题目
16.分录题解方程:z^3+8=0,并请写出完整的计算过程。
16.分录题
解方程:$z^{3}+8=0$,并请写出完整的计算过程。
题目解答
答案
将方程 $z^3 + 8 = 0$ 变形为 $z^3 = -8$。
将 $-8$ 表示为极坐标形式:$-8 = 8 \text{cis}(\pi)$。
求 $z$ 的立方根,即 $z = 2 \text{cis}\left(\frac{\pi + 2k\pi}{3}\right)$,其中 $k = 0, 1, 2$。
计算得:
- 当 $k = 0$ 时,$z_0 = 2 \text{cis}\left(\frac{\pi}{3}\right) = 1 + i\sqrt{3}$;
- 当 $k = 1$ 时,$z_1 = 2 \text{cis}(\pi) = -2$;
- 当 $k = 2$ 时,$z_2 = 2 \text{cis}\left(\frac{5\pi}{3}\right) = 1 - i\sqrt{3}$。
答案:
$\boxed{-2, 1 + i\sqrt{3}, 1 - i\sqrt{3}}$
解析
本题考查复数方程的求解,解题思路是先将方程变形,再把常数项转化为极坐标形式,最后利用复数的$n$次方根公式求出方程的解。
- 方程变形:
已知方程$z^{3}+8 = 0$,移项可得$z^{3}=-8$。 - 将$-8$表示为极坐标形式:
对于复数$z = r(\cos\theta + i\sin\theta)$,也可写成$z = r\text{cis}\theta$的形式,其中$r$为复数的模,$\theta$为复数的辐角。
对于$-8$,其模$r=\vert - 8\vert = 8$,辐角$\theta=\pi$,所以$-8 = 8(\cos\pi + i\sin\pi)=8\text{cis}(\pi)$。 - 求$z$的立方根:
根据复数的$n$次方根公式,若$z^{n}=r\text{cis}\theta$,则$z = \sqrt[n]{r}\text{cis}\left(\frac{\theta + 2k\pi}{n}\right)$,其中$k = 0,1,\cdots,n - 1$。
在$z^{3}=8\text{cis}(\pi)$中,$n = 3$,$r = 8$,$\theta=\pi$,所以$z = \sqrt[3]{8}\text{cis}\left(\frac{\pi + 2k\pi}{3}\right)=2\text{cis}\left(\frac{\pi + 2k\pi}{3}\right)$,$k = 0,1,2$。 - 分别计算$k$取不同值时$z$的值:
- 当$k = 0$时:
$z_0 = 2\text{cis}\left(\frac{\pi}{3}\right)=2\left(\cos\frac{\pi}{3}+i\sin\frac{\pi}{3}\right)$
根据特殊三角函数值$\cos\frac{\pi}{3}=\frac{1}{2}$,$\sin\frac{\pi}{3}=\frac{\sqrt{3}}{2}$,可得$z_0 = 2\times\left(\frac{1}{2}+i\times\frac{\sqrt{3}}{2}\right)=1 + i\sqrt{3}$。 - 当$k = 1$时:
$z_1 = 2\text{cis}(\pi)=2(\cos\pi + i\sin\pi)$
根据特殊三角函数值$\cos\pi=-1$,$\sin\pi = 0$,可得$z_1 = 2\times(-1 + i\times0)=-2$。 - 当$k = 2$时:
$z_2 = 2\text{cis}\left(\frac{5\pi}{3}\right)=2\left(\cos\frac{5\pi}{3}+i\sin\frac{5\pi}{3}\right)$
根据特殊三角函数值$\cos\frac{5\pi}{3}=\frac{1}{2}$,$\sin\frac{5\pi}{3}=-\frac{\sqrt{3}}{2}$,可得$z_2 = 2\times\left(\frac{1}{2}+i\times\left(-\frac{\sqrt{3}}{2}\right)\right)=1 - i\sqrt{3}$。
- 当$k = 0$时: