(a + bi) - (c + di) = a - c + (b - d)i. zz"' = l. (a + bi)(.x + yi) = 1. a -b x =,v= -j. a~+b~ a + b~ a 2 + b 2 a 2 +b 2

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1 174 Geometria Analítica \ O oposto do número complexo z- a + bié o número -z = (-l)z = -a - bi, enquanto que o seu conjugado éz = a-bi. Na Figura 6.1, aparecem o número 2 + o seu oposto -2 - / e o seu conjugado 2 - i. A diferença de números complexos é dada por (a + bi) - (c + di) = a - c + (b - d)i. Se z = a + bi & 0, o número z =.r + yi tal que zz"' = l é chamado inverso de z. Da igualdade obtém-se Portanto. (a + bi)(.x + yi) = 1 a -b x =,v= -j. a~+b~ a + b~ a b a 2 + b 2 a 2 +b 2 O quociente dez = a + bi por w = c + di ^ 0 é definido por zw e pode ser calculado assim: a + bi_(a + bi)(c di)_ac + bd + bc~ad. c + di (c + di)( c di) c 2 + d 2 c 2 + d Prove que a) z + w = ~z + w; b) zw = z w; C (T).i; \w J w d) z = z Calcule: P, i\ i\ í Efetue: a) (1 + O 3 + (1 - o 3 ; b) (1 + o 3 (i - O 3 ;, (i + O 3

2 Números Complexos e Coordenadas Polares Seja z = 3 + 2i. Represente no plano os números z, z, l/z, l/z, zi, -z. Observe que z e 1 / z têm a mesma direção, e que zi é perpendicular a z Efetue: (3+ 3í) +(0,4-5,6í)..(2,1+3,60. 5^ GEOMETRIA ANALÍTICA NO PLANO COMPLEXO A Geometria Analítica no plano, estudada no Capítulo 2, pode ser refeita, com certas vantagens, utilizando-se a estrutura mais rica dos números complexos. O módulo do número complexo z = x + yié dado por Observe que kl = V* + > zz= (x + yi)(x- yi) = x 2 + y 2 = \z\ 2. A distância entre os números complexos z = x + yi e z 0 = x 0 + y 0 i é dada por d(z,z Q ) = z - z 0 = - x o) 2 + (y - y 0 ) 2 > de modo que uma equação da circunferência de centro z,, e raio r é (veja a Figura 6.2) z - Zol = r. Fig. 6.2 Dados os números complexos z e w ^ 0, uma equação paramétrica da reta que passa por z e tem a direção de w é (veja a Figura 6.3) onde t é um parâmetro real. Z = Z 0 + wt,

3 180 Geometria Analítica \ que, juntamente com (1), produz 2 zz 0 zz 0 = 0, como queríamos Mostre que a) z = z ; b) H= z w ; z _ z w w d) z + w\ 2 = \z\ 2 + H Re zw, z w 2 = z 2 + \w\ 2 2 Re zw Prove a identidade z + H- -+ z-wp = 2( z 2 +M 2 ), e enuncie a propriedade geométrica do paralelogramo que ela exprime Prove que, se z está na circunferência z = 1, então o número z - w 1 zw também está, qualquer que seja w 6.9. Determine os números reais a e b para que a equação (1 + i)z + (a + bi )z i = 0 represente: a) uma reta; b) um único ponto; c) o conjunto vazio Dados os três vértices 2, 2i e 2 + 4/ de um quadrado, determine o quarto vértice Dados os três vértices z,, z 2 e z 3 de um paralelogramo, determine o quarto vértice Sendo a e c números complexos tais que a < jc, determine alguns números complexos z que satisfaçam a equação \z-a\ + \z + a\=2\c\. O que acontece quando a > c? Escreva a equação de uma hipérbole na forma complexa. 6.3 COORDENADAS POLARES O produto e o quociente de números complexos têm uma interpretação muito simples quando se usa a forma polar.

