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FP2 第四章:进一步阿甘图

求以 2+i2+i 为圆心、33 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+iz_1 = 2+iz2=1+4iz_2 = -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 z1z_1 更近的点和离 z2z_2 更近的点。

求直线 arg(z2)=π3\arg(z-2) = \dfrac{\pi}{3} 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) z2i=z8i|z-2i| = |z-8i|

(b) arg(z2i)=π4\arg(z-2-i) = \dfrac{\pi}{4}

复数 zz 同时满足 z2i=z8i|z-2i| = |z-8i|arg(z2i)=π4\arg(z-2-i) = \dfrac{\pi}{4}

(c) 利用 (a) 和 (b) 的答案,求 zz 的值。

求满足 z1=2z+1|z-1| = 2|z+1| 的点 zz 的轨迹方程。

求满足 z(1i)=2z(2i)|z-(1-i)| = \sqrt{2}|z-(2-i)| 的点 zz 的轨迹方程,并画出轨迹。

模块四:辐角表示的进一步轨迹

Section titled “模块四:辐角表示的进一步轨迹”

求满足 arg(z1z+1)=π3\arg\left(\dfrac{z-1}{z+1}\right) = \dfrac{\pi}{3} 的点 zz 的轨迹。

解:

  1. z=x+yiz = x + yi。则:
z1z+1=(x1)+yi(x+1)+yi=[(x1)+yi][(x+1)yi](x+1)2+y2\frac{z-1}{z+1} = \frac{(x-1)+yi}{(x+1)+yi} = \frac{[(x-1)+yi][(x+1)-yi]}{(x+1)^2+y^2}
  1. 展开得:
z1z+1=(x21+y2)+2yi(x+1)2+y2=u+vi\frac{z-1}{z+1} = \frac{(x^2-1+y^2) + 2yi}{(x+1)^2+y^2} = u + vi
  1. 由于辐角为 π3\dfrac{\pi}{3}
vu=tanπ3=3,且 u,v>0\frac{v}{u} = \tan \frac{\pi}{3} = \sqrt{3} \text{,且 } u,v > 0
  1. 即:
2yx21+y2=3,且 y>0\frac{2y}{x^2-1+y^2} = \sqrt{3} \text{,且 } y > 0
  1. 交叉相乘:
2y=3(x21+y2)2y = \sqrt{3}(x^2-1+y^2)
  1. 整理:
3x2+3y22y3=0\sqrt{3}x^2 + \sqrt{3}y^2 - 2y - \sqrt{3} = 0
  1. yy 配方:
3x2+3(y13)2433=0\sqrt{3}x^2 + \sqrt{3}\left(y - \frac{1}{\sqrt{3}}\right)^2 - \frac{4}{3}\sqrt{3} = 0
  1. 因此:
x2+(y13)2=43x^2 + \left(y - \frac{1}{\sqrt{3}}\right)^2 = \frac{4}{3}

几何解释: 这是一段圆弧:

  • 圆心在 (0,13)\left(0, \dfrac{1}{\sqrt{3}}\right)
  • 半径 43\sqrt{\dfrac{4}{3}}
  • 位于上半平面(y>0y > 0

将每个方程与对应的圆弧图配对:

  1. arg(zz0zz1)=π3\arg\left(\dfrac{z-z_0}{z-z_1}\right) = \dfrac{\pi}{3}
  2. arg(zz0zz1)=2π3\arg\left(\dfrac{z-z_0}{z-z_1}\right) = \dfrac{2\pi}{3}
  3. arg(zz0zz1)=4π3\arg\left(\dfrac{z-z_0}{z-z_1}\right) = \dfrac{4\pi}{3}
  4. arg(zz0zz1)=5π3\arg\left(\dfrac{z-z_0}{z-z_1}\right) = \dfrac{5\pi}{3}

画出由 z1>2z+1|z-1| > 2|z+1| 定义的区域,并判断它是圆 z1=2z+1|z-1| = 2|z+1| 的内部还是外部。

解:

  1. 先画圆 z1=2z+1|z-1| = 2|z+1|
  2. 测试点 z=1z = 1
    • 11=0|1-1| = 0
    • 21+1=42|1+1| = 4
    • 由于 0<40 < 4,点 z=1z = 1 不在区域内
    • 因此区域在圆的内部

画出由 z(1+i)>2z(1i)|z-(1+i)| > 2|z-(1-i)| 定义的区域,并判断它是圆 z(1+i)=2z(1i)|z-(1+i)| = 2|z-(1-i)| 的内部还是外部。

在变换 w=az+bcz+dw = \dfrac{az + b}{cz + d} 下,圆和直线映射为圆或直线。

情况一:映射为直线

变换 TTzz 平面映射到 ww 平面,由 w=(1+i)z+2(1i)ziw = \dfrac{(1+i)z+2(1-i)}{z-i}ziz \neq i)给出。该变换将 zz 平面虚轴上的点映射为 ww 平面上的直线 ll。求 ll 的方程。

解:

  1. 求虚轴上两个点的像:
    • z1=0z_1 = 0(原点):
w1=(1+i)(0)+2(1i)0i=22ii=(22i)(i)(i)(i)=2+2iw_1 = \frac{(1+i)(0)+2(1-i)}{0-i} = \frac{2-2i}{-i} = \frac{(2-2i)(i)}{(-i)(i)} = 2 + 2i
  • z2=2iz_2 = 2i
w2=(1+i)(2i)+2(1i)2ii=(2i2)+22ii=0i=0w_2 = \frac{(1+i)(2i)+2(1-i)}{2i-i} = \frac{(2i-2)+2-2i}{i} = \frac{0}{i} = 0
  1. 因此 llw1=2+2iw_1 = 2+2iw2=0w_2 = 0,方程为 u=vu = v

情况二:直线映射为圆

变换 TTzz 平面映射到 ww 平面,由 w=(1+i)z+2(1i)ziw = \dfrac{(1+i)z+2(1-i)}{z-i}ziz \neq i)给出。证明该变换将 zz 平面实轴上的点映射为 ww 平面上的圆 CC。求 CC 的圆心和半径。

解:

  1. 对于实轴上的点,z=xz = xxx 为实数)。

  2. 求逆变换:

w=(1+i)z+2(1i)ziw(zi)=(1+i)z+2(1i)wzwi=(1+i)z+2(1i)wz(1+i)z=wi+2(1i)z(w(1+i))=wi+2(1i)z=wi+2(1i)w(1+i)\begin{aligned} w &= \frac{(1+i)z+2(1-i)}{z-i} \\ w(z-i) &= (1+i)z+2(1-i) \\ wz - wi &= (1+i)z+2(1-i) \\ wz - (1+i)z &= wi + 2(1-i) \\ z(w-(1+i)) &= wi + 2(1-i) \\ \therefore z &= \frac{wi + 2(1-i)}{w-(1+i)} \end{aligned}
  1. w=u+viw = u + vi
z=(u+vi)i+2(1i)(u+vi)(1+i)=2v+(u2)i(u1)+(v1)iz = \frac{(u+vi)i + 2(1-i)}{(u+vi)-(1+i)} = \frac{2-v + (u - 2)i}{(u-1) + (v-1)i}
  1. 有理化分母:
z=(2v+(u2)i)((u1)(v1)i)(u1)2+(v1)2z = \frac{(2-v + (u - 2)i)((u-1) - (v-1)i)}{(u-1)^2 + (v-1)^2}
  1. 由于 zz 为实数,虚部必须为零:
Im{((2v)+(u2)i)((u1)(v1)i)}= (2v)((v1))+(u2)(u1)= 2v+2+v2v+u2u2u+2= v23v+u23u+4\begin{aligned} &\text{Im} \left\{((2-v) + (u - 2)i)((u-1) - (v-1)i)\right\} \\ =&\ (2-v)(-(v-1)) + (u-2)(u-1) \\ =&\ -2v + 2 + v^2 - v + u^2 - u - 2u + 2 \\ =&\ v^2 - 3v + u^2 - 3u + 4 \end{aligned}
  1. 令虚部为零并配方:
v23v+u23u+4=0(u32)2+(v32)2=12\begin{aligned} v^2 - 3v + u^2 - 3u + 4 &= 0 \\ \left(u - \frac{3}{2}\right)^2 + \left(v - \frac{3}{2}\right)^2 &= \frac{1}{2} \end{aligned}
  1. 像是以 (32,32)\left(\dfrac{3}{2}, \dfrac{3}{2}\right) 为圆心、12\sqrt{\dfrac{1}{2}} 为半径的圆。

情况三:圆映射为圆

变换 TTzz 平面映射到 ww 平面,由 w=2z+1z1w = \dfrac{2z+1}{z-1} 给出。证明圆 z=2|z| = 2 的像是 ww 平面上的圆 CC。求 CC 的圆心和半径。

解:

  1. z=2|z| = 2 以原点为圆心,半径为 2。

  2. 求逆变换:

w=2z+1z1w(z1)=2z+1wzw=2z+1wz2z=w+1z(w2)=w+1z=w+1w2\begin{aligned} w &= \frac{2z+1}{z-1} \\ w(z-1) &= 2z+1 \\ wz - w &= 2z+1 \\ wz - 2z &= w+1 \\ z(w-2) &= w+1 \\ z &= \frac{w+1}{w-2} \end{aligned}
  1. 代入 z=2|z| = 2
w+1w2=2    w+1=2w2\left|\frac{w+1}{w-2}\right| = 2 \implies |w+1| = 2|w-2|
  1. w=u+viw = u + vi,两边平方:
w+12=4w22(u+1)2+v2=4((u2)2+v2)\begin{aligned} |w+1|^2 &= 4|w-2|^2 \\ (u+1)^2 + v^2 &= 4((u-2)^2 + v^2) \end{aligned}
  1. 展开并整理:
u2+2u+1+v2=4u216u+16+4v23u2+18u153v2=0u26u+5+v2=0\begin{aligned} u^2 + 2u + 1 + v^2 &= 4u^2 - 16u + 16 + 4v^2 \\ -3u^2 + 18u - 15 - 3v^2 &= 0 \\ u^2 - 6u + 5 + v^2 &= 0 \end{aligned}
  1. 配方:
(u3)2+v2=4(u - 3)^2 + v^2 = 4
  1. 像是以 (3,0)(3, 0) 为圆心、22 为半径的圆。

变换 TTzz 平面映射到 ww 平面,由 w=iz21zw = \dfrac{iz-2}{1-z}z1z \neq 1)给出。

  1. 证明当 zzzz 平面实轴上时,wwww 平面的直线 ll 上。
  2. ll 的方程。
  3. 在阿甘图上画出 ll

变换 TTzz 平面映射到 ww 平面,由 w=zz+iw = \dfrac{z}{z+i}ziz \neq -i)给出。

(a) 证明圆 z=3|z| = 3TT 映射为 ww 平面上的圆 CC。求其圆心和半径。

(b) zz 平面上的区域 z<3|z| < 3TT 映射为 ww 平面上的区域 RR。在阿甘图上画出区域 RR

复数 zz 由阿甘图上的点 PP 表示。

(a) 已知 z6=z|z-6| = |z|,画出 PP 的轨迹。

(b) 求同时满足 z6=z|z-6| = |z|z34i=5|z-3-4i| = 5 的复数 zz

(c) 变换 TTzz 平面映射到 ww 平面,由 w=30zw = \dfrac{30}{z} 给出。证明 TTz6=z|z-6| = |z| 映射为 ww 平面上的圆,并给出此圆的笛卡尔方程。

PP 表示阿甘图上满足 z6i=2z3|z-6i| = 2|z-3| 的复数 zz

(a) 证明当 zz 变化时,PP 的轨迹是圆,并求出圆的半径和圆心坐标。

(b) 点 QQ 表示阿甘图上满足 arg(z6)=3π4\arg(z-6) = -\dfrac{3\pi}{4} 的复数 zz。在同一阿甘图上画出 PP 的轨迹和 QQ 的轨迹。

(c) 求同时满足 z6i=2z3|z-6i| = 2|z-3|arg(z6)=3π4\arg(z-6) = -\dfrac{3\pi}{4} 的复数。

复数 zz 由阿甘图上的点 PP 表示。已知 z2i=z3|z-2i| = |z-3|

(a) 画出 PP 的轨迹。

变换 TTzz 平面映射到 ww 平面,由 w=izz2iw = \dfrac{iz}{z-2i}z2iz \neq 2i)给出。

已知 TTz2i=z3|z-2i| = |z-3| 映射为 ww 平面上的圆 CC

(b) 求 CC 的方程,将答案写成 w(p+qi)=r|w-(p+qi)| = r 的形式,其中 ppqqrr 为待定实数。

考虑变换 w=z+2ziw = \dfrac{z+2}{z-i}。已知此变换将圆 z=2|z| = 2 映射为 ww 平面上的圆。用以下方法求此圆的圆心和半径:

  • 求奇点 z0z_0
  • 求过奇点的圆 z=2|z| = 2 的直径
  • 由此求 ww 平面上圆的圆心和半径

变换将 zz 平面映射到 ww 平面,由

w=(1+i)z+2(1i)zi,ziw = \frac{(1+i)z + 2(1-i)}{z-i}, \quad z \neq i

给出。此变换将 zz 平面实轴上的点映射为 ww 平面上的圆。求此圆的圆心和半径。