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高中数学竞赛专题讲座---复数

复 数专题一 复数与数列复数数列的题目主要体现对复数运算的规律性的把握.例1 设数列 ,,,,21n z z z 是首项为48,公比为)26(41i +的等比复数列. (1)求4z .(2)将这个数列中的实数项,不改变原来的次序,从首项开始,排成 ,,,,21n a a a ,试求3a . (3)求无穷级数 ++++n a a a 21的和. 解:(1))6sin 6(cos 21)26(41ππi i r +=+=.i r z 2124834==. (2)使r 为实数的最小自然数是6,数列 ,,,,21n a a a 是首项为48,公比为6r 的等比数列.所以433=a . (3)这个级数是公比816-==r 的无穷等比级数,从而和3128)81(148=--=. 例2 今定义复数列 ,,,,21n a a a 如下,n n ka a a i a i a +=+=+=+1121,31,1()2≥n ,k 为正的常数.问复数n a 的辐角的正切与哪一个值最接近?(当∞→n 时)分析:寻求n a 的一般式,再注意取极限的方法以及相关讨论.解:1+n a 的辐角记作θ,212111)1(a k k k a ka a a n n n n --+++++=+= .(1)当1=k 时,i n n a a n a n )31()1(211+-+=+-=+,所以)(131tan ∞→→+-=n nn θ. (2)当1≠k 时,211111)1(a k kk a a n n n --++--=k k k k k n n n ---++--=-13)13(1111 ∴)()10(1)1(13313)13(1tan 1∞→⎪⎩⎪⎨⎧<<>+-→---+=-n k k k k k k k nn n θ. 例3 (1)设在复数列 ,,,,10n z z z 之间有如下关系:),3,2,1)((11 =-=--+n z z z z n n n n α,其中)1(≠αα是常复数.当1,010==z z 时,试将n z 的值用α表示.(2)若(1)中的i 31+=α,求在圆10||=z (z 是复数)的内部总共含有n z 的个数.解:(1)αα=-=-)(0112z z z z ,21223)(αα=-=-z z z z (1)211)(----=-=-n n n n n z z z z αα于是,从1≠α得,αα--=11nn z .(2))3sin 3(cos231ππαi i +=+=,所以)3sin 3(cos 2ππαn i n n n +=,要使n z 在圆10||=z 的内部,它的充分必要条件是10,z <,∴100||2<n z .即100<⋅n n z z ,而)23cos 21(3121n n n n n z z +-=⋅+π,∴100)23cos21(3121<+-+n n n π.又n n n 2123cos 21+-+π221)21(221n n n -=+->+, 能适合300)21(2<-n 的n 只是4,3,2,1,0.在逐个验证这五个点确信都在圆10||=z 的内部,故符合条件的点共有5个.例4 设平面上有点 ,,10P P ,如图所示,其中,线段 ,,,21100P P P P OP ,的长成首项为1,公比为r 的等比数列.(1)若10<<r ,则当∞→n 时,n P 与哪一点无限接近?(2)将(1)中的极限点用Q 表示.若固定21=r 而θ变动时,点Q 所描述的是怎样的曲线?解:(1))sin (cos θθωi r +=,此时,若将表示点n P 的复数记作n z ,则有nn n z z ω=--1,其中1-z 就是原点O .于是)1(11112≠--=++++=+ωωωωωωn nn z .|1||1||||11|11ωωωω-=-=--++n n n r z , 因此,若10<<r ,令∞→n ,则0|11|→--ωn z ,n z 所表示的点与ω-11所表示的点最靠近. (2)ω-=11z ,则有z z 1-=ω,21=r 固定,θ做变动,点ω总在以原点为圆心的圆周上.但因21||=ω,故有2|1|||=-z z .于是当点ω在以原点为中心,21为半径的圆上,点ω-11相应的在以点34为圆心,32为半径的圆上. 例5 设在复平面上:(1)原点为O ,表示复数Z 的点为A ,点B 由||||OA k AB =,OA AB , 的交角为θ所确定。

试求 表示点B 的复数。

这里k 是实数。

(2)点列 ,,,,,210n A A A A 由下述方式确定:0A 取)0,0(,1A 取)0,1(,),3,2,1(1 =+n A n 由||2||11n n n n A A A A -+=,以及n n n n A A A A 11,-+的夹角θ所定义。

试求被表示为n A 复数n z 。

(3)若(2)中,2πθ=,且记12311-+++=n z z z S ,n z z z S 2422+++= ,将212iS S +化简。

解:(1)将表示B 的复数记作ω,则对有关系AB OC =的点C 表示为复数,就是z -ω,从而)sin (cos θθωi kz z +=-,所以z ik k ]sin )cos 1[(θθω++=。

(2)OQ A A OP A A n n n n ==+-11,所表示的点Q P ,,则用复数分别表示为n n n n z z z z --+-11,。

由θ=∠POQ ,推出n n z z -+12=)sin )(cos (1θθi z z n n +--,因此,数列}{1--n n z z 是首项为10101=-=-z z ,公比为)sin (cos 2θθi +的等比数列。

