Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Vector. Vectores. Combinación lineal. Base. Producto escalar. Bases ortonormales. Raíces número complejo. Forma trigonométrica y módulo-argumento

  • Enviado por: Patricia Bati
  • Idioma: castellano
  • País: Argentina Argentina
  • 35 páginas
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INTRO. VECTORES. NÚM. COMPLEJOS

El presente tema se dedicará al estudio de los conceptos de vectores y números complejos.

Se comenzará con un pequeño estudio de los vectores del plano y sus propiedades fundamentales, así como de las bases y coordenadas.

Después se hará un somero estudio de los números complejos, enlazándolo con la primera parte del tema y con la trigonometría vista en capítulos anteriores.

El estudio de los vectores es uno de tantos conocimientos de las matemáticas que provienen de la física. En esta ciencia se distingue entre magnitudes escalares y magnitudes vectoriales. Se llaman magnitudes escalares aquellas en que sólo influye su tamaño. Por el contrario, se consideran magnitudes vectoriales aquellas en las que, de alguna manera, influyen la dirección y el sentido en que se aplican.

Como ejemplos de magnitudes escalares se pueden citar la masa de un cuerpo, la temperatura, el volumen, etc.

Cuando se plantea un movimiento no basta con decir cuánto se ha desplazado el móvil, sino que es preciso decir también en qué dirección y sentido ha tenido lugar el movimiento. No son los mismos los efectos de un movimiento de 100 km a partir de un punto si se hace hacia el norte o si se hace en dirección suroeste, ya que se llegaría a distinto lugar.

Aunque el estudio matemático de los vectores tardó mucho en hacerse formalmente, en la actualidad tiene un gran interés, sobre todo a partir de los estudios de David Hilbert (1862-1943) y Stefan Banach (1892-1945), que hicieron uso de la teoría de espacios vectoriales, aplicándolos a las técnicas del análisis matemático.

VECTORES FIJOS

Un vector fijo del plano es un segmento cuyos extremos están dados en un cierto orden (se suele decir que es un segmento orientado). Se representa por Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, siendo los extremos A y B

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
Name=1; HotwordStyle=BookDefault; A un segmento Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
le corresponden dos vectores fijos distintos: Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Se considera como caso singular el vector fijo definido por un segmento cuyos extremos coinciden. En este caso el vector fijo se reduce a un solo punto.

Los puntos en los que empieza y termina un vector se llaman origen y extremo, respectivamente.

Módulo, dirección y sentido de un vector fijo

· En un vector fijo se llama módulo del mismo a la longitud del segmento que lo define.

El módulo de un vector fijo Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
se representa por Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y se leerá «módulo de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
».

· Se dice que un vector fijo tiene la misma dirección que otro si los segmentos que los definen pertenecen a rectas paralelas.

· Dados dos vectores fijos Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
del plano que tengan la misma dirección, se dice que tienen el mismo sentido si los segmentos Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
(los segmentos que unen el origen de cada uno con el extremo del otro) tienen un punto en común. En otro caso se dice que los dos vectores tienen sentido contrario o sentido opuesto.

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
Name=2; HotwordStyle=BookDefault; También se puede decir que dos vectores de la misma dirección tienen el mismo sentido si la recta definida por sus orígenes deja a los extremos en el mismo semiplano.

Estas dos definiciones son válidas en el caso en que los dos vectores se encuentren en distinta recta. Si los dos vectores se encontrasen en la misma recta, se buscaría un vector fijo en una recta paralela que tuviese el mismo sentido que ambos. Si lo hubiese, se diría que los dos vectores tienen el mismo sentido. En otro caso se diría que los dos vectores tienen sentido contrario.

Vectores equipolentes

Se dice que dos vectores son equipolentes si tienen el mismo módulo, la misma dirección y el mismo sentido.

Si Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
son equipolentes, el cuadrilátero ABCD es un paralelogramo.

VECTORES LIBRES DEL PLANO

Un vector libre es el conjunto de todos los vectores fijos del plano que son equipolentes a uno dado.

Como todos los vectores fijos del plano consistentes en un solo punto son equipolentes, definen un único vector libre, que recibirá el nombre de vector cero, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Representantes de un vector libre

A uno cualquiera de los vectores que constituyen un vector libre se le denomina representante del vector libre.

Para representar un vector libre se escribe uno cualquiera de sus representantes, o bien se escribe una letra con una flecha encima.

Resultado fundamental

Dados un punto P y un vector libre del plano, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, existe un único representant de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
con origen en P. Igualmente se puede encontrar un único representante de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
con extremo en el punto P.

Demostración:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Name=1; HotwordStyle=BookDefault;

Para construir un representante de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
con origen en P se traza una recta paralela al vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
que contenga al punto P.

En ella, desde P, y con el mismo sentido que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, se mide una distancia igual al módulo de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, obteniéndose un punto Q. El vector fijo Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
es un representante de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Para hallar un representante de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
con extremo en P, se mide la distancia Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
en sentido contrario, obteniendo el punto Q'. El representante de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
es, en este caso, el vector fijo Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

SUMA DE VECTORES

Dados dos vectores libres del plano Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, se define su suma como el vector libre construido así:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Name=1; HotwordStyle=BookDefault;

l Se elige un punto arbitrario del plano, O.

l Con origen en O se busca un representante del vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
. Se llamará P a su extremo.

l Con origen en P se busca el vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, representante de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

l El vector suma Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
viene representado por el vector fijo, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
(se une el origen del representante de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
con el extremo del representante de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
).

Propiedades de la suma de vectores

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
Name=2; HotwordStyle=BookDefault; Conmutativa: Dados dos vectores del plano Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
Name=3; HotwordStyle=BookDefault; Asociativa: Dados tres vectores Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
del plano, (Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) + Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ (Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
).

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
Name=4; HotwordStyle=BookDefault; Elemento neutro: Dado Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, un vector cualquiera del plano, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Es decir, el vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
es el elemento neutro de la operación suma de vectores libres del plano.

Demostración:

Recuérdese que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
es el vector del plano formado por todos los vectores fijos cuyo origen coincide con el extremo.

Se elige un punto fijo del plano, O, y con origen en O se busca el vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
representante de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Los vectores Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
son representantes del vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Así se tiene:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
Name=5; HotwordStyle=BookDefault; Elemento simétrico: Dado un vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
del plano, existe otro vector -Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, tal que,

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ (- Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) = (-Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) + Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
. El vector -Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
recibe el nombre de simétrico u opuesto de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Demostración:

Bastará con demostrar una de las dos igualdades:

Sea Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
un representante de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
. Considérese el vector -Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ (- Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) = Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y (-Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) + Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Como consecuencia de todas las propiedades vistas se dice que el conjunto de los vectores fijos del plano, junto con la suma de vectores, constituye un grupo conmutativo.

Observaciones:

1. Dado un vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, su opuesto -Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
tiene el mismo módulo, la misma dirección y sentido contrario al de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, Basta con ver la contrucción de -Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

2. Dados dos vectores Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, existe un único vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
que verifica Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Si existe tal vector, sería: Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
Þ (-Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) + Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= (-Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) + (Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
)

Por la propiedad asociativa, (-Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) + (Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) = [ (-Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) + Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
] + Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Así, el único vector que puede verificar tal propiedad es el vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= (-Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) + Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Falta ver que efectivamente la verifica:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ [ (-Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) + Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
] = [ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ (-Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) ] + Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, que es la igualdad buscada.

El vector (-Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) + Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
recibe el nombre de diferencia entre los vectores Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, y suele representarse por Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
- Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

PROD. DE VECTOR POR NÚM. REAL

Sean Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
un vector del plano y r un número real. Se define el producto r · Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
de la siguiente forma:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
Name=1; HotwordStyle=BookDefault;

a) Si r = 0 ó Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, el producto es r ·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

b) El caso contrario, es decir, si Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
¹ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y r ¹ 0, se define:

l El módulo de r ·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
es |r ·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
| = |r ||Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
|, donde |r | es el valor absoluto de r .

l La dirección de r ·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
es la misma que la de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

l El sentido de r ·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
es el mismo que el de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
si r es positivo, y contrario si r es negativo.

Obsérvese que el producto de un vector por un número sólo puede ser nulo en el caso de serlo alguno de ellos. En dichos casos las propiedades son de comprobación inmediata, por lo que, en lo que sigue, se supondrá que tanto el número como el vector son no nulos.

Primeras propiedades del producto de números por vectores

1. Dado un vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
se verifica que 1·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Demostración:

En efecto, |1·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
| = |1| |Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
| = |Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
|

Por definición 1·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
tiene la misma direción que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Como 1 es positivo, el sentido de 1·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
es el de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Por tener el mismo módulo, la misma dirección y el mismo sentido, los vectores libres Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y 1·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
coinciden.

2. Para cualquier vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, se verifica que (-1)·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= -Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Demostración:

Para verlo conviene recordar que -Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
tiene el mismo módulo, la misma dirección y sentido contrario al de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
. Si se concluye que (-1)·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
cumple esas tres condiciones, se tendrá la propiedad dada.

|(-1)·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
| = |-1| |Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
| = 1|Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
| = |Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
|

La dirección de (-1)·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
es la de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

El sentido de (-1)·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
es opuesto al de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, porque -1es negativo.

Así pues (-1)·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
tiene módulo, dirección y sentido iguales a los de -Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
. Por tanto:

(-1)·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= -Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

3. Sean Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
dos vectores no nulos. Entonces:

Si Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
tienen la misma dirección, existe un número r tal que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= r · Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
; y r es positivo si Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
tienen el mismo sentido, y negativo en caso contrario.

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

A partir de ahora, para diferenciar números de vectores, a los primeros se les llamará, a menudo, escalares.

Otras propiedades del producto de escalares por vectores

1. Dados dos números reales r y s, y un vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
se tiene:

(r ·s)Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
=r (Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
)

(Debido al extraordinario parecido que tiene esta propiedad con la propiedad asociativa del producto de números, a veces se la denomina propiedad asociativa.)

2. Propiedad distributiva del producto respecto de la suma de escalares

Dados dos números r y s y un vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, se cumple la igualdad:

(r +s)Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
=r Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+sÁlgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Demostración:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Name=2; HotwordStyle=BookDefault;

Se hará únicamente en el caso r , s > 0. Para comprobarlo en los demás casos, bastará con hacer pequeñas modificaciones teniendo en cuenta los sentidos de los vectores.

Los vectores r Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y s Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
tienen la misma dirección y el mismo sentido. Al sumarlos se suman los módulos y se mantienen la dirección y el sentido.

Así pues, |rÁlgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+sÁlgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
|=|rÁlgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
|+|sÁlgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
| = r|Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
|+s|Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
|

Pero |(r + s)Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
| = (r + s)|Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
| = r|Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
| + s|Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
|

Luego ambos vectores tienen el mismo módulo.

La dirección y el sentido de ambos coinciden con los de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Por tener iguales el módulo, la dirección y el sentido ambos vectores libres son iguales.

3. Propiedad distributiva del producto respecto de la suma de vectores

Dados un número real r y dos vectores Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, se verifica r ( Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) = r Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ r Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Demostración:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Name=3; HotwordStyle=BookDefault;

· Para demostrarlo se elige un punto P del plano y a partir de él se llevan los vectores Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y r Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

· Se construye el vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
con origen en H, obteniéndose el punto M.

· Prolongando la recta PM y trazando por H ' una paralela a HM, se obtiene M ' como punto de intersección.

· Los dos triángulos PHM y PH'M' son semejantes por el teorema fundamental de semejanza de triángulos. Su razón de semejanza es:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

· Ya es fácil demostrar el resultado enunciado:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

De ahí la igualdad.

Ejercicio de aplicación

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 Dados un número real x y un vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, demostrar que (-x)Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= x(-Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) = -(xÁlgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
)

Resolución:

Se comprobará que los dos primeros vectores son iguales a -(x Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) o, lo que es lo mismo, que sumados a x Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
el resultado es el vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

De la misma forma, x( - Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) + x Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= x [( - Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) + Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
] = Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, luego x( - Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) = -( x Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
)

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

COMBINACIONES LINEALES

Dada una familia de vectores Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
3, ... y un vector cualquiera Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, se dice que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
es combinación lineal de la familia, si existen números reales x1, x2, x3, ... tales que

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= x1Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 + x2Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2 + x3Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
3 + ...

Primera propiedad

Los vectores que son combinación lineal de un solo vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
son el vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y todos los vectores que son paralelos a Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Demostración:

Si Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
es combinación lineal de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, es de la forma Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= r ·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
. Entonces:

a) Si r = 0, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= 0·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

b) Si r ¹ 0, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= r ·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, luego Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
es paralelo a Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
por tener ambos la misma dirección.

Segunda propiedad

Dados dos vectores del plano Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2 que tengan distinta dirección, el único vector que es combinación lineal de cada uno de ellos es el vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Demostración:

Si hubiese un vector no nulo que fuese combinación lineal de cada uno de ellos, también habría de ser paralelo a cada uno de ellos, con lo que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2 han de ser paralelos entre sí, lo cual va contra la hipótesis.

Teorema

Sean Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2 dos vectores del plano con distinta dirección. Entonces cualquier vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
del plano se puede poner de manera única como combinación lineal de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2.

Demostración:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Name=1; HotwordStyle=BookDefault;

· Considérese P un punto cualquiera del plano y trácense, con origen en P, representantes de los vectores Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2 y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

· Llamando A al extremo de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, se trazan por él paralelas a los vectores Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2.

Prolongando las rectas que contienen a Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2, se obtienen los puntos B y C.

De la figura se deduce inmediatamente que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Pero Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
es paralelo a Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1, por lo que se tiene que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= x1 Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1, para un cierto número x1

Análogamente Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= x2Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2, para cierto escalar x2.

Por tanto Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= x1 Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 + x2Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2.

· Falta ver la unicidad:

Si Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= y1 Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 + y2 Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2, x1 Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 + x2 Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2 = y1 Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 + y2 Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2 Þ (x1 - y1 ) Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 = (x2 - y2 ) Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2

con lo que se tiene un vector que es combinación lineal de cada uno de ellos. Por la segunda propiedad vista anteriormente, se concluye que dicho vector ha de ser Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Así, (x1 - y1 ) Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 = (x2 - y2 ) Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2 = Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
. Para ello han de ser 0 los coeficientes, es decir:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

BASES. COORDENADAS

Se llama base del plano a cualquier pareja de vectores {Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2} del mismo, que tengan distinta dirección.

Dados una base del plano {Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2} y un vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, se llama coordenadas de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
respecto de la base a los números reales x1 y x2 que verifican que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
=x1 Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 + x2 Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2.

Por el teorema demostrado anteriormente, las coordenadas de un vector respecto de una base existen y son únicas.

Ejercicios de aplicación

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 Sea {Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2} una base del plano. Decir si las siguientes parejas de vectores son bases:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Resolución:

Para ver si dos vectores constituyen una base hay que comprobar si tienen o no la misma dirección. Pero ya se vio que dos vectores tienen la misma dirección cuando uno de ellos es combinación lineal del otro.

a) Hay que ver si existe un número t tal que

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Por la unicidad de las coordenadas de un vector respecto de una base se ha de verificar que:

2t = 3 Þ t = 3/2

3t = 1 Þ t = 1/3

Pero no hay ningún número que verifique simultáneamente ambas condiciones.

Así pues, los dos vectores tienen distinta dirección y, por tanto, constituyen una base.

b) Se repite el proceso:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Igualando coordenadas:

3t = 6 Þ t = 2

-2t = -4 Þ t = 2

es un número válido para la igualdad. Los vectores dados tienen la misma dirección y, por tanto, no constituyen una base.

Sea {Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2} una base del plano vectorial y sean x1, x2, y1 e y2 números reales.

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Resolución:

l Para que dos vectores Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
formen base, no han de ser paralelos, es decir,

no ha de existir un t que verifique tÁlgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

· Para que los vectores no sean paralelos se ha de verificar

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

 Sea {Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2} una base del plano. Comprobar que {2Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 + Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 - Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2} es una base del plano y hallar las coordenadas del vector 5Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 + 4Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2 respecto de dicha base.

Resolución:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Igualando las coordenadas: 2t = 1 y t = -1.

Puesto que ningún número verifica ambas condiciones, los vectores dados constituyen una base, por no ser paralelos.

· Se trata ahora de calcular las coordenadas del vector 5Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 + 4Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2 respecto de dicha base. Las coordenadas son los dos números x1 y x2 tales que:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Operando en dicha igualdad:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Por unicidad de las coordenadas de un vector respecto de la base {u1 , u2}

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

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PRODUCTO ESCALAR

Dados dos vectores no nulos del plano, se llama producto escalar al número obtenido como producto de sus módulos por el coseno del ángulo que forman:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Name=1; HotwordStyle=BookDefault;

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Si alguno de los dos vectores fuese el vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, su producto escalar sería igual a 0.

