Numeri complessi: esercizi con soluzioni passo passo

Detto anche: forma trigonometrica · formula di De Moivre

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ReIm22−2−244−4−466−6−6z₁z₂

Per z₁ = 1 + j4 e z₂ = 5 + j6, trova la parte immaginaria di w = 2z₁ + 5z̄₂.

z₁ = 1 + j4z₂ = 5 + j6
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Su cosa ti eserciti

  1. Facilearitmetica in forma cartesiana
  2. Mediaforma polare ed esponenziale
  3. DifficileDe Moivre, radici ed equazioni

Come risolvere gli esercizi di Numeri complessi

  1. Decidi quale forma si adatta all’operazione: cartesiana a + jb per sommare e sottrarre, polare r∠θ per moltiplicare, dividere, potenze e radici.
  2. Sviluppa con j² = −1; dividi moltiplicando numeratore e denominatore per il coniugato del denominatore.
  3. Converti con r = √(a² + b²) e θ da un disegno del punto (controlla il quadrante), e viceversa con a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Per le potenze usa De Moivre, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; per zⁿ = R∠φ elenca tutte le n radici R1/n∠((φ + 360°k)/n).

Errori comuni

  • Considerare j² come +1 quando si sviluppa il prodotto.
  • Dividere separatamente la parte reale e quella immaginaria.
  • Prendere atan(b/a) come argomento per un punto nel semipiano sinistro.
  • Confondere gradi e radianti, soprattutto in ejθ.
  • Dare una sola radice di zⁿ = w, o dimenticare di calcolare la radice n-esima del modulo.

Formule chiave

Forma cartesiana
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
Modulo e argomento
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
Forma polare ed esponenziale
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
Divisione
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
Prodotto e quoziente
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
De Moivre
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
Radici n-esime
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
Equazione quadratica con p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

Impara Numeri complessi da zero

1Che cos’è un numero complesso

L’equazione x² = −1 non ha soluzioni reali. Gli ingegneri aggiungono un nuovo numero j con j² = −1. I matematici scrivono i; in ingegneria si usa j perché i indica già la corrente.

Un numero complesso ha la forma z = a + jb. Il numero a è la parte reale e b è la parte immaginaria: Re(z) = a e Im(z) = b.

Puoi disegnare z come il punto (a, b) nel piano di Argand: la parte reale lungo l’asse orizzontale, la parte immaginaria lungo quello verticale.

ReImθz = 3 + j2|z|z̄ = 3 − j232

La distanza dall’origine è il modulo |z| = √(a² + b²). L’angolo dal semiasse reale positivo è l’argomento θ. L’immagine speculare rispetto all’asse reale, z̄ = a − jb, è il coniugato.

Autoverifica Qual è il modulo di z = 3 − j4?
  1. 25
  2. 5
  3. 7
  4. −1

Risposta: 5. |z| = √(3² + (−4)²) = √25 = 5. Sommare 3 e 4 dà 7, e dimenticare la radice quadrata dà 25.

2Somma, moltiplicazione e divisione

Somma e sottrai parte per parte: (2 + j3) + (1 − j4) = 3 − j.

Moltiplica sviluppando le parentesi e sostituendo j² con −1:

(2 + j3)(1 − j4) = 2 − j8 + j3 − j²12 = 2 + 12 − j5 = 14 − j5

Un numero per il suo coniugato è sempre reale: (a + jb)(a − jb) = a² + b².

Dividi moltiplicando numeratore e denominatore per il coniugato del denominatore. Il denominatore diventa allora un numero reale:

(4 + j2)/(1 + j) = (4 + j2)(1 − j)/((1 + j)(1 − j)) = (6 − j2)/2 = 3 − j
Autoverifica Quanto vale (1 + j)(1 − j)?
  1. 0
  2. 1 − j
  3. 2
  4. 2j

Risposta: 2. È un numero per il suo coniugato: 1² + 1² = 2. Scrivere 1 − j² come 1 − 1 = 0 dimentica che j² = −1, quindi −j² = +1.

3Forma polare ed esponenziale

Un punto può anche essere dato dalla sua distanza e dal suo angolo: z = r∠θ, con r = |z| e θ = arg z. Per tornare alla forma cartesiana: a = r cos θ e b = r sin θ.

z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ

L’ultima forma usa la formula di Eulero ejθ = cos θ + j sin θ. Nella forma esponenziale θ deve essere in radianti.

Attenzione al quadrante. Una calcolatrice dà atan(b/a) tra −90° e 90°. Se a < 0 il punto è a sinistra, quindi somma o sottrai 180°.

