giải phương trình bậc hai Cardano và Bombelli đã đưa vào xét kí hiệu là lời giải hình thức của phương trình x 2 + 1 = 0 . Xét biểu thức b −1 là nghiệm hình thức của phương trình x 2 + b 2 = 0 . Khi đó biểu thức tổng quát hơn có dạng a + b −1, b ≠ 0 có thể xem là nghiệm hình thức của phương trình ( x − a ) 2 + b 2 = 0 . Về sau biểu thức dạng a + b −1, b ≠ 0 xuất hiện trong quá trình giải phương trình bậc hai, bậc ba (công thức Cardano) được gọi là đại lượng “ảo” và sau đó được Gauss gọi là số phức và thường được kí hiệu là a + ib , trong đó kí hiệu i := −1 được L.Euler đưa vào (năm 1777) gọi là đơn vị “ảo”. Quá trình thừa nhận số phức như một công cụ quý giá của toán học đã diễn ra rất chậm chạp. Ngay tên gọi và kí hiệu i := −1 là đơn vị ảo cũng đã gây nên nhiều nỗi băn khoăn, thắc mắc từ đó dẫn đến khủng hoảng niềm tin vì nó không có gì chung với số - một công cụ của phép đếm, mặc dù người ta vẫn xem nó là một kí hiệu trừu tượng thỏa mãn định nghĩa i 2 = −1. Sự khủng hoảng niềm tin càng trở nên sâu sắc hơn bởi việc chuyển một cách thiếu cân nhắc và thiếu thận trọng một số quy tắc của đại số thông thường cho các số 4
phức đã sản sinh ra những nghịch lí khó chịu. Chẳng hạn như nghịch lí sau đây: vì i = −1 nên i 2 = −1, nhưng đồng thời bằng cách sử dụng các quy tắc thông thường của phép toán khai căn bậc hai lại thu được i 2 = −1 −1 = (−1)(−1) = (−1) 2 = 1 = 1 Như vậy −1 = 1 . i cho phép ta đưa Ta nhấn mạnh lại rằng hệ thức i 2 = −1 là định nghĩa số mới vào xét số phức. Điều đó có nghĩa rằng hệ thức đó không thể chứng minh, nó chỉ là quy ước. Tuy vậy, cũng có người muốn chứng minh hệ thức đó. Trong cuốn sách “phương pháp tọa độ” của mình, viện sĩ L.S. Pointriagin đã mô tả lại chứng minh đó như sau: Đầu tiên người ta lấy nửa đường tròn với đường kính AB. Từ điểm R tùy ý của nửa đường tròn hạ đường vuông góc RS là trung bình nhân giữa các độ dài của các đoạn AS và SB. Vì nói đến độ dài nên sẽ không sai sót lớn khi nói rằng bình phương đoạn RS bằng tích các đoạn thẳng AS và BS. Bây giờ, trở về với mặt phẳng phức, kí i là R. Khi đó S sẽ là điểm 0. Tác giả của hiệu điểm -1 là A, điểm +1 là B và điểm phép chứng minh đã lập luận như sau: Đoạn thẳng RS là i , đoạn thẳng AS là -1 và SB là +1. Như vậy theo định lí vừa nhắc lại ở trên ta có i 2 = (−1)(+1) = −1 Thật đáng tiếc là phép chứng minh kì lạ này vẫn được viết trong sách và giảng dạy ở một số trường phổ thông trước thế chiến thứ II. Lịch sử toán học cũng ghi lại rằng Cardano cũng đã nhắc đến các nghiệm phức nhưng lại gọi chúng là các nghiệm “ngụy biện”. Chẳng hạn khi giải hệ phương trình ⎧ x + y = 10 ⎨ ⎩ xy = 50 Cardano đã tìm được nghiệm 5 ± −5 và ông đã gọi nghiệm này là “âm thuần túy” và thậm chí còn gọi là “nghiệm âm ngụy biện”. Có lẽ tên gọi “ảo” là di sản vĩnh cửu của “một thời ngây thơ đáng trân trọng của số học”. 5