Propiedades del producto escalar

· Primera propiedad del producto escalar

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Name=2; HotwordStyle=BookDefault;

El producto escalar de dos vectores Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
es igual al producto del módulo de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
por la proyección de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
sobre Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
(este producto será positivo si Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y la proyección de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
sobre él tienen el mismo signo, y negativo en caso contrario).

Demostración:

La proyección de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
sobre Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
es un segmento de medida x.

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Sustituyendo en la definición de producto escalar:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

· Propiedad conmutativa del producto escalar de vectores

Dados dos vectores Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
· Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
· Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Demostración:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

· Propiedad distributiva respecto de la suma

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Demostración:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Name=3; HotwordStyle=BookDefault;

Para demostrarlo se utiliza la primera propiedad del producto escalar.

En la figura, la proyección de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
sobre Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
es el segmento x, la proyección de

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Así pues:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

· Propiedad de linealidad

Si se multiplica uno de los factores de un producto escalar por un número real, el producto escalar queda multiplicado por dicho número.

(xÁlgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
) · Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= x(Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
·Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
)

Demostración:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Name=4; HotwordStyle=BookDefault;

Se excluirán los casos en que alguno de los datos sea nulo. Se distinguen dos casos:

· Si x > 0, |xÁlgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
| = x|Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
|; y xÁlgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
tiene el mismo sentido que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, con lo que formará con Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

· Si x < 0, |xÁlgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
| = (-x)|Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
|; y por tener sentido opuesto al de Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, forma con Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
un ángulo suplementario al que forma con Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
.

Pero cos(180º - a) = -cos a, luego:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

· Propiedad de ortogonalidad (perpendicularidad)

Dados dos vectores no nulos Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, si Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
· Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= 0, entonces Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
son perpendiculares, y si Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
son perpendiculares, entonces Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
· Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= 0

Demostración:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

· Positividad del producto escalar

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Demostración:

Dado un vector cualquiera, se tiene que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
· Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= |Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
|2 (pues cos 0º = 1) y, por tanto,

se tiene que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
¨ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
³ 0. El único caso en que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
¨ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= 0 es cuando Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Cálculo del producto escalar

Puesto que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
· Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= |Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
| |Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
| cos a, parece sencillo calcular Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
· Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, pero en la práctica puede resultar complicado conocer el módulo de los vectores y el ángulo que forman.

En general, resulta más sencillo calcular el producto escalar de dos vectores conociendo sus coordenadas respecto de una base y los productos escalares de los vectores que forman dicha base.

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

del plano tienen coordenadas (x1, x2) e (y1, y2), es decir:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Además,

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
respecto de la suma y de linealidad)

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Ejercicio: cálculo del producto escalar de dos vectores

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 Hallar el producto escalar de los vectores Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= 2Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 + 3Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2 y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= 4Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 - Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2,

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2, forman un ángulo de 60º.

Resolución:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

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Cálculo del módulo de un vector

Para hallar el módulo de un vector se puede aplicar la última propiedad vista para el producto escalar.

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Cálculo del ángulo formado por dos vectores

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Ejercicio: cálculo del ángulo que forman dos vectores

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 Dada la base del plano {Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2} donde |Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1| = 2, |Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2| = 1 y los vectores Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Resolución:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

De la misma forma:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Sustituyendo en la fórmula obtenida para el ángulo de dos vectores se tiene:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

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BASES ORTONORMALES

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

tienen módulo 1 y son perpendiculares entre sí.

Cuando se trabaja con este tipo de bases es sencillo calcular los productos escalares, ya que

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Aplicando estos resultados a las fórmulas ya obtenidas, se tiene que dados los Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

y siendo a el ángulo que forman,

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Ejercicios con bases ortonormales

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Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

ortonormal del plano.

 Hallar la proyección del vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
sobre el vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, siendo Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= 2Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 + Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2 y

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= 3Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
1 + 2Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
2.

Resolución:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Name=1; HotwordStyle=BookDefault;

En primer lugar se calcula el módulo de dicha proyección. Para ello es conveniente recordar que el producto escalar de dos vectores es igual al producto del módulo de uno de ellos por la proyección del otro sobre él.

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Para determinar la proyección se observa que, por ser ésta paralela al vector Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

el mismo sentido que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, con lo que t ha de ser positivo.

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Sustituyendo:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Hallar el área de un paralelogramo cuyos lados no paralelos son los vectores

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Resolución:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Name=2; HotwordStyle=BookDefault;

El área de un paralelogramo es igual al producto de dos de sus lados por el seno del ángulo que forman:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Para calcular el seno de este ángulo se aplica la fórmula fundamental de la trigonometría: sen2a + cos2a = 1.

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Y así el área es:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

 Aplicando la definición de producto escalar, demostrar el teorema de Pitágoras.

Resolución:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Name=3; HotwordStyle=BookDefault;

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

figura, se tiene:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Así:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

„ Demostrar que las dos diagonales de un rombo son perpendiculares.

Resolución:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Name=4; HotwordStyle=BookDefault;

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Para ver que son perpendiculares bastará con comprobar que su producto escalar es 0:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Hasta ahora no se ha utilizado el hecho de que se está trabajando con un rombo. Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

perpendiculares.

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NÚMEROS COMPL. INTRO. ( I )

Como ya se sabe, existen algunas ecuaciones de segundo grado que no tienen ninguna solución real. Tal es el caso de la ecuación x2 + 1 = 0.

Si bien esto no era un problema excesivamente grave en la época en que se observó, un ingenioso método ideado por Jerónimo Cardano (1501-1576) para la resolución de las ecuaciones de tercer grado precisaba resolver cualquier tipo de ecuaciones de segundo grado, para su aplicación.

Esto dio lugar a que se admitieran también las raíces cuadradas de los números negativos llamándolas «números imaginarios». Casi un siglo tuvo que pasar para que se hiciese un estudio completo de los mismos, llegándose a lo que hoy se llama el cuerpo de los números complejos.

El teorema más importante que existe sobre los números complejos es el «Teorema Fundamental del Álgebra», demostrado por Carl Friederich Gauss (1777-1855) que dice que cualquier polinomio con coeficientes complejos tiene una raíz compleja.

Se llama unidad imaginaria a un ente abstracto i , al que se le atribuye la propiedad de que su cuadrado es -1: i 2 = -1.

Añadiendo este elemento al cuerpo de los números reales, se tiene una solución para la ecuación x2 + 1 = 0, pero ocurre que ya no se dispone de un procedimiento para calcular la suma y el producto de dos elementos de la estructura así obtenida.

Para que se puedan hacer multiplicaciones, es preciso que dado un número real b y la unidad imaginaria i exista el producto bi .

Además para que estos números puedan sumarse con los números reales es preciso también que, dado un número real a exista el elemento a + bi .

Esto da lugar a un conjunto de expresiones a las que se denominará números complejos.

Un problema que vale la pena plantearse es si podrá ocurrir que dos expresiones distintas den el mismo resultado. La respuesta es negativa.

Si a + bi = c + di se tendría que a - c = (d - b)i . Elevando al cuadrado:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Como el primer miembro es mayor o igual que 0 (por ser un cuadrado) y el segundo es menor o igual que 0 (por ser un cuadrado cambiado de signo) se tiene que ambos han de ser nulos. Por tanto:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Las expresiones son así las mismas.

Nótese que hasta ahora se ha hecho uso de las propiedades propias de un cuerpo para ciertas expresiones que no se ha demostrado que lo constituyan. Teniendo en cuenta que tampoco se ha dado una definición correcta de lo que son los complejos, esto podría servir para justificar el porqué de la definición.

Tampoco se ha comprobado que con las expresiones de la forma a + bi se puedan hacer todas las sumas y todos los productos posibles.

Para que se verifiquen las propiedades de cuerpo es interesante observar que ha de ser:

(a + bi ) + (c + di ) = (a + c) + (b + d)i , que es otra expresión del mismo tipo.

Para el producto sería (a+bi ) + (c+di ) = ac + bci + adi + bdi 2 = (ac-bd) + (ad+bc)i , que de nuevo es una expresión de la forma dada.

Parece pues razonable dar la siguiente definición:

Se llama número complejo a cualquier expresión de la forma a + bi, siendo a y b números reales.

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Igualdad de números complejos

Dos números complejos a + bi y c + di son iguales si a = c y b = d .

Parte real y parte imaginaria de un número complejo

Dado el complejo z = a + bi , el número a recibe el nombre de parte real de z y b se llama parte imaginaria de z. Se representan por Re(z) e Im(z) respectivamente.

Si un número complejo tiene una de sus partes (real o imaginaria) igual a cero, ésta no suele escribirse. Así, se escribirá a en lugar de a + 0i y también bi en lugar de escribir 0 + bi .

Se puede considerar que los números reales son los números complejos cuya parte imaginaria es 0. Los números complejos cuya parte real es 0 suelen recibir el nombre de imaginarios puros.

Suma y producto de números complejos

Dados dos números complejos a + bi y c + di se definen su suma y su producto como sigue:

(a + bi ) + (c + di ) = (a + c) + (b + d)i

(a + bi ) (c + di ) = (ac - bd) + (ad + bc)i

El producto puede hacerse operando con i como si fuese un número real y teniendo en cuenta que i 2 = -1.

(a + bi )(c + di ) = ac + adi + bci + bdi 2 = ac + i(ad + bc) + bd(-1) =

= ac - bd + i (ad + bc)

Propiedades de la suma de números complejos

La suma de números complejos tiene las siguientes propiedades:

· Conmutativa

Dados dos números complejos a + bi y c + di se tiene la igualdad:

(a + bi ) + (c + di ) = (c + di ) + (a + bi )

Ejemplo:

(2 - 3i ) + (-3 + i ) = (2 - 3) + i (-3 + 1) = -1 - 2i

(-3 + i ) + (2 - 3i ) = (-3 + 2) + i (1 - 3) = -1 - 2i

· Asociativa

Dados tres complejos a + bi, c + di y e + fi , se cumple:

[(a + bi ) + (c + di )] + (e + fi ) = (a + bi ) + [(c + di ) + (e + fi )]

Ejemplo:

[(5 + 2i ) + (3 - 4i )] + (-9 + 8i ) = (8 - 2i ) + (-9 + 8i ) = -1 + 6i

(5 + 2i ) + [(3 - 4i ) + (-9 + 8i )] = (5 + 2i ) + (-6 + 4i ) = -1 + 6i

· Elemento neutro

El elemento neutro es 0 + 0i , puesto que

(a + bi ) + (0 + 0i ) = (a + 0) + i (b + 0) = a + bi

El número 0 + 0i se escribe simplificadamente 0 y se le llama «cero».

· Elemento simétrico

El elemento simétrico de un número complejo cualquiera a + bi es (- a - bi ):

(a + bi ) + (-a - bi) = 0 + 0i = 0

Ejemplo:

El simétrico de 2 - 3i es -2 + 3i pues (2 - 3i ) + (-2 + 3i ) = 0

Propiedades del producto de complejos

· Conmutativa

Dados dos complejos a + bi y c + di , se cumple que:

(a + bi ) (c + di ) = (c + di ) (a + bi )

Ejemplo:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

· Asociativa

Dados los complejos a + bi, c + di y e + fi se cumple que:

[(a + bi ) (c + di )](e + fi ) = (a + bi ) [(c + di ) (e + fi )]

Ejemplo:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

· Elemento neutro

El elemento neutro del producto es 1 + 0 ·i = 1, puesto que para cualquier complejo a + bi , (a + bi ) (1 + 0 · i ) = (a + bi ) · 1 = a + bi .

El elemento neutro es el uno.

· Distributiva del producto con respecto a la suma

Dados tres números complejos a + bi , c + di y e + fi , se cumple:

(a + bi ) [(c + di ) + (e + fi )] = (a + bi ) (c + di ) + (a + bi ) (e + fi )

Ejemplo:

(1 - 2i ) [3i + (2 - 7i )] = (1 - 2i ) (2 - 4i ) = 2 - 4i - 4i + 8i 2 = -6 - 8i

(1 - 2i ) 3i + (1 - 2i ) (2 - 7i ) = (3i - 6i 2) + (2 - 7i - 4i + 14i 2) =

= (3i + 6) + (-12 - 11i ) = - 6 - 8i

El conjunto de los números complejos, por contar con todas las propiedades anteriores para la suma y para el producto, se dice que es un anillo conmutativo.

El conjunto de los números complejos se simboliza por C, o también (C, +, ·).

· Elemento simétrico respecto del producto

Dado un complejo cualquiera a + bi , distinto de 0 + 0i , existe otro complejo que, multiplicado por él, da el elemento neutro del producto, es decir, 1 + 0i .

Demostración:

Se intentará calcular el inverso de a + bi , x + yi .

Ha de verificarse que (a + bi ) (x + yi ) = 1 + 0i

(a + bi ) (x + yi ) = (ax - by) + (ay + bx)i . Por tanto ha de ser:

ax - by = 1, multiplicando por a se tiene: a2x - aby = a

bx + ay = 0, multiplicando por b se tiene: b2x + aby = 0

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Despejando y en la segunda ecuación:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

El inverso de un número complejo z = a + bi , se suele

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Por tanto, si z = a + bi ,

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

El conjunto de los números complejos es un cuerpo conmutativo con la suma y el producto definidos.

División de números complejos

La división es la operación inversa de la multiplicación. Esto es, dividir un número complejo entre otro es el resultado de multiplicar el primero por el inverso del segundo.

Ejercicios de aplicación

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Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Resolución:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Resolución:

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

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Raíces cuadradas de un número complejo

Además del método general que se verá más adelante para calcular raíces cualesquiera de un número complejo argumental, existe un procedimiento para hallar específicamente las raíces cuadradas de un complejo en su forma binómica.

El procedimiento es idéntico en todos los casos, por lo que bastará con aplicarlo una vez.

Se va a intentar hallar las raíces cuadradas del complejo 7 + 24i .

Sea a + bi una de dichas raíces cuadradas. Entonces, 7 + 24i = (a + bi )2 =

= a2 + 2abi + (bi )2 = (a2 - b2) + 2abi

Para que estos complejos sean iguales, han de tener iguales su parte real y su parte imaginaria. Por tanto:

7 = a2 - b2

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Haciendo el cambio t = a2 resulta la ecuación t2 - 7t - 144 = 0.

Esta ecuación tiene dos soluciones, una positiva y una negativa. En este caso sólo nos interesa la positiva, ya que t es el cuadrado de un número real.

Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Así, a2 = t = 16, lo que da lugar a las soluciones a = ±4

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Ejercicio: cálculo de la raíz cuadrada de un número complejo

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 Resolver la ecuación z2 + (2 + i )z - (13 - 13i ) = 0

Resolución:

· Siendo un cuerpo el conjunto de los números complejos, se puede aplicar la fórmula conocida para la resolución de la ecuación de segundo grado:

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donde a = 1, b = 2 + i y c = - (13 - 13i ).

· El discriminante es:

b2 - 4ac = (2 + i )2 + 4 (13 - 13i ) = 4 + i 2 + 4i + 52 - 52i = 55 - 48i

· Hay que calcular su raíz cuadrada. Sea x + yi dicha raíz:

55 - 48i = (x + yi )2 = (x2 - y2) + 2xyi

Igualando parte real e imaginaria:

55 = x2 - y2

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Haciendo el cambio t = y2, t2 + 55t - 576 = 0

Aplicando la fórmula de la ecuación de segundo grado:

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Como t es el cuadrado de un número real y, por tanto positivo, se desprecia la solución t = -64

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Se tiene entonces que las raíces cuadradas de 55 - 48i son 8 + 3i y -8 - 3i .

Sustituyendo en la fórmula de la ecuación de segundo grado:

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Representación gráfica de un número complejo

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Name=1; HotwordStyle=BookDefault; Puesto que cualquier número complejo se puede representar de forma única mediante dos números reales (su parte real y su parte imaginaria), se puede identificar cada complejo a + bi con el punto del plano (a,b) y viceversa.

Es más, cualquier punto del plano (a,b) define un vector de origen (0,0) y extremo (a,b).

De esta forma, cualquier número complejo puede representarse como un vector en el plano cuyo origen es el de coordenadas (0,0) y cuyo extremo es el par ordenado asociado al complejo (a,b).

Así, en el plano, el vector asociado al número complejo 2 - 3i tiene por coordenadas (2,-3).

Conjugado de un número complejo

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Name=2; HotwordStyle=BookDefault; Se llama conjugado de un número complejo al número complejo que se obtiene por simetría del dado respecto del eje de abscisas.

Representando el número complejo a + bi y haciendo la correspondiente simetría, se tiene que su conjugado es a - bi .

