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

Potencias, raíces y ecuaciones con complejos

Elevar a la n multiplica el ángulo por n; por eso la ecuación zⁿ = w tiene n soluciones, repartidas parejo sobre una circunferencia. Las ecuaciones con z̄ o con |z| se resuelven igualando módulos por un lado y ángulos por el otro.

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La explicación

Potencias

Aplicando De Moivre n veces al mismo número:

z = |z|(cos θ + i sen θ)  ⟹  zⁿ = |z|ⁿ (cos(nθ) + i sen(nθ))

El módulo se eleva a la n y el ángulo se multiplica por n. En forma binómica, (1 − i)⁶ serían varias líneas de distribuir; en trigonométrica es una. Para (−1 + i)¹⁰: el módulo es (√2)¹⁰ = 32 y el ángulo, 10 · 3π/4 = 15π/2. Queda reducir: 15π/2 − 3 · 2π = 3π/2, así que (−1 + i)¹⁰ = −32i.

Cómo reducir un ángulo grande. Se le restan vueltas enteras, 2π cada una, hasta caer en [0, 2π). Con fracciones conviene pasar 2π al mismo denominador: 15π/2 menos 12π/2 (tres vueltas) deja 3π/2. Lo que no se puede hacer es restarle π: eso da media vuelta y cambia el número.

Raíces n-ésimas

Dado w ≠ 0, las raíces n-ésimas de w son los z que cumplen zⁿ = w. Se plantea z con módulo y ángulo desconocidos y se usa la igualdad en forma trigonométrica:

|z|ⁿ (cos(nθ) + i sen(nθ)) = |w| (cos α + i sen α)
⟺  |z|ⁿ = |w|  y  nθ = α + 2kπ

La primera da un único módulo real positivo, |z| = |w|1/n. La segunda es la que importa: el 2kπ, dividido por n, ya no es una vuelta entera, y cada k da un ángulo nuevo.

zk = |w|1/n (cos((α + 2kπ)/n) + i sen((α + 2kπ)/n)),    k = 0, 1, …, n − 1

Con k = n se vuelve al ángulo de k = 0 más una vuelta: las soluciones se repiten. Hay exactamente n raíces distintas, todas del mismo módulo, separadas por 2π/n: son los vértices de un polígono regular de n lados centrado en el origen. Por eso el símbolo ∛ no se usa con complejos: 8 tiene tres raíces cúbicas, y ∛8 elegiría una sola.

La receta práctica: la primera raíz tiene ángulo α/n, y las demás se consiguen sumando 2π/n una y otra vez. Otra consecuencia: las n raíces de un mismo número suman 0 (n ≥ 2), porque el polígono está centrado en el origen.

Ecuaciones con z̄ o con |z|

Para ecuaciones como z⁴ = c · z̄ se pasa todo a forma trigonométrica. Primero se separa z = 0, que suele ser solución y no tiene argumento. Para z ≠ 0:

Método. 1) Escribí cada lado como módulo y ángulo: z̄ tiene ángulo −θ, y c aporta su propio argumento (los reales negativos, π; los imaginarios puros positivos, π/2). 2) Igualá módulos: da una ecuación en |z|, que suele factorizarse. 3) Igualá ángulos salvo 2kπ y despejá θ. 4) Buscá los k que dan θ en [0, 2π): se plantea 0 ≤ θ < 2π y se despeja k. 5) Si hay una condición extra (Re(z) < 0, Im(z) > 0), filtrá con el dibujo.

Por ejemplo, en z⁵ = 81z̄ los módulos dan |z|⁵ = 81|z|, o sea |z| = 3 (o z = 0), y los ángulos dan 5θ = −θ + 2kπ, es decir θ = kπ/3: seis soluciones de módulo 3, que forman un hexágono, más el 0. Siete en total, aunque el exponente sea 5.