所以1--n n z z 11)sin (cos 2--+=n n i θθ(n 是正整数)。

所以)sin (cos 21)sin (cos 21θθθθi n i n z n n +-+-=。

(3)数列}{},{212k k z z -仍为等比数列,故可求得ni iS S =+212。

专题二 复数与几何1. 有关轨迹问题:例1 已知一圆B 及圆外一点A ,在圆上任取一点Q ,以AQ 为边按逆时针作正三角形AQP ,求点P 的轨迹.解:如图:建立复平面,设a AB =,圆B 半径为r .P 、Q 分别对应复数为1,z z则r a z =-1.令3sin 3cos 0ππi z +=, 3π=∠QAP ,∴01,01z z z z z z =⋅=故r a z z=-0,∴r z r az z ==-00.故点P 的轨迹是圆,圆心对应的复数 为0az ,即i a a 232+,半径为r . 例2 已知复数2121,,z z z z +在复平面上分别对应点A 、B 、C ,O 为复平面的原点.(1) 若i z 21231+=,向量OA 逆时针旋转︒90,模变为原来的2倍后与向量OC 重合,求2z ; (2)若)(22121z z z z +=-,试判断四边形OACB 的形状.解:向量OA 逆时针旋转︒90,模变为原来的2倍所得的向量对应的复数为i z 21⋅,而OC 对应的复数为21z z +,故21z z +=i z 21⋅.故=+-=)21(12i z z )21)(2123(i i +-+ 整理可得:i z 21322322-++-=. (2) )(22121z z z z +=-,OC BA ⊥.又 四边形OACB 为平行四边形,∴四边形OACB 为菱形.2. 复数的模与辐角求复数的辐角主值常有两种方法:(1) 利用复数的三角式,应用三角函数的知识求解.(2) 根据复数的几何意义,将问题转化为几何问题求解.例3 设复数z 满足1=z ,求复数2-z 的辐角主值的最大值与最小值。

解:1=z ∴可设)20(sin cos πθθθ<≤+=i z ,θθsin 2cos 2i z +-=-∴.设a z =-)2arg(,由于,1sin 1,02cos ≤≤-<-θθ故232ππ<<a . 令,2cos sin -==θθtga y 则可先求出y 的最值。

由,2cos sin ,sin 2cos y y y y -=-=-θθθθ得)(2)sin(12y tg y y =-=-+ϕϕθ其中,1)sin(≤-ϕθ ,212y y +≤-∴,即,3333,1422≤≤-+≤y y y 3333≤≤-∴tga ,故67)2arg(,65)2arg(max min ππ=-=-z z . 方法二:由1=z ,知z 对应的点Z 在单位圆122=+y x 上,设A (2,0),根据复数减法的几何意义,复数2-z 对应的向量是AZ .(如图),当射线AZ 是圆O 的切线时,2-z 对应的向量分别为21AZ AZ 和,其中Z 1,Z 2为切点.连接OZ 1,则11AZ OZ ⊥,可知1OAZ ∆为直角三角形.由2,11==OA OZ ,故67)2arg(,65)2arg(max min ππ=-=-z z 例4 设{}{},,1z 12 C z z z z A ∈≤⋂≤+=求A 中辐角主值最大的复数z .解:12≤+z 满足 的点在以)0,2(-为圆心,以1为半径的圆内(包括圆周),满足1≤z 的点在单位圆内,(包括圆周),A ∴对应如图两圆共同部分 .A ∴中辐角主值最大的复数P 点对应的复数i i z 222245sin 45cos--=+=ππ 例5 若c z z ∈21,,求证:21211z z z z ⋅-=-成立的充分必要条件是21z z 、中至少有一个是1.证:必要性:212211z z z z ⋅-=- ,2212211z z z z ⋅-=-∴,故有()()()()2121212111z z z z z z z z ⋅-⋅⋅-=-⋅-.根据互为共轭的复数间关系有:()())1)(1(21212121z z z z z z z z⋅-⋅-=--.化简整理得:212122111z z z z z z zz ⋅⋅+=⋅+⋅222122211z z z z ⋅+=+∴,()()0112221=--∴z z ,1z ∴、2z 至少有一个为1 。

充分性:以上过程均可逆。

∴ 结论成立。

常用到的与复数的模相关的结论:(1)22||||z z z z ==⋅ (2)||||||2121z z z z ⋅=⋅ )(||||N n z z nn ∈=⇒(3))0(||||||22121≠=z z z z z (4)||||||||||||212121z z z z z z +≤+≤-. (5))(|||||,|||bi a z z b z z a z +=≤≤-≤≤-,.||2||2||||2221221221z z z z z z +=-++例6 某草场上有宝.取宝法如下:该草场上原有一株橡树、一株松树、一个绞架.从绞架走到橡树,记住步数,向右拐︒90走同样多步打个桩.然后回到绞架那里,再走到松树,记住步数,向左拐︒90走同样多步,又打一个桩.在这两个桩正中挖掘,可以得宝。

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