Dado un número complejo, su conjugado puede representarse poniendo encima del mismo una línea horizontal. Así se escribirá:

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Propiedades de los conjugados

· Primera propiedad

El conjugado del conjugado de un complejo z es el propio z.

Demostración:

En efecto si z = a + bi se tiene que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= a - bi , de donde, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= a + bi = z

· Segunda propiedad

Dados dos números complejos cualesquiera z y z' , el conjugado de su suma es igual a la suma de sus conjugados.

Esto se expresa escribiendo que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Demostración:

Tomando z = a + bi y z' = c + di , se tiene:

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= a + bi y Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
' = c - di , con lo que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
+ Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
' = (a + bi ) + (c - di ) = (a + c) + (-b - d)i

Por otra parte:

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y es fácil ver que esta expresión coincide con la anterior.

· Tercera propiedad

El conjugado del producto de dos números complejos es igual al producto de los conjugados de dichos números:

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Demostración:

Si z = a + bi y z = c + di se tiene que z · z = (ac - bd ) + (ad + bc)i , cuyo conjugado es Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= (ac - bd) - (ad + bc)i .

Calculando por otro lado el producto de los conjugados, resulta que

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· Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
' = (a - bi )( c - di ) = ( ac - bd ) + ( -ad - bc) i .

El resultado es igual al anterior.

· Cuarta propiedad

Los complejos que coinciden con sus conjugados son los números reales.

Demostración:

Sea un complejo a + bi que coincida con su conjugado. Esto equivale a que

a + bi = a - bi

Pero esto sólo ocurre si b = 0, es decir si a + bi es un número real.

· Quinta propiedad

La suma y el producto de un complejo y su conjugado son, ambos, números reales.

Demostración:

(a + bi ) + (a - bi ) = 2a

(a + bi ) (a - bi ) = a2 - (bi )2 = a2 + b2

NÚMEROS COMPL. INTRO. ( II )

División de números complejos

Como consecuencia de este resultado, se tiene un procedimiento más sencillo que el visto para efectuar una división. Basta con multiplicar numerador y denominador por el conjugado del denominador.

Por ejemplo:

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Ejercicio: división de números complejos

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a) Real.

b) Imaginario puro.

c) Tenga la parte real igual a la imaginaria.

Resolución:

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a) Para que este cociente sea un número real es preciso que su parte imaginaria sea 0:

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b) Para que sea imaginario puro ha de tener parte real nula:

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Resolviendo dicha ecuación se obtienen dos valores para k:

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Forma trigonométrica y forma módulo-argumental de un complejo

Al representar un número complejo como un vector en la forma ya descrita, éste viene definido de manera única por dos valores: su módulo y el ángulo a formado por el eje positivo de abscisas con el vector. Este ángulo recibe el nombre de argumento del número complejo.

Dado un complejo z = a + bi en su forma binómica y llamando Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
a su módulo y a a su argumento, se tienen las siguientes relaciones:

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Name=1; HotwordStyle=BookDefault;

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Despejando a y b en estas igualdades, a = Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
cos a y b = Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
sen a

De ahí se tiene que:

a + bi = Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
cos a + Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
sen ai = Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
( cos a + i sen a)

Cualquier número complejo z puede representarse así como una expresión de la forma Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
( cos a + i sen a).

Esta manera de escribir un número complejo recibe el nombre de forma trigonométrica.

En muchos casos se escribe simplemente el módulo, y el argumento como subíndice. Así se podría escribir Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
a, en lugar de escribir la forma trigonométrica completa Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
( cos a + i sen a).

Esta manera de expresar un número complejo se llama forma módulo argumental o polar.

Nótese que si al argumento de un número complejo es incrementado en 360º, al no variar el seno ni el coseno de dicho ángulo, el número complejo definido no varía.

Cálculo de módulo y argumento de un complejo

Para calcular el argumento de un número complejo z = a + bi , basta con tener en cuenta que:

a = |z|·cos a

b = |z|·sen a

Dividiendo estas dos igualdades,

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Name=2; HotwordStyle=BookDefault; Entre 0º y 360º hay, en general, dos ángulos cuya tangente toma ese valor. Para decidirse entre ellos es preciso fijarse en qué cuadrante se encuentra el complejo en cuestión.

Para calcular el módulo se suman los cuadrados de las dos igualdades obtenidas:

a2 + b2 = |z| cos a + |z|2 sen a =

= |z|2 (cos a + sen a) = |z|2 Þ

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Ejercicio: formas de escribir un número complejo

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 Escribir en forma módulo-argumental los complejos 3 + 2i , 1 - i , -2 - 5i.

Resolución:

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Name=3; HotwordStyle=BookDefault;

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Teniendo en cuenta que dos ángulos que difieren en 180º tienen la misma tangente, podría aceptarse a = 213º 41' 24'' .

Pero el complejo dado se encuentra en el primer cuadrante.

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Name=4; HotwordStyle=BookDefault; Los ángulos que tienen tangente -1 son los ángulos de 135º y 315º. Como el complejo dado pertenece al cuarto cuadrante, el argumento es 315º.

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Los ángulos cuya tangente es 2,5 son 68º 11 54 y 248º 11 54. El complejo dado pertenece al tercer cuadrante, por lo que el argumento es el segundo valor.

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Representar en forma binómica los complejos 350º, 2180º, y 1220º

Resolución:

350º = 3(cos 50º + i·sen 50º) = 3( 0,643 + 0,766 i ) = 1,929 + 2,298i

2180º = 2(cos 180º + i·sen 180º) = 2 ( -1 + 0i ) = - 2

1220º = 1(cos 220º + i·sen 220º) = - 0,766 - 0,643 i

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Producto de complejos en forma módulo-argumental

Aunque ya se dispone de un método para calcular el producto de dos números complejos cualesquiera, cuando ambos números vienen dados en su forma módulo-argumenal existe un procedimiento mucho más sencillo. Este método consiste en multiplicar sus módulos y sumar sus argumentos.

