極形式の複素数の積と商は以下のようになります。
\begin{align*}z_1=r_1(\cosα&+i\sinα),z_2=r_2(\cosβ+i\sinβ)のとき\\
z_1z_2&=r_1r_2\{\cos(α+β)+i\sin(α+β)\}\\[1em]\frac{z_1}{z_2}&=\frac{r_1}{r_2}\{\cos(α-β)+i\sin(α-β)\}\end{align*}
なぜこのような式になるのでしょうか？2通りの方法で確かめてみます。
1. 加法定理の利用
複素数の積
\begin{align*}z_1z_2&=r_1(\cosα+i\sinα)r_2(\cosβ+i\sinβ)\\[0.5em]&=r_1r_2\{(\cosα\cosβ-\sinα\sinβ)+i(\sinα\cosβ+\cosα\sinβ)\}\end{align*}
加法定理
\begin{align*}\cosα\cosβ-\sinα\sinβ&=\cos(α+β)\\[1em]\sinα\cosβ+\cosα\sinβ&=\sin(α+β)\end{align*}
より
\[z_1z_2=r_1r_2\{\cos(α+β)+i\sin(α+β)\}\]
となります。
複素数の商
\[\frac{z_1}{z_2}=\frac{r_1}{r_2}\cdot\frac{\cosα+i\sinα}{\cosβ+i\sinβ}\]
分母と分子に$\dfrac{\bar{z_2}}{r_2}=\cosβ-i\sinβ$を掛けて
\begin{align*}\frac{z_1}{z_2}&=\frac{r_1}{r_2}\cdot\frac{\cosα+i\sinα}{\cosβ+i\sinβ}\cdot\frac{\cosβ-i\sinβ}{\cosβ-i\sinβ}\\[0.5em]&=\frac{r_1}{r_2}\cdot\frac{(\cosα+i\sinα)(\cosβ-i\sinβ)}{\cos^2β+i\sin^2β}\\[0.5em]&=\frac{r_1}{r_2}\{(\cosα\cosβ+\sinα\sinβ)+i(\sinα\cosβ-\cosα\sinβ)\}\end{align*}
加法定理
\begin{align*}\cosα\cosβ+\sinα\sinβ&=\cos(α-β)\\[1em]\sinα\cosβ-\cosα\sinβ&=\sin(α-β)\end{align*}
より
\[\frac{z_1}{z_2}=\frac{r_1}{r_2}\{\cos(α-β)+i\sin(α-β)\}\]
となります。
2. オイラーの公式の利用
複素数の積
オイラーの公式
\[z=re^{i\theta}=r(\cos\theta+i\sin\theta)\]
より
\begin{align*}z_1&=r_1e^{i\alpha}=r_1(\cos\alpha+i\sin\alpha)\\[1em]z_2&=r_2e^{i\beta}=r_2(\cos\beta+i\sin\beta)\end{align*}
となるので、指数の計算法則
\[X^n\cdot X^m=X^{n+m}\]
を利用して
\begin{align*}z_1z_2&=r_1e^{i\alpha}\cdot
r_2e^{i\beta}\\[0.5em]&=r_1r_2e^{i(\alpha+\beta)}\\[0.5em]&=r_1r_2\{\cos(\alpha+\beta)+i\sin(\alpha+\beta)\}\end{align*}
となります。
複素数の商
\[\frac{1}{X^n}=X^{-n}\]
より
\begin{align*}\frac{z_1}{z_2}&=\frac{r_1e^{i\alpha}}{r_2e^{i\beta}}\\[0.5em]&=\frac{r_1}{r_2}\cdot\frac{e^{i\alpha}}{e^{i\beta}}\\[0.5em]&=\frac{r_1}{r_2}e^{i\alpha}e^{-i\beta}\\[0.5em]&=\frac{r_1}{r_2}e^{i(\alpha-\beta)}\\[0.5em]&=\frac{r_1}{r_2}\{\cos(\alpha-\beta)+i\sin(\alpha-\beta)\}\end{align*}
となります。
Share:
