Números complexos: exercícios com soluções passo a passo

Exercícios grátis de Números complexos com diagramas, dicas e soluções completas resolvidas. Valores novos a cada vez, em três níveis: aritmética na forma retangular, forma polar e exponencial, De Moivre, raízes e equações.

Exercício gratuitoFácil
ReIm22−2−244−4−466−6−6z₁z₂

Para z₁ = 1 + j4 e z₂ = 5 + j6, encontre a parte imaginária de w = 2z₁ + 5z̄₂.

z₁ = 1 + j4z₂ = 5 + j6
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O que você pratica

  1. Fácilaritmética na forma retangular
  2. Médiaforma polar e exponencial
  3. DifícilDe Moivre, raízes e equações

Como resolver exercícios de Números complexos

  1. Decida qual forma convém à operação: retangular a + jb para somar e subtrair, polar r∠θ para multiplicar, dividir, potências e raízes.
  2. Multiplique com j² = −1; divida multiplicando o numerador e o denominador pelo conjugado do denominador.
  3. Converta com r = √(a² + b²) e θ a partir de um esboço do ponto (verifique o quadrante), e de volta com a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Para potências use De Moivre, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; para zⁿ = R∠φ liste todas as n raízes R1/n∠((φ + 360°k)/n).

Erros comuns

  • Tratar j² como +1 ao multiplicar.
  • Dividir separadamente as partes real e imaginária.
  • Tomar atan(b/a) como o argumento de um ponto no semiplano esquerdo.
  • Misturar graus e radianos, especialmente em ejθ.
  • Dar apenas uma raiz de zⁿ = w, ou esquecer de tirar a raiz n-ésima do módulo.

Fórmulas principais

Forma retangular
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
Módulo e argumento
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
Forma polar e exponencial
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
Divisão
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
Produto e quociente
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
De Moivre
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
Raízes n-ésimas
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
Equação quadrática com p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

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1O que é um número complexo

A equação x² = −1 não tem solução real. Os engenheiros acrescentam um novo número j com j² = −1. Os matemáticos escrevem i; na engenharia usa-se j porque i já significa corrente.

Um número complexo tem a forma z = a + jb. O número a é a parte real e b é a parte imaginária: Re(z) = a e Im(z) = b.

Você pode desenhar z como o ponto (a, b) no plano de Argand: a parte real ao longo do eixo horizontal, a parte imaginária ao longo do vertical.

ReImθz = 3 + j2|z|z̄ = 3 − j232

A distância até a origem é o módulo |z| = √(a² + b²). O ângulo a partir do eixo real positivo é o argumento θ. A imagem especular em relação ao eixo real, z̄ = a − jb, é o conjugado.

Autoavaliação Qual é o módulo de z = 3 − j4?
  1. 25
  2. 5
  3. 7
  4. −1

Resposta: 5. |z| = √(3² + (−4)²) = √25 = 5. Somar 3 e 4 dá 7, e esquecer a raiz quadrada dá 25.

2Somando, multiplicando e dividindo

Somar e subtrair parte a parte: (2 + j3) + (1 − j4) = 3 − j.

Multiplique os parênteses e substitua j² por −1:

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

Um número vezes o seu conjugado é sempre real: (a + jb)(a − jb) = a² + b².

Divida multiplicando o numerador e o denominador pelo conjugado do denominador. O denominador então se torna um número real:

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

Resposta: 2. É um número vezes o seu conjugado: 1² + 1² = 2. Escrever 1 − j² como 1 − 1 = 0 esquece que j² = −1, então −j² = +1.

3Forma polar e exponencial

Um ponto também pode ser dado pela sua distância e pelo seu ângulo: z = r∠θ, com r = |z| e θ = arg z. De volta à forma retangular com a = r cos θ e b = r sin θ.

z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ

A última forma usa a fórmula de Euler ejθ = cos θ + j sin θ. Na forma exponencial θ deve estar em radianos.

Atenção ao quadrante. Uma calculadora dá atan(b/a) entre −90° e 90°. Se a < 0 o ponto está à esquerda, então some ou subtraia 180°.

Exemplo: z = −2 + j2. Então r = √8 = 2,828. O ângulo de referência é atan(2/2) = 45°, e o ponto está no segundo quadrante, então θ = 180° − 45° = 135°.