4 184 Geometria Analítica \ Exemplo. Para determinar as raízes da equação x 3 - J 5x = 4, citada na Seção 6.1, devemos calcular z = 3j2 + 1 lí + V2-11Í. A forma polar de / é, em números aproximados, ll,18(cos 79,7 + i sen 79,7 ). Logo, as raízes cúbicas de li são 3/TTTÍÍ 79, ,7 +fc.360 ^i,, K/11,18 COS +isen,k=0,1,2. Obtemos, para fc = O para k= 1 para = / -1,87+ 1,23/ -0,13-2,23/. Da mesma maneira, obtemos as raízes cúbicas de 2-11/: para k = O para k - 1 para k = 2 2-i -0,13 + 2,23/ 1,87-1,23/. A dedução da fórmula de Tartaglia indica o seguinte procedimento para determinar as raízes: escolhe-se uma raiz cúbica z, de li e uma raiz cúbica z 2 de 2-11/ tais que Escolhemos, P z,z 7 = = Depois disto, as raízes são determinadas assim: z, + z 2 = 4, Zi = 2 + i, z 2 = 2 - /. z,w + z 2 w 2 = (-1,87 + 1,23/) + (-1,87-1,23/) = -3,74, Z/W 2 + Z 2 w = (-0,13-2,23/) + (-0,13 + 2,23/) = -0, Mostre que as raízes n-ésimas de um número z são da forma ZiW*, k = 0, 1,..., n - 1,

5 Números Complexos e Coordenadas Polares 185 em que z, é uma raiz n-ésima de z, e 2n. 2ji w = cos + / sen. n n Utilizando a notação é e = cos 8+ i sen d, mostre que a multiplicação de e ie por z provoca uma rotação de um ângulo 6. Isto é, mostre que ze ie forma com z um ângulo 9. Em particular, a multiplicação por i = e i,rf2, provoca uma rotação de um ângulo reto Calcule: b) as raízes de ordem 4 da unidade; c) as raízes de ordem 4 de -1; d) as raízes cúbicas de 2 + 2i Formule equações cujas raízes são: a) 2 + 3i, 2-3í; b) 3,1+2i, 1-2z; c) 1,1+2*', 1+3 i Prove que, se z é uma raiz da equação de coeficientes reais ax 3 + bx 2 + cx + d = 0, então o seu conjugado z também o é. Admitindo o fato de que uma equação de grau n tem exatamente n raízes, prove que uma equação do terceiro grau com coeficientes reais tem, pelo menos, uma raiz real Resolva as equações a) x 3-2x + 4 = 0; b) Ix 3-9x x - 5 = CURVAS EM COORDENADAS POLARES As equações de algumas curvas do plano têm as suas formas mais simples quando expressas em coordenadas polares. Exemplo. A equação da circunferência, que na forma complexa é e, na forma cartesiana, é escreve-se, na forma polar, simplesmente 2=1 x 2 + y 2 = 1, já que r = 7x 2 +y 2.

6 192 Geometria Analítica \ As equações da hipociclóide, como o leitor pode verificar, são x=(a fr)cosí+ >cos í b sendo aeb os raios das circunferências fixa e móvel, respectivamente, et o ângulo que ÕQ faz com o eixo x(q é o centro da circunferência móvel e O, o centro da circunferência fixa) Deduza uma fórmula para a distância entre dois pontos dados pelas suas coordenadas polares (r,, 0,) e (r 2, d 2 ) Esboce o gráfico das equações: a) r = cos&, b) r= 2(1 - seno); c) r = cos n6, paran = 2 e n = 3; d) r = e) r 2 = 4 sen 20; f) r = 5; ^ g) e a = 5 n T Esboce as cónicas dadas pelas equações: a) r = 4 b )r = l-2cos0 c) r = 1 - COS COS Mostre que x = a + b cost y = a tgt + b sent, a> 0, > 0 são equações paramétricas da curva cuja equação polar é a, K K r = +, <f <. cos? 2 2 Esta curva é chamada conchóide de Nicodemos Seja C a circunferência de raio a e centro (0, a) e s uma reta que contém a origem. Sejam A c B, respectivamente, os pontos de interseção de s com C e com a reta y = 2a. Por A trace uma paralela ao eixo x e por B, uma paralela ao eixo v. Seja P o ponto de interseção destas paralelas. Quando s varia, P descreve uma curva conhecida pelo nome de feiticeira. Deduza suas equações paramétrica e cartesiana.