Para ver que esto es correcto, basta con efectuar la multiplicación:

Ra · R'a' = R (cos a + i sen a) · R' (cos a' + isen a' ) =

= RR' { (cos a · cos a' - sen a · sen a' ) + i ( sen a · cos a' + cos a · sen a' )}

Pero las expresiones que se encuentran entre paréntesis son precisamente las Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Ra · R'a' = RR' {cos (a + a') + i sen ( a + a' )} = (RR' )a + a'

Ejercicios de aplicación

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 Demostrar que para dividir dos números complejos se dividen sus módulos y se restan sus argumentos.

Resolución:

Supóngase que se quieren dividir los complejos Ra · R'a' . Llmando R'' al módulo del cociente y a' ' a su argumento,

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Comprobar la fórmula vista para el producto multiplicando por dos métodos distintos los complejos 3i y 2 - 2i .

Resolución:

· En primer lugar se multiplican directamente los dos números:

3i (2 - 2i ) = 6i - 6i 2 = 6 + 6i

· Ahora se calcula el módulo y el argumento de cada uno de los factores:

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Por ser positiva la ordenada,

a = 90º Þ 3i = 390º.

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Como el complejo dado está en el cuarto cuadrante, será

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Multiplicando en forma módulo-argumental:

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Transformando dicho número a su forma binómica:

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 Demostrar que el producto de un complejo por su conjugado es igual al cuadrado del módulo.

Resolución:

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Name=5; HotwordStyle=BookDefault;

Se van a dar dos demostraciones:

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b) Si se considera el complejo dado en la forma módulo-argumental, cuyo módulo es R y cuyo argumento es a, en la figura adjunta se ve que su conjugado tiene también módulo R, Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos

Multiplicando:

Ra · R360º - a' = (R.R)360º = R2 (cos 360º + isen 360º) = R2 (1+ 0i ) = R2

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Fórmula de Moivre

El módulo de una potencia cuya base es un número complejo, es otro complejo cuyo módulo se obtiene elevando el módulo al exponente correspondiente y cuyo argumento se obtiene multiplicando el argumento por el exponente. Es decir,

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Demostración:

(Ra )n = Ra · Ra ..... Ra = (R · R ... R)a + a ... + a = (Rn )n a

Esta igualdad recibe el nombre de fórmula de Moivre, en honor del matemático francés Abraham de Moivre (1667-1754).

Ejercicio: aplicación de la fórmula de Moivre

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 Aplicar la fórmula de Moivre para hallar la expresión de sen 4x y de cos 4x en función de las razones trigonométricas de x.

Resolución:

Se considera el complejo 1x. Calculando su cuarta potencia:

(1x)4 = 14x = cos 4x + i sen 4x

Pero 1x = cos x + i sen x, con lo que (1x)4 = (cos x + i sen x)4.

Aplicando el binomio de Newton a esta expresión:

(cos x + i sen x)4 = cos4x + 4i cos3x · sen x + 6 cos2x(i sen x)2 +

+ 4 cos x · (i sen x)3 + (i sen x)4

Pero i 2 = -1, i 3 = i 2 · i = -1 · i = -i e i 4 = i 2 · i 2 = (-1) (-1) = 1

Así:

(cos x + i sen x)4 = cos4x + 4i cos3x · sen x - 6 cos2x · sen2x - 4 cos x · sen3x i + sen4x

La parte real de este número es:

cos 4x = cos4x - 6cos2x · sen2x + sen4x

Y la parte imaginaria es:

sen 4x = 4cos3x · sen x - 4cos x · sen3x

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Raíces de un número complejo

Para hallar las raíces de un número complejo se aplica la fórmula de Moivre, teniendo en cuenta que para que dos complejos coincidan han de tener el mismo módulo y la diferencia de sus argumentos ha de ser un múltiplo entero de 360º.

Sea Ra un número complejo y considérese otro complejo R'a', tal que

Ra = (R' a' )n = ((R' )n )n a'

Esto equivale a que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
= R, o lo que es lo mismo, que Álgebra y Geometría Vectorial. Números complejos
, y que

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Aunque esto parece aportar una infinidad de soluciones, nótese que si a k se le suma un múltiplo de n, al dividir el nuevo argumento, éste aparece incrementado en un número entero de circunferencias. Por tanto, basta con dar a k los valores 1, 2, 3, ..., n - 1, lo que da un total de n - 1 raíces, que junto a k = 0 da un total de n raíces.

Ejercicio: cálculo de raíces de un número complejo

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 Hallar las raíces cúbicas de 8.

Resolución:

El método descrito permite calcular raíces únicamente en la forma módulo-argumental. Se debe escribir el número 8 en dicha forma:

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Name=6; HotwordStyle=BookDefault;

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Como la parte real de 1 es positiva el valor adecuado es a = 0º.

Calculando los valores precisos:

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Así, las raíces cúbicas son las que tienen módulo igual a 2 y argumento 0º + 120ºk, donde k puede tomar los valores 0, 1 y 2.

Se tienen pues las tres raíces:

20º = 2(cos 0º + i sen 0º) = 2(1 + 0i ) = 2

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Hallar las raíces cuartas de 2 + 2i .

Resolución:

En primer lugar se calcula el módulo y el argumento de 2 + 2i :

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Dando a k los valores 0, 1, 2 y 3 se obtienen las cuatro raíces cuartas de 2 + 2i, que son:

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