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Álgebra (27) · Unidad 6 — Números complejos y polinomios

Complejos en forma binómica

Un complejo z = a + bi es un punto del plano: a sobre el eje real, b sobre el imaginario. Se opera como con polinomios en i, reemplazando i² por −1, y para dividir se multiplica por el conjugado del denominador.

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La explicación

Qué es un número complejo

En ℝ la ecuación x² + 1 = 0 no tiene solución, porque ningún cuadrado real es negativo. Los complejos agregan un número nuevo, i, con la única regla i² = −1, y con él arman

ℂ = { z = a + bi : a, b ∈ ℝ }      Re(z) = a,  Im(z) = b

La expresión a + bi es la forma binómica. Ojo con la parte imaginaria: es un número real, no lleva la i. Im(4 − 7i) = −7, no −7i. Los reales son los complejos con b = 0, así que ℝ ⊂ ℂ; los de a = 0 se llaman imaginarios puros.

Dos complejos son iguales si y sólo si coinciden la parte real y la parte imaginaria. Esa frase, que parece obvia, es la herramienta con la que se resuelven casi todas las ecuaciones de este tema: una igualdad entre complejos son dos igualdades entre reales.

La lectura geométrica

z = a + bi se identifica con el punto (a, b) del plano, o con la flecha que va del origen a ese punto. Con esa lectura, la suma de complejos es la suma de vectores (regla del paralelogramo) y multiplicar por un real k estira o achica la flecha, igual que en ℝ².

Producto y potencias de i

No hace falta memorizar ninguna fórmula: se distribuye como si i fuera una letra y al final se reemplaza i² por −1.

(a + bi)(c + di) = ac + adi + bci + bd·i² = (ac − bd) + (ad + bc)i

Las potencias de i dan vueltas de a cuatro: i¹ = i, i² = −1, i³ = −i, i⁴ = 1, y vuelve a empezar. Por eso iⁿ depende sólo del resto de dividir n por 4.

Conjugado y módulo

z̄ = a − bi      |z| = √(a² + b²)      z · z̄ = |z|²

Conjugar es reflejar respecto del eje real; el módulo es la distancia de z al origen, y más en general |z − w| es la distancia entre z y w. Por eso |z − (2 − i)| = 3 describe la circunferencia de centro 2 − i y radio 3, sin hacer una sola cuenta.

La identidad z · z̄ = |z|² es la clave: multiplicar un complejo por su conjugado da un real positivo (si z ≠ 0). De ahí sale el inverso y, con él, la división:

z⁻¹ = z̄ / |z|²      z / w = z · w̄ / |w|²
Cómo se divide. Se multiplica arriba y abajo por el conjugado del denominador. Abajo queda |w|², que es real, y el cociente se reparte en parte real y parte imaginaria. Si después de ese paso el denominador todavía tiene i, se multiplicó por lo que no era.

Las propiedades que ahorran cuentas: el conjugado respeta sumas y productos (conj(z + w) = z̄ + w̄, conj(z·w) = z̄·w̄), y el módulo respeta productos y cocientes (|z·w| = |z|·|w|, |z/w| = |z|/|w|). Para el módulo de una expresión larga no hace falta calcular la expresión: se toma el módulo de cada factor. Con la suma no vale: |z + w| ≤ |z| + |w|, y en general no hay igualdad.

Ecuaciones: se plantea z = a + bi

Cuando la incógnita aparece junto con su conjugado o su módulo no se puede «despejar z». Se escribe z = a + bi, se opera, y se igualan partes reales y partes imaginarias: quedan dos ecuaciones con dos incógnitas reales.

Para hallar los w con w² = c + di conviene agregar una tercera ecuación que sale de tomar módulo: |w|² = |c + di|.

a² − b² = c      2ab = d      a² + b² = √(c² + d²)

Sumando y restando la primera y la tercera salen a² y b²; el signo de 2ab decide cómo se combinan los signos de a y b. Siempre quedan dos soluciones, una opuesta de la otra.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Dar la forma binómica de z = (2 − 3i)² / (1 + 2i) y calcular |z| de dos maneras: con la forma binómica y con las propiedades del módulo.

El cuadrado, distribuyendo y usando i² = −1:

(2 − 3i)² = 4 − 12i + 9i² = 4 − 12i − 9 = −5 − 12i

El cociente. Se multiplica arriba y abajo por el conjugado del denominador, 1 − 2i:

z = (−5 − 12i)(1 − 2i) / ((1 + 2i)(1 − 2i))

Abajo queda |1 + 2i|² = 1 + 4 = 5, que es real. Arriba:

(−5 − 12i)(1 − 2i) = −5 + 10i − 12i + 24i² = −5 − 24 − 2i = −29 − 2i
z = −29/5 − (2/5)i      Re(z) = −29/5,  Im(z) = −2/5

El módulo, con la forma binómica:

|z| = √(29² + 2²) / 5 = √845 / 5 = 13√5 / 5 ≈ 5,81

El módulo, sin hacer ninguna cuenta con i. El módulo respeta potencias y cocientes:

|z| = |2 − 3i|² / |1 + 2i| = 13 / √5 = 13√5 / 5  ✔
Por qué conviene tener los dos caminos. Coinciden, y eso controla toda la cuenta de arriba: un signo mal puesto en −29 − 2i cambiaría el primer resultado y no el segundo. En un parcial, cuando piden sólo |z| de una expresión larga, el segundo camino es el único razonable: nadie desarrolla (3 − i)⁶ para después tomarle módulo.

Fijate además dónde cae z: parte real negativa y parte imaginaria negativa, o sea en el tercer cuadrante. Ubicarlo en el plano es un control rápido de los signos.

Y uno del nivel del parcial

Hallar todos los z ∈ ℂ tales que z² + |z|² = 8 + 6i, dar cada uno en forma binómica y verificar las soluciones. ¿Qué relación hay entre ellas?

Planteo. Aparece |z|, así que no se puede despejar z: se escribe z = a + bi con a, b reales.

z² = a² − b² + 2abi      |z|² = a² + b²
z² + |z|² = 2a² + 2ab·i

El b² se cancela: es lo que hace que este ejercicio salga limpio. Igualando partes:

2a² = 8  →  a = 2 ó a = −2
2ab = 6  →  b = 3/a

Cada valor de a determina su b: con a = 2, b = 3/2; con a = −2, b = −3/2.

z₁ = 2 + (3/2)i      z₂ = −2 − (3/2)i

Verificación con z₁. z₁² = 4 − 9/4 + 6i = 7/4 + 6i y |z₁|² = 4 + 9/4 = 25/4. La suma da 7/4 + 25/4 + 6i = 8 + 6i ✔. Con z₂ sale igual, porque z₂ = −z₁ y ni el cuadrado ni el módulo ven el signo.

Dónde se pierde el ejercicio. En quedarse con una sola solución (a = 2) por sacar la raíz de a² = 4 sin el ±, y en combinar a = 2 con b = −3/2: ese par no cumple 2ab = 6. En un parcial, la verificación de una de las soluciones es la mitad de los puntos que no se pierden.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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