SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐĂKLĂK TRƯỜNG THPT PHAN ĐÌNH PHÙNG ********* HÀ DUY NGHĨA ĐÚC RÚT KINH NGHIỆM MỘT CÁCH TIẾP CẬN SỐ PHỨC VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ GIẢI TOÁN SƠ CẤP Krông pắc, Tháng 12 năm 2010 MỤC LỤC Mục lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lời mở đầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chương 1 Xây dựng trường số phức 3 1.1 Định nghĩa số phức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Dạng đại số của số phức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.1 Xây dựng số i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.2 Các phép toán trên dạng đại số . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.3 Số phức liên hợp và Môđun của số phức . . . . . . . . 7 1.3 Dạng lượng giác của số phức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3.1 Tọa độ cực của số phức . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3.2 Biểu diễn lượng giác của số phức . . . . . . . . . . . . 11 1.3.3 Phép toán trong dạng lượng giác của số phức . . . . . 11 1.4 Căn bậc n của đơn vị và biểu diễn hình học của số phức . . . 12 1.4.1 Căn bậc n của số phức . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.4.2 Biểu diễn hình học của số phức . . . . . . . . . . . . . 13 1.5 Tích thực của hai số phức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Chương 2 Một số bài toán về số phức 18 2.1 Dạng 1: Tính toán, biến đổi trên trường số phức . . . . . . . . 18 2.2 Dạng 2:ứng dụng số phức trong việc giải toán sơ cấp . . . . . 20 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Một cách tiếp cận số phức và ứng dụng để giải toán sơ cấp Trang 1 LỜI MỞ ĐẦU Số phức có vai trò quan trọng trong toán học, gần như trường số phức thỏa mãn các yêu cầu của toán học, chính vì thế mà mặc dù gọi là số ảo nhưng trường C đóng vai trò quan trọng trong đời sống thực của chúng ta. Đặc biệt ở cấp THPT nó có rất nhiều ứng dụng để dễ dàng tiếp cận các bài toán sơ cấp khó, vì vậy trong những năm gần đây Bộ giáo dục đã đưa vào chương trình giảng dạy ở cấp phổ thông. Nhằm mục đích giới thiệu đến quý thầy cô giáo, và các em học sinh một cách chi tiết hơn về số phức, cách tiếp cận cũng như ứng dụng của nó trong việc giải các bài toán ôn thi đại học, các bài toán trong kỳ thi Olympiad quốc gia và quốc tế, nên tôi đã viết đúc rút kinh nghiệm này. Bài viết được tham khảo trên tài liệu chính [2] "Complex Number from A to Z" của các tác giả Titu Andreescu, Dorinandrica, được trình bày ngắn gọn với hai chương cùng với phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo. Cụ thể ở mỗi chương như sau: Chương I: Giới thiệu về tập số phức, chứng minh trong tập số phức này có các phép toán cộng nhân như trên tập các số thực, đồng thời giới thiệu các dạng biểu diễn của nó cũng như các tính chất đặc trưng trong từng dạng. Chương II: Gồm hai phần chính, phần 1 là giới thiệu các bài toán liên quan đến số phức nhằm giúp mọi người làm quen các kỷ thuật tính toán trên trường số phức.Phần hai là ứng dụng của số phức trong việc giả các bài toán sô cấp từ lượng giác đến hình học, bất đẳng thức, Mặc dù đã rất cố gắng nghiên cứu tìm hiểu tài liệu và bằng nhưng kinh nghiệm giảng dạy của mình, trong thời gian ngắn tôi đã hoàn thành bài viết. Hà Duy Nghĩa THPT Phan Đình Phùng Đăk Lăk Một cách tiếp cận số phức và ứng dụng để giải toán sơ cấp Trang 2 Nhưng do năng lực của bản thân và thời gian còn hạn chế nên bài viết không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn để bài viết được hoàn thiện hơn. Cuối cùng tôi xin cảm ơn đến quý thầy cô giáo ở tổ toán trường THPT Phan Đình Phùng, các bạn ở lớp cao học toán khóa 11 trường Đại Học Quy Nhơn đã giúp tôi hoàn thành đề tài này. Tác giả Hà Duy Nghĩa THPT Phan Đình Phùng Đăk Lăk Chương 1 XÂY DỰNG TRƯỜNG SỐ PHỨC Trong chương này, phần đầu tôi trình bày cách xây dựng trường số phức, cấu trúc đại số, cấu trúc hình học, dạng lượng giác của số phức. Tham khảo trên tài liệu[1][2]. 1.1 Định nghĩa số phức Xét tập R 2 = R × R = {(x, y)}|x, y ∈ R. Hai phần tử (x 1 , y 1 ), (x 2 , y 2 ) ∈ R 2 được gọi là bằng nhau nếu và chỉ nếu (x 1 = x 2 , y 1 = y 2 ) Ta xây dựng phép toán trong R 2 như sau: ∀z 1 = (x 1 , y 1 ), z 2 = (x 2 , y 2 ) ∈ R 2 Phép cộng :z 1 + z 2 = (x 1 + x 2 , y 1 + y 2 ). Phép nhân :z 1 z 2 = (x 1 x 2 − y 1 y 2 , x 1 y 2 + x 2 y 1 ) Định nghĩa 1.1.1. Tập R 2 cùng với hai phép toán cộng và nhân được định nghĩa như trên gọi là tập số phức C, phần tử (x, y) ∈ C là một số phức. Định lý 1.1.2. (C, +, .) là một trường(nghĩa là trênC với các phép toán đã định nghĩa có các tính chất tương tự trênR với các phép toán cộng nhân thông thường) Chứng minh. Để chứng minh (C, +, .) là trường ta chứng minh các vấn đề sau. (i) Phép cộng có tính giao hoán :∀z 1 = (x 1 , y 1 ), z 2 = (x 2 , y 2 ) ∈ C ta có z 1 + z 2 = (x 1 + x 2 , y 1 + y 2 ) = (x 2 + x 1 , y 2 + y 1 ) = z 2 + z 1 . 3 Một cách tiếp cận số phức và ứng dụng để giải toán sơ cấp Trang 4 (ii) Phép cộng có tính kết hợp : ∀z 1 = (x 1 , y 1 ), z 2 = (x 2 , y 2 ), z 3 = (x 3 , y 3 ) ∈ C ta có (z 1 + z 2 ) + z 3 = (x 1 + x 2 , y 1 + y 2 ) + (x 3 , y 3 ) = (x 1 + x 2 + x 3 , y 1 + y 2 + y 3 ) = (x 1 , y 1 ) + (x 2 + x 3 , y 2 + y 3 ) = z 1 + (z 2 + z 3 ). (iii) Tồn tại phần tử không 0 = (0, 0) ∈ C. Thật vậy ta có:∀z = (x, y) ∈ C, z + 0 = (x, y) + (0, 0) = (x + 0, y + 0) = (x, y) = z. (iv) Tồn tại phần tử đối ∀z = (x, y), ∃−z = (−x, −y) là phần tử đối. Thật vậy z + (−z) = (x, y) + (−x, −y) = (x −x, y −y) = (0, 0). (v) Phép nhân có tính chất giao hoán ∀z 1 = (x 1 , y 1 ), z 2 = (x 2 , y 2 ) ∈ C, ta có: z 1 z 2 = (x 1 x 2 −y 1 y 2 , (x 1 y 2 +x 2 .y 1 ) = (x 2 x 1 −y 2 .y 1 , (x 2 y 1 +x 1 y 2 ) = z 2 .z 1 . (vi) Phép nhân có tính chất kết hợp ∀z 1 = (x 1 , y 1 ), z 2 = (x 2 , y 2 ), z 3 = (x 3 , y 3 ) ∈ C ta có: (z 1 z 2 )z 3 = (x 1 .x 2 − y 1 y 2 , x 1 y 2 + x 2 y 1 )(x 3 , y 3 ) = ((x 1 x 2 − y 1 y 2 )x 3 − (x 1 y 2 + y 1 x 2 .)y 3 , (x 1 .x 2 − y 1 y 2 )y 3 + (x 1 y 2 + x 2 y 1 )x 3 ) = (x 1 x 2 x 3 −y 1 y 2 x 3 −x 1 y 2 y 3 −y 1 x 2 y 3 , x 1 x 2 y 3 −y 1 y 2 y 3 +x 1 y 2 x 3 +y 1 x 2 x 3 ) Tương tự ta cũng có : z 1 (z 2 z 3 ) = (x 1 x 2 x 3 −x 1 y 2 y 3 −y 1 x 2 y 3 −y 1 y 2 x 3 ; x 1 x 2 y 3 +x 1 y 2 x 3 +y 1 x 2 y 3 −y 1 y 2 y 3 ) điều này chứng tỏ :(z 1 z 2 )z 3 = z 1 (z 2 z 3 ) (vii) Phép nhân phần tử đơn vị Tồn tại phần tử đơn vị 1 = (1, 0) ∈ C Thật vậy ta có : ∀z 1 = (x, y) ∈ C, 1.z = (1, 0)(x, y) = (1x − 0y, 1y + 0.x) = (x, y) = (x, y)(1, 0) = z.1 = z. (viii) Tồn tại phần tử nghịch đảo, ∀z 1 = (x, y) ∈ C, z = 0 , phần tử nghịch đảo của z là z −1 =  x x 2 +y 2 , − y x 2 +y 2  (ix) Phép nhân phân phối với phép cộng Hà Duy Nghĩa THPT Phan Đình Phùng Đăk Lăk Một cách tiếp cận số phức và ứng dụng để giải toán sơ cấp Trang 5 ∀z 1 = (x 1 , y 1 ), z 2 = (x 2 , y 2 ), z 3 = (x 3 , y 3 ) ∈ C ta có: z 1 (z 2 + z 3 ) = (x 1 , y 1 )(x 2 + x 3 , y 2 + y 3 ) = (x 1 (x 2 + x 3 ) − y 1 (y 2 + y 3 ); x 1 (y 2 + y 3 ) + y 1 (x 2 + x 3 )) = (x 1 x 2 + x 1 x 3 − y 1 y 2 − y 1 y 3 , x 1 y 2 + x 1 y 3 + y 1 x 2 + y 1 x 3 ) = (x 1 x 2 − y 1 y 2 , x 1 y 2 + y 1 x 2 ) + (x 1 x 3 − y 1 y 3 , x 1 y 3 + y 1 x 3 ) = z 1 z 2 + z 1 z 3 Vậy ta đã chứng minh được (C, +, .)thỏa mãn các tiên đề của trường. Do đó (C, +, .) là một trường số. Có rất nhiều cách biểu diễn của số phức trên, mà mỗi cách có thể khác thác được một số tính chất đặc biệt các nhau của tập C, sau đây tôi giới thiệu một số cách biểu diễn đó. 1.2 Dạng đại số của số phức 1.2.1 Xây dựng số i Xét tương ứng f : R → R × {0}, f(x) = (x, 0) Dễ dàng chứng minh được f là ánh xạ và là một song ánh. Ngoài ra ta cũng có:(x, 0) + (y, 0) = (x + y, 0), (x, 0)(y, 0) = (xy, 0), vì f là song ánh nên ta có thể đồng nhất (x, 0) = x. Đặt i = (0, 1), khi đó ta có :z = (x, y) = (x, 0)+(0, y) = (x, 0)+(y, 0)(0, 1) = x + yi = (x, 0) + (0, 1)(y, 0) = x + iy. Từ đó ta có kết quả sau: Mệnh đề 1.2.1. Mỗi số phức tùy ý z = (x, y) có thể biểu diễn duy nhất dưới dạng z = x + yi với x, y là những số thưc tùy ý, và trong đó hệ thức i 2 = −1. Hà Duy Nghĩa THPT Phan Đình Phùng Đăk Lăk Một cách tiếp cận số phức và ứng dụng để giải toán sơ cấp Trang 6 Hệ thức i 2 = −1 suy trực tiếp từ phép nhân hai số phức i 2 = ii = (0, 1)(0, 1) = (−1, 0) = −1 Biểu thức x + yi gọi là dạng đại số của số phức z = (x, y)., Vì vậy ta có thể viết C = {x + yi | x, y ∈ R, i 2 = −1}và từ bây giờ ta ký hiệu cho số phức z = (x, y) = x + yi và ta có các khái niệm liên quan sau đây: x =Rez gọi là phần thực của số phức z y =Imz gọi là phần ảo của số phức z i gọi là đơn vị ảo. Nếu số phức có phần thực x = 0 gọi là thuần ảo. Hai số phức z 1 , z 2 gọi là bằng nhau nếu Re(z 1 ) = Re(z 2 ) và Im(z − 1)=Im(z 2 ). Số phức z ∈ R nếu và chỉ nếu Im(z) = 0. Số phức z ∈ C\R nếu Im(z) = 0. 1.2.2 Các phép toán trên dạng đại số Tương tự, ta cũng định nghĩa phép toán cộng và nhân như sau C = {x + yi | x, y ∈ R, i 2 = −1} (i). Phép cộng Tổng của hai số phức z 1 = x 1 + iy 1 và z 2 = x 2 + iy 2 , là một số phức z được xác định : z = (x 1 + x 2 ) + i(y 1 + y 2 ). Kí hiệu z = z 1 + z 2 . (ii).Phép nhân Tích của hai số z 1 = x 1 + iy 1 và z 2 = x 2 + iy 2 là một số phức z được xác định bởi: z = (x 1 x 2 − y 1 y 2 ) + i(x 1 y 2 + y 1 x 2 ) Hà Duy Nghĩa THPT Phan Đình Phùng Đăk Lăk Một cách tiếp cận số phức và ứng dụng để giải toán sơ cấp Trang 7 Kí hiệu z = z 1 z 2 . Định nghĩa này trùng với định nghĩa các phép toán trên C ở phần trước. 1.2.3 Số phức liên hợp và Môđun của số phức Định nghĩa 1.2.2. Cho số phức z = x + iy, số phức có dạng x − iy được gọi là số phức liên hợp của số phức z, kí hiệu là z, nghĩa là z = x + yi và z = x + i y = x − i y. Mệnh đề 1.2.3. . 1. z = z ⇔ z ∈ R 2. z = z 3. z.z là số thực không âm. 4. z 1 + z 2 = z 1 + z 2 5. z 1 .z 2 = z 1 z 2 6. z −1 = (z) −1 , z ∈ C ∗ 7.  z 1 z 2  = z 1 z 1 , z 2 ∈ C ∗ Chứng minh. . 1. Ta có:z = z nên suy ra x+yi = x −yi ⇒ 2yi = 0 ⇒ y = 0 ⇒ z = x ∈ R. 2. Ta cóz = x − yi, ⇒ z = x + yi = z. 3. Ta có :z.z = (x + yi)(x − yi) = x 2 + y 2 ≤ 0 4. Ta cóz 1 + z 1 = (x 1 + x 2 ) + (y 1 + y 2 )i = (x 1 + x 2 ) − (y 1 + y 2 )i = (x 1 − y 1 i) + (x 2 − y 2 )i = z 1 + z 2 Hà Duy Nghĩa THPT Phan Đình Phùng Đăk Lăk Một cách tiếp cận số phức và ứng dụng để giải toán sơ cấp Trang 8 5. Ta cóz 1 z 1 = (x 1 x 2 − y 1 y 2 ) + i(x 1 y 2 + x 2 y 1 ) = (x 1 x 2 − y 1 y 2 ) − i(x 1 y 2 + x 2 y 1 ) = (x 1 − y 1 i)(x 2 − y 2 i) = z 1 z 2 . 6. Ta có:z 1 z = 1 ⇒  z 1 z  = 1 ⇒ z 1 z = 1 ⇒ z −1 = (z) −1 7. Ta có :  z 1 z 2  =  z 1 . 1 z 2  = z 1 1 z 2 = z 1 1 z 2 = z 1 z 2 . Định nghĩa 1.2.4. Cho số phức z = x + iy khi đó √ x 2 + y 2 gọi là modulus ( trị tuyệt đối ) của số phức z ký hiệu |z| = √ x 2 + y 2 . Mệnh đề 1.2.5. . 1. −|z| ≤ Re(z) ≤ |z|, −|z| ≤ Im(z) ≤ |z| 2. |z| ≥ 0, |z| = 0 ⇔ z = 0 3. |z| = |−z| = |z| 4. z.z = z 2 5. |z 1 .z 2 | = |z 1 ||z 2 | 6. |z 1 | − |z 2 | ≤ |z 1 + z 2 | ≤ |z 1 | + |z 2 | 7.    z −1    = |z| −1 , z ∈ C ∗ 8.    z 1 z 2    = |z 1 | |z 2 | , z 2 ∈ C ∗ 9. |z 1 | − |z 2 | ≤ |z 1 − z 2 | ≤ |z 1 + z 2 | 10. |z 1 + z 2 | 2 + |z 1 − z 2 | 2 = 2(|z 1 | + |z 2 |). Chứng minh. Các mệnh đề (1-4) Suy ra trực tiếp từ định nghĩa. • (5) Ta có |z 1 z 2 | 2 = (z 1 z 2 )(z 1 z 2 ) = (z 1 z 1 )(z 2 z 2 )) = |z 1 | 2 |z 2 | 2 . Hà Duy Nghĩa THPT Phan Đình Phùng Đăk Lăk [...]