Thậm chí đối với nhiều nhà bác học lớn thế kỉ XVIII bản chất đại số và bản chất hình học của các đại lượng ảo không được hình dung một cách rõ ràng mà còn đầy bí ẩn. Chẳng hạn, lịch sử cũng ghi lại rằng I. Newton đã không thừa nhận cá đại lượng ảo và không xem các đại lượng ảo thuộc vào các khái niệm số, còn G. Leibniz thì thốt lên rằng: “Các đại lượng ảo – đó là nơi ẩn náu đẹp đẽ huyền diệu đối với tinh thần của đấng tối cao, đó dường như một giống lưỡng cư sống ở một chốn nào đó giữa cái có thật và cái không có thật”. Người đầu tiên nhìn thấy lợi ích do đưa số phức vào toán học mang lại chính là nhà toán học Italy R. Bombelli. Trong cuốn “Đại số” (1572) ông đã định nghĩa các phép tính số học trên các đại lượng ảo và do đó ông đã sáng tạo nên lí thuyết các số “ảo”. Thuật ngữ số phức được dùng đầu tiên bởi K. Gauss (năm 1831). Vào thế kỉ XVII – XVIII nhiều nhà toán học khác cũng đã nghiên cứu các tính chất của đại lượng ảo (số phức) và khảo sát các ứng dụng của chúng. Chẳng hạn L. Euler (1777 – 1855) nhà toán học Đức mở rộng khái niệm logarit cho số phức bất kì (1738), còn A. Moivre (1667 – 1754) nhà toán học Anh nghiên cứu và giải bài toán căn bậc tự nhiên đối với số phức (1736). Sự nghi ngờ đối với số ảo (số phức) chỉ tiêu tan khi nhà toán học người Nauy là C.Wessel đưa ra sự minh họa hình học về số phức và các phép toán trên chúng trong công trình công bố năm 1799. Đôi khi phép biểu diễn minh họa số phức cũng được gọi là “sơ đố Argand” để ghi nhận công lao của nhà toán học Thụy Sỹ R. Argand – người thu được kết quả như của Wessel một cách độc lập. Lí thuyết thuần túy số học đối với các số phức với tư cách là các cặp số thực có thứ tự (a,b), a ∈ R, b ∈ R được xây dựng bởi nhà toán học Ailen là W.Hamilton (1837). Ở đây đơn vị “ảo” i chỉ đơn giản là một cặp số thực có thứ tự - cặp (0;1), tức là đơn vị “ảo” được lí giải một cách hiện thực. Cho đến thế kỉ thứ XIX, Gauss mới thành công trong việc luận chứng một cách vững chắc khái niệm số phức. Tên tuổi của Gauss cũng gắn liền với phép chứng minh chính xác đầu tiên đối với định lí cơ bản của Đại số khẳng định rằng trong trường số phức C mọi phương trình đa thức đều có nghiệm. 6
Bản chất đại số của số phức thể hiện ở chỗ số phức là phần tử của trường mở i rộng (đại số) C của trường số thực R thu được bằng phép ghép đại số cho R nghiệm của phương trình x2 + 1 = 0 . Với định lí cơ bản của Đại số, Gauss đã chứng minh được trường C trở thành trường đóng đại số. Điều đó có nghĩa là khi xét các nghiệm của phương trình đại số trong trường này ta không thu được thêm số mới. Đương nhiên trường số thực R (và do đó cả trường hữu tỉ Q) không có tính chất đóng đại số. Chẳng hạn, phương trình với hệ số thực có thể không có nghiệm thực. Nhìn lại hơn 2500 năm từ thời Pythagor tới giờ, con đường phát triển khái niệm về số có thể tóm tắt bởi N → Z → Q → R → C với các bao hàm thức: N ⊂ Z ⊂Q⊂ R⊂C. Bằng các kết quả sâu sắc trong các công trình của các nhà toán học K.Weierstrass, G.Frobenius, B.Peirce người ta mới nhận ra rằng mọi cố gắng mở rộng tập số phức theo con đường trên đều không có kết quả khả quan. K.Weierstrass đã chứng minh tập hợp số phức C không thể mở rộng thành tập hợp rộng hơn bằng cách ghép thêm số mới để trong tập hợp số rộng hơn thu được vẫn bảo toàn mọi phép tính và mọi quy luật của các phép toán đã đúng trong tập hợp số phức. Nhìn lại lịch sử lâu dài của sự phát triển khái niệm số ta thấy rằng cứ mỗi lần khi đưa vào những số mới các nhà toán học cũng đồng thời đưa vào các quy tgawcs thực hiện các phép toán trên chúng. Đồng thời với điều đó các nhà Toán học luôn luôn cố gắng bảo toàn các quy luật số học cơ bản (luật giao hoán của phép cộng và phép nhân, luật kết hợp và luật phân bố, luật sắp xếp tuyến tính của tập hợp số). Tuy nhiên sự bảo toàn đó không phải khi nào cũng thực hiện được, ví dụ như khi xây dựng trường số phức người ta không bảo toàn được luật sắp xếp tuyến tính vốn có trong trường số thực. Tổng kết lịch sử toàn bộ quá trình phát triển khái niệm số, nhà toán học Đức L.Kronecker (1823 - 1891) đã viết: “Thượng đế đã tạo ra số tự nhiên, còn tất cả các loại số còn lại đều là công trình sáng tạo của con người” Có thể nói rằng với khẳng định bất hủ này, L.Kronecker đã xác định nền móng vững chắc cho tòa lâu đài toán học tráng lệ , mà con người đang sở hữu. 7
1.2 Khái niệm số phức Ta biết rằng trường số thực ¡ nhận được bằng cách làm “đầy” trường số hữu tỉ ¤ , mà nó được xây dựng từ vành số nguyên ¢ . Việc làm đầy xuất phát từ sự nghiên cứu các phương trình đại số với hệ số hữu tỉ và giới hạn của các dãy số hữu tỉ. Tuy nhiên trường ¡ vẫn không đầy đủ, bởi vì ngay cả phương trình đơn giản x2 + 1 = 0 (1) cũng không có nghiệm trong ¡ . Còn trong giải tích nếu chỉ giới hạn trong ¡ , người 1 ta không thể giải thích được tại sao hàm f ( x) = không thể khai triển được 1 + x2 thành chuỗi lũy thừa trên toàn bộ đường thẳng. Với lí do trên, buộc ta phải tìm kiếm trường K nào đó chứa ¡ như một trường con sao cho tối thiểu phương trình (1) có nghiệm. Ở đây ta nói ¡ là trường con của K nếu các phép toán trên ¡ được cảm sinh bởi các phép toán trên K. 1.2.1 Xây dựng trường số phức Giả sử trường £ chứa ¡ như một trường con mà phương trình x 2 + 1 = 0 có nghiệm trong nó, khi đó £ phải có một phần tử i để i 2 = −1. Vì ¡ ⊂ £ nên £ chứa tất cả các phần tử dạng a + ib, a, b ∈ ¡ . Do đó, một cách tự nhiên ta xét tập £ các cặp số thực (a,b): £ = {(a, b) : a, b ∈ ¡ } . Sau đó đưa vào quan hệ bằng nhau và các phép toán sao cho với chúng £ trở thành một trường chứa ¡ như một trường con (qua phép đồng nhất nào đó). Các phép toán náy được dẫn dắt từ các phép toán của trường ¡ với chú ý i 2 = −1 i) Quan hệ bằng nhau: (a, b) = (c, d ) ⇔ a = c, b = d ii) Phép cộng: (a, b) + (c, d ) = ( a + c, b + d ) iii) Phép nhân: (a, b).(c, d ) = ( ac − bd , ad + bc) Tập hợp £ với quan hệ bằng nhau, các phép cộng và nhân xác định như trên lập thành một trường thỏa mãn các điều kiện sau: 1) ¡ chứa trong £ như một trường con (qua đồng nhất a ∈ ¡ với (a,0) ∈ £ ) 2) Tồn tại nghiệm của phương trình x 2 + 1 = 0 trong £ . 1.2.2 Định nghĩa • Trường £ được xây dựng như trên được gọi là trường số phức 8
• Mọi phần tử của £ được gọi là số phức • Vậy ∀z ∈ £ , ta có z = (a, b) = a (1,0) + b(0,1) = a + ib , ∀a, b ∈ ¡ Đây là dạng đại số của số phức z, trong đó a được gọi là phần thực của số phức z, kí hiệu là Rez b được gọi là phần ảo của số phức z kí hiệu là Imz • Số phức liên hợp Cho z = a + ib , ∀a, b ∈ ¡ , khi đó z = a − ib ∈ £ được gọi là số phức liên hợp z. của số phức z, kí hiệu là 1.3 Các phép toán trên tập các số phức 1.3.1 Phép cộng z1 =a1 + ib1 ; z2 = a2 + ib2 là số phức Ta gọi tổng của hai số phức z = ( a1 + a2 ) + i (b1 + b2 ) (1) và được kí hiệu là z = z1 + z2 . Từ định nghĩa của phép cộng ta có các tính chất sau: z1 + ( z2 + z3 ) = ( z1 + z2 ) + z3 i) Kết hợp: z1 + z2 = z2 + z1 ii) Giao hoán: Đặc biệt khi z1; z2 là hai số thực thì định nghĩa (1) trùng với định nghĩa phép cộng các số thực. 1.3.2 Phép trừ Phép cộng trên có phép toán ngược, nghĩa là với hai số phức z1 =a1 + ib1 ; z2 = a2 + ib2 ta có thể tìm được số phức z sao cho z2 + z = z1 . Số phức z1 và z2 , kí hiệu là z = z1 − z2 , rõ ràng từ định nghĩa này gọi là hiệu của hai số phức z = (a1 − a2 ) + i (b1 − b2 ) (2) ta có 1.3.3 Phép nhân Ta gọi tích của hai số phức z1 =a1 + ib1 ; z2 = a2 + ib2 là số phức z xác định bởi z = (a1a2 − b1b2 ) + i (a1b2 + b1a2 ) (3) z = z1 z2 . Và kí hiệu là 9
Từ định nghĩa ta có những tính chất sau: z1 ( z2 z3 ) = ( z1 z2 ) z3 . i) Kết hợp z1 z2 = z2 z1 . ii) Giao hoán iii) Phép nhân có tình phân phối với phép cộng z1 ( z2 + z3 ) = z1 z2 + z1 z3 . z1 và z2 là hai số thực thì định nghĩa (3) trùng với định nghĩa thông Nếu thường của phép nhân trong tập hợp các số thực. Đặc biệt khi lấy z1 = z2 = i từ định nghĩa (3) ta có i.i = i 2 = −1 Rõ ràng với z1 =a1 + ib1 ; z2 = a2 + ib2 thì công thức (3) có được bằng cách nhân thông thường (phép nhân trong tập hợp số thực) và thay i 2 = −1. Chú ý: z.z = a 2 + b 2 ≥ 0 1.3.4 Phép chia Phép toán nhân có phép toán ngược nếu ít nhất một trong hai số đó khác không. Giả sử z2 ≠ 0 . Khi đó ta có thể tìm được một số phức z = a + ib sao cho z2 .z = z1 . Theo định nghĩa của phép nhân ta có hệ phương trình sau ⎧a2 a − b2b = a1 (4) ⎨ ⎩b2 a + a2b = b1 Vì z2 ≠ 0 nghĩa là định thức của hệ Cramer khác 0 nên hệ phương trình trên luôn luôn có một lời giải duy nhất. Số phức z có được này gọi là thương của hai số phức z1 và z2 . Giải hệ (4), ta được a1a2 + b1b2 ⎧ ⎪a = a 2 + b 2 ⎪ 2 2 (5) ⎨ ⎪b = b1a2 − a1b2 ⎪ a2 + b2 2 2 ⎩ z1 Kí hiệu z = . z2 z z1 với 1 Chú ý: Hệ thức (5) cũng có được bằng cách nhân z2 z2 1.3.5 Lũy thừa bậc n zn . Tích của n lần số phức z được gọi là lũy thừa bậc n của số phức z. Kí hiệu 10
