求以 2+i 为圆心、3 为半径的圆的方程,分别用以下形式表示:
(a) 复数形式
(b) 笛卡尔形式
求连接 z1=2+i 和 z2=−1+4i 的线段的中垂线方程,分别用以下形式表示:
(a) 复数形式
(b) 笛卡尔形式
几何解释: 此线将复平面分为两个区域——离 z1 更近的点和离 z2 更近的点。
求直线 arg(z−2)=3π 的笛卡尔方程。
在同一阿甘图上画出满足以下条件的轨迹:
(a) ∣z−2i∣=∣z−8i∣
(b) arg(z−2−i)=4π
复数 z 同时满足 ∣z−2i∣=∣z−8i∣ 和 arg(z−2−i)=4π。
(c) 利用 (a) 和 (b) 的答案,求 z 的值。
求满足 ∣z−1∣=2∣z+1∣ 的点 z 的轨迹方程。
求满足 ∣z−(1−i)∣=2∣z−(2−i)∣ 的点 z 的轨迹方程,并画出轨迹。
求满足 arg(z+1z−1)=3π 的点 z 的轨迹。
解:
- 设 z=x+yi。则:
z+1z−1=(x+1)+yi(x−1)+yi=(x+1)2+y2[(x−1)+yi][(x+1)−yi]
- 展开得:
z+1z−1=(x+1)2+y2(x2−1+y2)+2yi=u+vi
- 由于辐角为 3π:
uv=tan3π=3,且 u,v>0
- 即:
x2−1+y22y=3,且 y>0
- 交叉相乘:
2y=3(x2−1+y2)
- 整理:
3x2+3y2−2y−3=0
- 对 y 配方:
3x2+3(y−31)2−343=0
- 因此:
x2+(y−31)2=34
几何解释: 这是一段圆弧:
- 圆心在 (0,31)
- 半径 34
- 位于上半平面(y>0)
将每个方程与对应的圆弧图配对:
- arg(z−z1z−z0)=3π
- arg(z−z1z−z0)=32π
- arg(z−z1z−z0)=34π
- arg(z−z1z−z0)=35π
画出由 ∣z−1∣>2∣z+1∣ 定义的区域,并判断它是圆 ∣z−1∣=2∣z+1∣ 的内部还是外部。
解:
- 先画圆 ∣z−1∣=2∣z+1∣
- 测试点 z=1:
- ∣1−1∣=0
- 2∣1+1∣=4
- 由于 0<4,点 z=1 不在区域内
- 因此区域在圆的内部
画出由 ∣z−(1+i)∣>2∣z−(1−i)∣ 定义的区域,并判断它是圆 ∣z−(1+i)∣=2∣z−(1−i)∣ 的内部还是外部。
在变换 w=cz+daz+b 下,圆和直线映射为圆或直线。
情况一:映射为直线
变换 T 将 z 平面映射到 w 平面,由 w=z−i(1+i)z+2(1−i)(z=i)给出。该变换将 z 平面虚轴上的点映射为 w 平面上的直线 l。求 l 的方程。
解:
- 求虚轴上两个点的像:
w1=0−i(1+i)(0)+2(1−i)=−i2−2i=(−i)(i)(2−2i)(i)=2+2i
w2=2i−i(1+i)(2i)+2(1−i)=i(2i−2)+2−2i=i0=0
- 因此 l 过 w1=2+2i 和 w2=0,方程为 u=v。
情况二:直线映射为圆
变换 T 将 z 平面映射到 w 平面,由 w=z−i(1+i)z+2(1−i)(z=i)给出。证明该变换将 z 平面实轴上的点映射为 w 平面上的圆 C。求 C 的圆心和半径。
解:
-
对于实轴上的点,z=x(x 为实数)。
-
求逆变换:
ww(z−i)wz−wiwz−(1+i)zz(w−(1+i))∴z=z−i(1+i)z+2(1−i)=(1+i)z+2(1−i)=(1+i)z+2(1−i)=wi+2(1−i)=wi+2(1−i)=w−(1+i)wi+2(1−i)
- 设 w=u+vi:
z=(u+vi)−(1+i)(u+vi)i+2(1−i)=(u−1)+(v−1)i2−v+(u−2)i
- 有理化分母:
z=(u−1)2+(v−1)2(2−v+(u−2)i)((u−1)−(v−1)i)
- 由于 z 为实数,虚部必须为零:
===Im{((2−v)+(u−2)i)((u−1)−(v−1)i)} (2−v)(−(v−1))+(u−2)(u−1) −2v+2+v2−v+u2−u−2u+2 v2−3v+u2−3u+4
- 令虚部为零并配方:
v2−3v+u2−3u+4(u−23)2+(v−23)2=0=21
- 像是以 (23,23) 为圆心、21 为半径的圆。
情况三:圆映射为圆
变换 T 将 z 平面映射到 w 平面,由 w=z−12z+1 给出。证明圆 ∣z∣=2 的像是 w 平面上的圆 C。求 C 的圆心和半径。
解:
-
圆 ∣z∣=2 以原点为圆心,半径为 2。
-
求逆变换:
ww(z−1)wz−wwz−2zz(w−2)z=z−12z+1=2z+1=2z+1=w+1=w+1=w−2w+1
- 代入 ∣z∣=2:
w−2w+1=2⟹∣w+1∣=2∣w−2∣
- 设 w=u+vi,两边平方:
∣w+1∣2(u+1)2+v2=4∣w−2∣2=4((u−2)2+v2)
- 展开并整理:
u2+2u+1+v2−3u2+18u−15−3v2u2−6u+5+v2=4u2−16u+16+4v2=0=0
- 配方:
(u−3)2+v2=4
- 像是以 (3,0) 为圆心、2 为半径的圆。
变换 T 将 z 平面映射到 w 平面,由 w=1−ziz−2(z=1)给出。
- 证明当 z 在 z 平面实轴上时,w 在 w 平面的直线 l 上。
- 求 l 的方程。
- 在阿甘图上画出 l。
变换 T 将 z 平面映射到 w 平面,由 w=z+iz(z=−i)给出。
(a) 证明圆 ∣z∣=3 被 T 映射为 w 平面上的圆 C。求其圆心和半径。
(b) z 平面上的区域 ∣z∣<3 被 T 映射为 w 平面上的区域 R。在阿甘图上画出区域 R。
复数 z 由阿甘图上的点 P 表示。
(a) 已知 ∣z−6∣=∣z∣,画出 P 的轨迹。
(b) 求同时满足 ∣z−6∣=∣z∣ 和 ∣z−3−4i∣=5 的复数 z。
(c) 变换 T 将 z 平面映射到 w 平面,由 w=z30 给出。证明 T 将 ∣z−6∣=∣z∣ 映射为 w 平面上的圆,并给出此圆的笛卡尔方程。
点 P 表示阿甘图上满足 ∣z−6i∣=2∣z−3∣ 的复数 z。
(a) 证明当 z 变化时,P 的轨迹是圆,并求出圆的半径和圆心坐标。
(b) 点 Q 表示阿甘图上满足 arg(z−6)=−43π 的复数 z。在同一阿甘图上画出 P 的轨迹和 Q 的轨迹。
(c) 求同时满足 ∣z−6i∣=2∣z−3∣ 和 arg(z−6)=−43π 的复数。
复数 z 由阿甘图上的点 P 表示。已知 ∣z−2i∣=∣z−3∣。
(a) 画出 P 的轨迹。
变换 T 将 z 平面映射到 w 平面,由 w=z−2iiz(z=2i)给出。
已知 T 将 ∣z−2i∣=∣z−3∣ 映射为 w 平面上的圆 C,
(b) 求 C 的方程,将答案写成 ∣w−(p+qi)∣=r 的形式,其中 p、q 和 r 为待定实数。
考虑变换 w=z−iz+2。已知此变换将圆 ∣z∣=2 映射为 w 平面上的圆。用以下方法求此圆的圆心和半径:
- 求奇点 z0
- 求过奇点的圆 ∣z∣=2 的直径
- 由此求 w 平面上圆的圆心和半径
变换将 z 平面映射到 w 平面,由
w=z−i(1+i)z+2(1−i),z=i
给出。此变换将 z 平面实轴上的点映射为 w 平面上的圆。求此圆的圆心和半径。