Esempio: z = −2 + j2. Allora r = √8 = 2,828. L’angolo di riferimento è atan(2/2) = 45°, e il punto è nel secondo quadrante, quindi θ = 180° − 45° = 135°.

Autoverifica Qual è l’argomento di z = −1 − j, tra −180° e 180°?
  1. 135°
  2. 45°
  3. −135°
  4. −45°

Risposta: −135°. Il punto si trova nel terzo quadrante. L’angolo di riferimento è 45°, quindi θ = −(180° − 45°) = −135°. atan(−1/−1) = 45° indica il quadrante opposto.

4Moltiplicazione in forma polare, potenze e radici

In forma polare la moltiplicazione è facile: moltiplica i moduli e somma gli argomenti. Per la divisione, dividi i moduli e sottrai gli argomenti.

(r₁∠θ₁)(r₂∠θ₂) = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂)

Ripetendo questo si ottiene il teorema di De Moivre: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ.

L’equazione zⁿ = R∠φ ha esattamente n radici. Hanno tutte modulo R1/n e argomenti (φ + 360°·k)/n per k = 0, 1, …, n − 1.

ReIm2−1 + j1,732−1 − j1,732120°

Per z³ = 8 = 8∠0°: il modulo è 2 e gli argomenti sono 0°, 120° e 240° (cioè −120°). Le radici formano un triangolo regolare sulla circonferenza.

Un’equazione quadratica z² + pz + q = 0 con p² < 4q ha le radici complesse −p/2 ± j√(q − p²/4). I polinomi reali hanno sempre le radici complesse in coppie coniugate.

5Un esempio svolto

Le potenze di numeri come 1 + j sono molto più rapide in forma polare che sviluppando il prodotto.

Esempio svolto

Calcola (1 + j)6 con il teorema di De Moivre.

1

Scrivi 1 + j in forma polare

r = √(1² + 1²) = √2. Il punto è nel primo quadrante, quindi θ = atan(1/1) = 45°.

1 + j = √2∠45°
2

Applica De Moivre

Eleva il modulo alla potenza 6 e moltiplica l’angolo per 6.

(√2)6 = 8, 6·45° = 270°
3

Riporta l’angolo nell’intervallo

270° è la stessa direzione di −90°.

(1 + j)6 = 8∠−90°
4

Torna alla forma cartesiana

8(cos(−90°) + j sin(−90°)) = 8(0 − j) = −j8
Risposta

(1 + j)6 = −j8: parte reale 0, parte immaginaria −8.

6Errori comuni e domande d’esame

  • Dimenticare che j² = −1 quando si sviluppa il prodotto, così un termine ha il segno sbagliato.
  • Dividere parte per parte: (a + jb)/(c + jd) non è a/c + jb/d. Usa il coniugato.
  • Prendere atan(b/a) come argomento quando a < 0. Disegna prima il punto.
  • Usare i gradi in ejθ, o lasciare la calcolatrice in radianti per r∠θ dato in gradi.
  • In De Moivre: dimenticare di elevare a potenza il modulo, o dare una sola radice di zⁿ = w.

Le domande facili chiedono una parte di un prodotto, quoziente o somma. Quelle medie convertono tra forma cartesiana, polare ed esponenziale. Quelle difficili usano De Moivre, le radici n-esime e le equazioni polinomiali.

Autoverifica z₁ = 2∠30° e z₂ = 4∠50°. Quanto vale z₁·z₂?
  1. 6∠80°
  2. 8∠1500°
  3. 8∠20°
  4. 8∠80°

Risposta: 8∠80°. Moltiplica i moduli (2·4 = 8) e somma gli argomenti (30° + 50° = 80°). Sommare i moduli dà 6, e moltiplicare gli angoli non ha senso.

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Esempi svolti

Esempio 1Facile
ReIm55−5−5z₁z₂

Per z₁ = −7 + j e z₂ = 4 + j2, trova la parte reale del prodotto z₁·z₂.

z₁ = −7 + jz₂ = 4 + j2

Calcola Re(z₁z₂)

Mostra i suggerimenti
  1. Sviluppa le parentesi come (a + b)(c + d), ottenendo quattro termini.
  2. Sostituisci j² con −1 in modo che uno dei quattro termini diventi reale.
  3. (−7 + j)(4 + j2) = (−28) + j(−14) + j4 + j²·2
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

Numeri complessi: z = a + jb ha parte reale a e parte immaginaria b, con j² = −1 (i matematici scrivono i). Somma e sottrai parte per parte; sviluppa le parentesi e sostituisci j² con −1; dividi moltiplicando numeratore e denominatore per il coniugato del denominatore, z̄ = a − jb, perché z·z̄ = a² + b² è reale. Nel piano di Argand z è il punto (a, b): la sua distanza dall’origine è il modulo |z| = √(a² + b²), e l’angolo dal semiasse reale positivo è l’argomento θ.