1.3.6 Căn bậc n w n = z . Kí hiệu w = n z . Số phức w được gọi là Căn bậc n của số phức z nếu 1.3.7 Định lí z1 , z2 , z , ta có: Với các số phức z = z , ∀z ∈ ¡ ⊂ £ i) z = z , ∀z ∈ £ ii ) z1 + z2 = z1 + z2 iii ) z.z = a 2 + b 2 ≥ 0 (∀ z = a + ib , ∀a, b ∈ ¡ ) iv) z1 z2 = z1 z2 v) Suy ra: λ z = λ z , ∀λ ∈ ¡ , ∀z ∈ £ ⎛ z1 ⎞ z1 ⎜ ⎟= vi ) ⎝ z2 ⎠ z2 z + z = 2Re z = 2a; z − z = 2i Im z = 2ib (∀ z = a + ib , ∀a, b ∈ ¡ ) vii ) 1.4 Dạng lượng giác và dạng mũ của số phức 1.4.1 Dạng lượng giác của số phức Xét mặt phẳng tương ứng với hệ tọa độ Đềcác Oxy và ta biểu diễn một số phức z = a + ib , ∀a, b ∈ ¡ bởi một điểm có tọa độ (a,b). Như vậy các số thực sẽ được biểu diễn bởi các điểm trên trục Ox, nó được gọi là trục thực, các số thuần ảo được biểu diễn bởi các điểm trên trục Oy, nó được gọi là trục ảo. Ngược lại, với mỗi điểm của mặt phẳng Oxy có tọa độ (a,b), ta đặt tương ứng với một số phức z = a + ib Hình 1 11
Vậy có sự tương ứng 1 -1 giữa tập hợp tất cả các số phức £ với tập hợp tất cả các điểm của một mặt phẳng. Vì mỗi điểm có tọa độ (a,b) trong mặt phẳng tương ứng với một véc tơ có bán kính véc tơ r = a 2 + b 2 và góc cực tương ứng ϕ . Do đó mỗi số phức z có thể z = r (cosϕ + isin ϕ ) . Đây là dạng lượng giác của số phức, biểu diễn dưới dạng trong đó r, ϕ lần lượt là bán kính cực và góc cực của số phức z. Bán kính r gọi là modun của số phức z, kí hiệu r = z . Góc cực ϕ gọi là argument của số phức z, kí hiệu là ϕ = Argz Hình 2 Modun của số phức được xác định một cách duy nhất z = a 2 + b 2 ≥ 0 . Và argument của số phức được xác định với sai khác một bội của 2π . ⎧ b arctg + 2kπ , (k ∈ ¢ ) khi a > 0 ⎪ ⎪ a ϕ = Argz = ⎨ ⎪arctg b + (2k + 1) π , (k ∈ ¢ ) khi a < 0 ⎪ ⎩ a ππ b ∈ [- ; ] là giá trị chính của hàm arctg . Với arctg a 22 1.4.2 Một số tính chất Cho các số phức z = r (cosϕ + isin ϕ ) ; z1 = r1 (cosϕ1 + isin ϕ1 ) ; z2 = r2 (cosϕ 2 + isin ϕ2 ) . 12
Ta có các tính chất sau: z1 ≡ z2 thì modul của chúng trùng nhau và argument của chúng ϕ1 ;ϕ2 1) Nếu 2π sai khác nhau một số nguyên lần 2) Tính chất của modun và argument z1.z2 = z1 . z2 i) z ≥ Re z ii ) z ≥ Im z iii ) z ≤ Re z + Im z iv) z1 + z2 ≤ z1 + z2 v) z1 − z2 ≤ z1 − z2 vi ) 3) Tích của hai số phức z = z1.z2 = r1 (cosϕ1 + isin ϕ1 ).r2 (cosϕ2 + isin ϕ 2 ) = r1r2 [(cosϕ1cosϕ2 − sin ϕ1 sin ϕ 2 ) + i (cosϕ1 sin ϕ2 − sin ϕ1cosϕ 2 )] = r1r2 [cos(ϕ1 + ϕ 2 ) + i sin(ϕ1 + ϕ2 )] z của hai số phức viết dưới dạng lượng giác z = r (cosϕ + isin ϕ ) , ở đó Như vậy, tích r là tích của r1r2 , hoặc z1 z1.z2 = z1 . z2 ; còn argument ϕ là tổng (ϕ1 + ϕ2 ) của arg z1 z2 = arg z1 + arg z2 . hai argument thừa số, hay nói cách khác Bằng phương pháp quy nạp toán học dễ dàng chứng minh được [r1 (cosϕ1 + isin ϕ1 )].[r2 (cosϕ2 + isin ϕ 2 )]....[rn (cosϕ n + isin ϕ n )] = r1r2 ....rn [cos(ϕ1 + ϕ 2 + ... + ϕ n ) + i sin(ϕ1 + ϕ 2 + ... + ϕ n )] Hoàn toàn tương tự ta có thể làm phép chia các số phức z1 r1 (cosϕ1 + isin ϕ1 ) r1 (cosϕ1 + isin ϕ1 )(cosϕ1 - isin ϕ1 ) = = z2 r2 (cosϕ 2 + isin ϕ 2 ) r2 (cosϕ 2 + isin ϕ 2 )(cosϕ 2 - isin ϕ 2 ) r1 [(cosϕ1cosϕ 2 + sin ϕ1 sin ϕ 2 ) + i (sin ϕ1cosϕ 2 − cosϕ1 sin ϕ 2 )] = r2 r1 [cos(ϕ1 − ϕ2 ) + i sin(ϕ1 − ϕ2 )] = r2 13