... 2010 c nh, đa giác th 2 có 2015 c nh Gi s hai đa giác có đ nh chung tùy ý nào đó hãy tìm s đ nh chung c a hai đa giác đó L i gi i Như đã nói trên, s đ nh c a chung c a hai đa giác là s nghi m chung c a hai phương rình z 2010 = 1, z 2222 = 1 áp d ng Đ nh lý1.4.7 ta có s nghi m chung là d = U CLN (2010, 2015) = 5 V y hai đa giác có 5 đ nh chung Bài t p 2.2.7 Cho P0 P1 Pn−1 là đa giác đ u n i ti p trong... (zn−1 ).Khi đó ta có : OMk = |zk | = Suy ra Mk ∈ C(0, √ n √ n r, k ∈ {0, 1, , n − 1} r) M t khác, s đo cung cung Mk Mk+1 b ng : arg zk+1 − arg zk = θ + 2(k + 1)π − (θ + 2kπ) 2π = , k ∈ {0, 1, , n − 2} n n Cung còn l i có s đo đư c xác đ nh như sau :sdMn−1 M0 = 2π − (n − 1) 2π n T đó suy ra các cung trên có s đo b ng nhau, hay đa giácM0 M1 Mn−1 đ u Hình 1.3: Bi u di n các căn b c 3 c a s ph c z=1+i... gi i Xem tài li u ([2],p 50) Bài t p 2.2.9 G i M, N, P, Q, R, S là trung đi m c a các c nh AB, BC, CD, DE, EF, F A c a m t l c giác Ch ng minh r ng RN 2 = M Q2 + P S 2 n u và ch n u M Q ⊥ P S www.vietmaths.com ( Romanian Mathematical Olympiad-Final Round,1994) L i gi i G i a, b, c, d, e, f là t a đ các đ nh c a l c giác, khi đó các trung đi m M, N, P, Q, R, S có t a đ tương ng là m= b+c c+d a+b ,n =... [0, 2π) − −→ → − c a góc lư ng giác Ox, OM g i là argument c a M, c p có th t (r, θ) g i là t a đ c c c a đi m M, vi t M (r, θ) Chý ý : Ánh x h : R × R\(0, ) → (0, ∞) × [0, 2π) , h(x, y) → (r, θ) là m t song ánh Đi m g c O là đi m duy nh t có r = 0, θ không xác đ nh M i đi m M trong m t ph ng có duy nh t đi m P (1, θ) là giao đi m c a tia OM v i đư ng tròn đơn v tâm O, s d ng đ nh nghĩa sin và cosin ta... www.VIETMATHS.com M t cách ti p c n s ph c và ng d ng đ gi i toán sơ c p Đ nh lý 1.4.7 Trang 16 1 N u n |q thì nghi m b t kỳ c a phương trình z n − 1 = 0 cũng là nghi m c a phương trình z q − 1 = 0 2 Các nghi m chung c a phương trình z m − 1 = 0 và z n − 1 = 0 là các nghi m c a phương trình z d = 0, d = U CLN (m, n) 3 Các căn b c n nguyên th y c a đơn v là ωk = cos 2kπ 2kπ + i sin ,0 n n k m, U CLN (k, n) = 1 www.vietmaths.com . −1} Suy ra M k ∈ C(0, n √ r). Mặt khác, số đo cung cung  M k M k+1 bằng : arg z k+1 − arg z k = θ + 2(k + 1)π − (θ + 2kπ) n = 2π n , k ∈ {0, 1, , n −2} Cung còn lại có số đo được xác định như sau. 0) Dễ dàng chứng minh được f là ánh xạ và là một song ánh. Ngoài ra ta cũng có:(x, 0) + (y, 0) = (x + y, 0), (x, 0)(y, 0) = (xy, 0), vì f là song ánh nên ta có thể đồng nhất (x, 0) = x. Đặt i. 1 LỜI MỞ ĐẦU Số phức có vai trò quan trọng trong toán học, gần như trường số phức thỏa mãn các yêu cầu của toán học, chính vì thế mà mặc dù gọi là số ảo nhưng trường C đóng vai trò quan trọng trong