Sviluppa

(−7 + j)(4 + j2) = (−7)·4 + j·(−7)·2 + j·1·4 + j²·1·2

Usa j² = −1

Re = (−28) − 2 = −30
Im = (−14) + 4 = −10
z₁z₂ = −30 − j10
Re(z₁z₂) = −30

Risposta

Re(z₁z₂) = −30
Esempio 2Media
ReIm22−2−244−4−4θz

Scrivi z = 4∠160° in forma cartesiana a + jb e dai la parte immaginaria b.

r = 4θ = 160°

Calcola b

Mostra i suggerimenti
  1. a = r·cos θ e b = r·sin θ.
  2. sin(160°) = 0,342
  3. Moltiplica per r = 4.
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

Forma polare: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, con r = |z| e θ = arg z. Per tornare alla forma cartesiana: a = r cos θ, b = r sin θ. L’argomento richiede il quadrante: θ = atan(b/a) solo quando a > 0; per a < 0 somma o sottrai 180°. In forma polare la moltiplicazione è facile: moltiplica i moduli e somma gli argomenti; per la divisione dividi i moduli e sottrai gli argomenti.

Componenti

a = 4·cos(160°) = −3,759
b = 4·sin(160°) = 1,368

Forma cartesiana

z = −3,759 + j1,368
b = 1,368

Risposta

b = 1,368
Esempio 3Difficile
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁z₂z₃

Le radici di zⁿ = w con n = 4 e w = 16∠−60° sono zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, 2, 3. Trova la parte reale di z₂.

w = 16∠−60°n = 4k = 2

Calcola Re(z₂)

Mostra i suggerimenti
  1. Ogni radice ha modulo R1/n = 161/4 = 2.
  2. L’argomento di z₂ è (φ + 360°·k)/n con φ = −60°, k = 2 e n = 4.
  3. a = R1/n·cos(165°).
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

De Moivre e radici: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. L’equazione zⁿ = R∠φ ha esattamente n radici, tutte con modulo R1/n, agli argomenti (φ + 360°·k)/n per k = 0, 1, …, n − 1: giacciono equidistanziate su una circonferenza, a 360°/n l’una dall’altra. Un’equazione quadratica z² + pz + q = 0 con p² < 4q ha le radici complesse z = −p/2 ± j√(q − p²/4); un polinomio a coefficienti reali ha sempre le radici complesse in coppie coniugate a ± jb.

Modulo delle radici

161/4 = 2

Argomento della radice

θ₂ = (−60° + 360°·2)/4 = 165°

Forma cartesiana

z₂ = 2·(cos 165° + j sin 165°) = −1,932 + j0,5176
Re(z₂) = −1,932

Risposta

Re(z₂) = −1,932

Le 4 radici giacciono sulla circonferenza di raggio 2, a distanza angolare di 90°.

Domande e risposte

Numeri complessi: di cosa si tratta?

L’equazione x² = −1 non ha soluzioni reali. Gli ingegneri aggiungono un nuovo numero j con j² = −1. I matematici scrivono i; in ingegneria si usa j perché i indica già la corrente.

Un numero complesso ha la forma z = a + jb. Il numero a è la parte reale e b è la parte immaginaria: Re(z) = a e Im(z) = b.

Numeri complessi: come si risolvono gli esercizi passo per passo?
  1. Decidi quale forma si adatta all’operazione: cartesiana a + jb per sommare e sottrarre, polare r∠θ per moltiplicare, dividere, potenze e radici.
  2. Sviluppa con j² = −1; dividi moltiplicando numeratore e denominatore per il coniugato del denominatore.
  3. Converti con r = √(a² + b²) e θ da un disegno del punto (controlla il quadrante), e viceversa con a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Per le potenze usa De Moivre, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; per zⁿ = R∠φ elenca tutte le n radici R1/n∠((φ + 360°k)/n).
Numeri complessi: quali sono gli errori più comuni?
  • Considerare j² come +1 quando si sviluppa il prodotto.
  • Dividere separatamente la parte reale e quella immaginaria.
  • Prendere atan(b/a) come argomento per un punto nel semipiano sinistro.
  • Confondere gradi e radianti, soprattutto in ejθ.
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