z z1 z = 1 và arg 1 = arg z1 − arg z2 Do đó, z2 z2 z2 Bây giờ có thể dễ dàng biểu diễn tích z = z1 z2 , với z1 = r1 (cosϕ1 + isin ϕ1 ) ; z2 = r2 (cosϕ2 + isin ϕ2 ) của hai số phức r1r2 và argument ϕ1 + ϕ 2 . là một điểm với bán kính véc tơ Hình 3 1.4.3 Công thức Moivre Cho một số phức bất kì dưới dạng lượng giác z = r (cosϕ + isin ϕ ) , theo công thức ở trên ta có z n = [r (cosϕ + isin ϕ )]n = r n (cosnϕ + isin nϕ ), ∀n ∈ N Công thức trên được gọi là công thức Moivre. n là các số nguyên âm. Thật vậy: Công thức Moivre cũng đúng khi 1 = r −1[cos(−ϕ ) + isin(−ϕ )] z −1 = r (cosϕ + isin ϕ ) Và: z − n = ( z −1 ) n = [r −1 (cos(−ϕ ) + isin(−ϕ ))]n = r − n [cos(− nϕ ) + isin(− nϕ )] Dựa vào công thức Moivre ta định nghĩa căn bậc n của số phức: 14
Cho z = r (cosϕ + isin ϕ ) , căn bậc n của số phức z là một số phức biểu diễn w = ρ (cosθ + isin θ ) , sao cho w n = z , hay dưới dạng lượng giác [ρ (cosθ + isin θ )]n = r (cosϕ + isin ϕ ) . ρ n = r , suy ra p = n r , Còn argument Theo công thức Moivre, ta có ϕ + 2 kπ nθ và ϕ sai khác nhau , hay nθ = ϕ + 2kπ ,(k ∈ Z ) . Vậy θ = . n Ngược lại, khi ta nâng bậc mũ n số ϕ + 2 kπ ϕ + 2 kπ w = n r (cos + isin ), (k ∈ Z ), thì ta được z . Như vậy: n n ϕ + 2 kπ ϕ + 2 kπ r (cosϕ + isin ϕ ) = n r (cos + isin ), n n n với k = 0,1,2,..., n − 1 sẽ nhận được n giá trị khác nhau cho n z. 2π n z tạo thành cấp số cộng với công bội Mỗi giá trị của , và số hạng n ϕ đầu (tương ứng k=0). n Do tính chu kì của hàm sin x;cos x với k > n + 1 thì những giá trị của n z lại lặp lại một trong n giá trị ban đầu. Do đó, căn bậc n của một số phức có đúng n giá trị khác nhau. Những số này biểu diễn như đỉnh của n đa giác đều nằm trên đường tròn với tâm là gốc tọa độ n z. và bán kính là Hình 4 15
1.4.4 Dạng mũ của số phức Để đơn giản cách viết số phức ta đặt cosϕ ± isin ϕ = e ± iϕ dạng lượng giác được biến đổi thành dạng mũ z = reiϕ z ≠ 0. đó là dạng số mũ của số phức z1 = r1eiϕ1 ; z2 = r2 eiϕ2 thì : Dễ dàng chứng minh rằng nếu i (ϕ1 +ϕ 2 ) z1 z2 = r1r2 e 1. ; z1 r1 i (ϕ1−ϕ2 ) =e ; r2 ≠ 0 2. z2 r2 z = a + ib = r (cosϕ + isin ϕ ) lên lũy thữa bậc n của số Phép nâng số phức phức được thực hiện theo công thức Moivre z n = r n einϕ ϕ + 2 kπ i w k = z = re ; k = 0;1;...; n − 1 n n n 16