La cuadrática con coeficientes complejos

Para az² + bz + c = 0 vale la resolvente, con una aclaración: la raíz del discriminante es cualquiera de los dos w que cumplen w² = b² − 4ac, que se hallan con el método binómico del tema 6.1.

z = (−b + w) / (2a),    con w² = b² − 4ac

Usando w y −w salen las dos soluciones. Si el discriminante es un real negativo, −d, sus raíces cuadradas son ±√d · i; si es un complejo no real, hay que resolver w² = Δ.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Hallar las raíces quintas de w = −16 + 16√3 i, y dar en forma binómica la que tenga coordenadas exactas conocidas.

1. w en forma trigonométrica. |w| = √(256 + 768) = √1024 = 32. Está en el segundo cuadrante, con cos α = −1/2 y sen α = √3/2:

w = 32(cos(2π/3) + i sen(2π/3))

2. La ecuación. Con z = |z|(cos θ + i sen θ):

|z|⁵ = 32  →  |z| = 2
5θ = 2π/3 + 2kπ  →  θ = 2π/15 + 2kπ/5

3. Los cinco ángulos. Arrancando en 2π/15 y sumando 2π/5 = 6π/15 cada vez:

k = 0: 2π/15    k = 1: 8π/15    k = 2: 14π/15    k = 3: 20π/15 = 4π/3    k = 4: 26π/15

Con k = 5 saldría 32π/15 = 2π/15 + 2π: el mismo punto que k = 0. Las soluciones son

zk = 2(cos(2π/15 + 2kπ/5) + i sen(2π/15 + 2kπ/5)),  k = 0, 1, 2, 3, 4

4. La que tiene coordenadas exactas. Sólo 4π/3 es un ángulo de la tabla:

z₃ = 2(cos(4π/3) + i sen(4π/3)) = 2(−1/2 − (√3/2)i) = −1 − √3 i
Verificación. z₃⁵ = 2⁵(cos(20π/3) + i sen(20π/3)), y 20π/3 − 3 · 2π = 2π/3: da exactamente w ✔. Otro control que no necesita cuentas: los cinco ángulos están separados 6π/15 = 72°, que es 360°/5.

Las otras cuatro raíces quedan en forma trigonométrica, y así se dejan: cos(2π/15) no tiene un valor que se escriba con raíces sencillas, y nadie lo pide.

Y uno del nivel del parcial

Hallar todos los z ∈ ℂ tales que z⁵ = 16i · z̄ e Im(z) > 0. Dar cada solución en forma trigonométrica y verificar una de ellas.

El cero. z = 0 cumple la ecuación, pero Im(0) = 0 no es mayor que 0: se descarta.

Para z ≠ 0, con z = |z|(cos θ + i sen θ):

z⁵ = |z|⁵ (cos(5θ) + i sen(5θ))
16i · z̄ = 16|z| (cos(π/2 − θ) + i sen(π/2 − θ))

porque 16i tiene módulo 16 y argumento π/2, y z̄ tiene ángulo −θ.

Módulos: |z|⁵ = 16|z| → |z|⁴ = 16 → |z| = 2.

Ángulos: 5θ = π/2 − θ + 2kπ → 6θ = π/2 + 2kπ → θ = π/12 + kπ/3.

Pidiendo 0 ≤ θ < 2π salen k = 0, …, 5: seis soluciones no nulas, separadas π/3.

π/12,  5π/12,  3π/4,  13π/12,  17π/12,  7π/4

La condición. Im(z) > 0 es θ ∈ (0, π): quedan las tres primeras.

z = 2(cos(π/12) + i sen(π/12)),  2(cos(5π/12) + i sen(5π/12)),  2(cos(3π/4) + i sen(3π/4)) = −√2 + √2 i
Verificación con la tercera. z⁵ tiene ángulo 15π/4 ≡ 7π/4, y 16i · z̄ tiene π/2 − 3π/4 = −π/4 ≡ 7π/4; los dos módulos dan 32 ✔. Dónde se pierde: en tomar 16i con argumento 0 (como si fuera un real), en sumar θ en vez de restarlo por el conjugado, y en decir que la ecuación tiene 5 soluciones «porque el exponente es 5»: sin la condición tiene 7, contando el 0.

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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