Chương 2: ỨNG DỤNG SỐ PHỨC VÀO GIẢI TOÁN HÌNH HỌC PHẲNG Chương này trình bày phương pháp giải toán, mô tả một số kết quả của hình học phẳng bằng ngôn ngữ số phức và ba ứng dụng của số phức vào giải toán hình học. 2.1 Phương pháp giải toán Khi giải các bài toán trong hình học phẳng ta đồng nhất số phức z = x + iy với điểm M(x,y) trong mặt phẳng với hệ tọa độ vuông góc Descartes Oxy, và gọi z là tọa vị của điểm M (đối với hệ tọa độ đó); kí hiệu M(z), hoặc kí hiệu đơn uuur giản hơn là M; đồng thời cũng đồng nhất số phức z = x + iy với véc tơ O M trong đó điểm đầu O là gốc tọa độ, điểm cuối M là điểm biểu diễn số phức z, vì vậy nếu nói M uuur có tọa vị z thì cũng nói véc tơ O M có tọa vị z. Nhờ vậy, nếu A(z), B(z’) thì véc tơ uur uur uur uur AB = OB − OA có tọa vị (z’ -z), hoặc kí hiệu là (A-B), và | AB | = |z’ – z| (hay uur | AB | =|A-B|). Do đó trong mặt phẳng phức C, phương trình đường tròn tâm tại điểm M0(z0), bán kính R là |z – z0| = R hay z = z0 + R ( cos t + isin t ) với tham số t biến thiên trong đoạn [0; 2 π ] hay một phần của đoạn đó mà ta có toàn bộ đường tròn hay một cung tương ứng, còn phương trình đường thẳng có dạng: z = x + ib , b = const , đường thẳng song song với trục Ox z = a + iy , a = const , đường thẳng song song với trục Oy z = x + iy , y = x tan ϕ , ϕ là số đo góc định hướng hợp bởi đường thẳng và tia Ox. Sau đó nhờ phép chuyển tương ứng điểm hình học hay điểm phức M thành uuur vectơ OM (O là gốc tọa độ), chuyển khoảng cách giữa hai điểm phức B − A thành uur độ dài vectơ AB , bình phương modul của điểm phức M 2 = M .M thành vô hướng uuur 2 vectơ OM ta sẽ nhận được lời giải thông thường của bài toán đã cho, một lời giải không ứng dụng số phức. Nhờ đó ta nhận được lời giải thông thường của bài toán đã cho. 2.2 Mô tả một số kết quả của hình học phẳng bằng ngôn ngữ số phức Cho trước hai điểm M(m), N(n). Khi đó, độ dài đoạn MN = n − m = d ( m;n ) . Trong mặt phẳng cho trước đoạn thẳng AB. Khi đó, điểm M chia đoạn thẳng AB theo 17
uuu r uuu r tỷ số k ∈ ¡ \ {1} khi và chỉ khi MA = k MB , a − m = k.( b − m ) trong đó a, b và m là tọa vị các điểm A, B và M theo thứ tự đó. Từ đó, nếu kí hiệu [ AB ] là chỉ đoạn thẳng AB, kí hiệu (AB) là chỉ đường thẳng AB, kí hiệu [ AB ) là chỉ tia AB, ta có các kết quả sau Cho trước hai điểm A ( a ) ,B ( b ) phân biệt và điểm M ( m ) . Khi đó M ∈ [ AB ] ⇔ ∃t ≥ 0 : z − m = t.( b − m ) ⇔ ∃t ∈ [ 0;1] : m = (1 − t ) a + tb (1) M ∈ ( AB ) ⇔ ∃t ∈ ¡ : m − a = t.( b − a ) ⇔ ∃t ∈ ¡ : m = (1 − t ) a + tb ( 2) Định lý 2.1. Cho trước hai điểm A ( a ) ,B ( b ) phân biệt và điểm M ( m ) . Khi đó, các mệnh đề sau tương đương • M ∈ [ AB ) • ∃t > 0 : m = (1 − t ) a + tb • arg ( m − a ) = arg ( b − a ) m−a + • = t∈¡ b−a Từ đó, để ý rằng t = t ∀t ∈ ¡ , ta thu được phương trình của đường thẳng đi qua hai điểm W1 ( w1 ) ,W2 ( w2 ) là ( z − w1 ) .( w2 − w1 ) − ( z − w1 ).( w2 − w1 ) = 0 ( 3) 2.2.1 Góc giữa hai đường thẳng Trong mặt phẳng phức, cho hai điểm M 1 ( z1 ) ,M 2 ( z2 ) và α k = arg zk ,k = 1, 2 . Khi đó, do uu uuuu r r uuuu uuuu r r uu uuuu r r ( )( )( ) ( mod 2π ) nên Ox,OM 1 + OM 1 ,OM 2 ≡ Ox,OM 2 uuuu uuuu r r uu uuuu r r uu uuuu r r ( OM ,OM ) ≡ ( Ox,OM ) − ( Ox,OM ) ( mod 2π ) 1 2 2 1 hay góc định hướng tạo bởi tia OM 1 với tia OM 2 z2 bằng arg . z1 Hình 5 Từ đó, nếu cho bốn điểm phân biệt M k ( zk ) ,k = 1, 2 ,3, 4 thì góc định hướng tạo bởi đường 18
z4 − z 2 thẳng M 1M 3 với M 2 M 4 bằng arg . z3 − z1 Định lý 2.2. Hai tam giác ABC và A'B'C' đồng dạng cùng hướng khi và chỉ khi c − a c' − a' = b − a b' − a' Và hai tam giác ABC và A'B'C' đồng dạng ngược hướng khi và chỉ khi c − a c' − a' = b − a b' − a' 2.2.2 Tích vô hướng của hai số phức Trong mặt phẳng phức cho hai điểm M 1 ( z1 ) ,M 2 ( z2 ) . Khi đó uuuu uuuu r r · OM 1 .OM 2 = OM 1 .OM 2 .cosM 1OM 2 Nếu zk có modul bằng rk và có argument bằng α k thì uuuu uuuu r r OM 1 .OM 2 = r1 .r2 .cos (α 2 − α1 ) = r1r2 ( cosα1 cosα 2 + sin α1 sin α 2 ) ( ) 1 z1 ; z2 = . z1 .z2 + z1 .z2 Do đó 2 Từ đó suy ra z1 ; z2 = z1 ; z2 và do đó z1 ; z2 ∈ ¡ . Tích vô hướng của hai số phức cũng có tính chất như tích vô hướng của hai vectơ. Ngoài ra z1 ; zz2 = z. z1 ; z2 và zz1 ; z2 = z. z1 ; z2 . Nhận xét 2.1. 1. Trong mặt phẳng phức cho hai điểm M 1 ( z1 ) ,M 2 ( z2 ) . Khi đó z1 ; z2 bằng phương tích của O với đường tròn đường kính M 1M 2 . Nếu A ( a ) ,B ( b ) ,C ( c ) ,D ( d ) là bốn điểm phân biệt của mặt phẳng phức, • thì ⎛b−a⎞ AB ⊥ CD ⇔ b − a;d − c = 0 ⇔ Re ⎜ ⎟=0 ⎝ d −c⎠ 2.2.3 Công thức tính diện tích tam giác Diện tích của tam giác ABC định hướng, với các đỉnh A ( a ) ,B ( b ) ,C ( c ) được tính theo công thức 19
aa1 i S= b b 1 4 cc1 aa1 Do đó A ( a ) ,B ( b ) ,C ( c ) thẳng hàng khi và chỉ khi b b 1 = 0 . c c1 2.2.4 Khoảng cách từ một điểm đến một đường thẳng Khoảng cách từ điểm M ( z0 ) đến đường thẳng Δ : α .z + α .z + β = 0 bằng α .z0 + α .z0 + β d ( M ,Δ ) = 2 α .α 2.2.5 Đường tròn Đường tròn tâm M 0 ( z0 ) bán kính R là tập hợp những điểm M(z) sao cho M 0 M = R hay z − z0 = R tức là z z − z0 z − z0 z + z0 z0 − R 2 = 0 . Từ đó mọi đường tròn đều có phương trình dạng z z + α z + α z + β = 0 , trong đó α ∈ £ , β ∈ ¡ . Đường tròn này có tâm với tọa vị −α , bán kính R = α α − β . 2.2.6 Mô tả các phép biến hình phẳng bằng ngôn ngữ số phức Phép dời hình. r Phép tịnh tiến. Phép tịnh tiến theo véc-tơ v = ( v ) là phép biến hình biến uuuur r điểm M(z) thành điểm M'(z') sao cho MM ' = v. Do đó, biểu thức của phép tịnh tiến là z' = f ( z ) = z + v Phép quay. Phép quay tâm M 0 ( z0 ) góc quay α là phép biến hình biến uuuuu uuuuuu r r ( ) M(z) thành điểm M'(z') mà M 0 M = M 0 M ' và M 0 M ;M 0 M ' ≡ α ( mod 2π ) . Từ đó, biểu thức của phép quay là z' − z0 = ei.α ( z − z0 ) Phép đối xứng trục. Phép đối xứng qua đường thẳng l là phép biến hình biến mỗi điểm M(z) thành điểm M'(z') sao cho l là trung trực của MM'. Từ đó • Phép đối xứng qua trục thực: z' = f ( z ) = z • Phép đối xứng qua trục ảo: z' = f ( z ) = − z 20