Autoavaliação Qual é o argumento de z = −1 − j, entre −180° e 180°?
  1. 135°
  2. 45°
  3. −135°
  4. −45°

Resposta: −135°. O ponto está no terceiro quadrante. O ângulo de referência é 45°, então θ = −(180° − 45°) = −135°. atan(−1/−1) = 45° aponta para o quadrante oposto.

4Multiplicação na forma polar, potências e raízes

Na forma polar a multiplicação é fácil: multiplique os módulos e some os argumentos. Para a divisão, divida os módulos e subtraia os argumentos.

(r₁∠θ₁)(r₂∠θ₂) = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂)

Repetindo isso obtém-se o teorema de De Moivre: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ.

A equação zⁿ = R∠φ tem exatamente n raízes. Todas têm módulo R1/n e argumentos (φ + 360°·k)/n para k = 0, 1, …, n − 1.

ReIm2−1 + j1,732−1 − j1,732120°

Para z³ = 8 = 8∠0°: o módulo é 2 e os argumentos são 0°, 120° e 240° (isto é, −120°). As raízes formam um triângulo regular sobre a circunferência.

Uma equação quadrática z² + pz + q = 0 com p² < 4q tem as raízes complexas −p/2 ± j√(q − p²/4). Polinômios reais sempre têm suas raízes complexas em pares conjugados.

5Um exemplo resolvido

Potências de números como 1 + j são muito mais rápidas na forma polar do que multiplicando.

Exemplo resolvido

Calcule (1 + j)6 com o teorema de De Moivre.

1

Escreva 1 + j na forma polar

r = √(1² + 1²) = √2. O ponto está no primeiro quadrante, então θ = atan(1/1) = 45°.

1 + j = √2∠45°
2

Aplique De Moivre

Eleve o módulo à potência 6 e multiplique o ângulo por 6.

(√2)6 = 8, 6·45° = 270°
3

Leve o ângulo para o intervalo

270° é a mesma direção que −90°.

(1 + j)6 = 8∠−90°
4

De volta à forma retangular

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

(1 + j)6 = −j8: parte real 0, parte imaginária −8.

6Erros comuns e questões de prova

  • Esquecer que j² = −1 ao multiplicar, de modo que um termo fica com o sinal errado.
  • Dividir parte a parte: (a + jb)/(c + jd) não é a/c + jb/d. Use o conjugado.
  • Tomar atan(b/a) como o argumento quando a < 0. Esboce primeiro o ponto.
  • Usar graus em ejθ, ou deixar a calculadora em radianos para r∠θ dado em graus.
  • Em De Moivre: esquecer de elevar o módulo à potência, ou dar apenas uma raiz de zⁿ = w.

As questões fáceis pedem uma parte de um produto, quociente ou soma. As médias convertem entre a forma retangular, polar e exponencial. As difíceis usam De Moivre, as raízes n-ésimas e equações polinomiais.

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

Resposta: 8∠80°. Multiplique os módulos (2·4 = 8) e some os argumentos (30° + 50° = 80°). Somar os módulos dá 6, e multiplicar os ângulos não faz sentido.

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Exemplos resolvidos

Exemplo 1Fácil
ReIm55−5−5z₁z₂

Para z₁ = −7 + j e z₂ = 4 + j2, encontre a parte real do produto z₁·z₂.

z₁ = −7 + jz₂ = 4 + j2

Calcule Re(z₁z₂)

Mostrar dicas
  1. Multiplique os parênteses como em (a + b)(c + d), obtendo quatro termos.
  2. Substitua j² por −1 para que um dos quatro termos se torne real.
  3. (−7 + j)(4 + j2) = (−28) + j(−14) + j4 + j²·2
Mostrar a resposta e a solução passo a passo

Números complexos: z = a + jb tem parte real a e parte imaginária b, com j² = −1 (os matemáticos escrevem i). Some e subtraia parte a parte; multiplique os parênteses e substitua j² por −1; divida multiplicando numerador e denominador pelo conjugado do denominador, z̄ = a − jb, porque z·z̄ = a² + b² é real. No plano de Argand, z é o ponto (a, b): sua distância à origem é o módulo |z| = √(a² + b²), e o ângulo a partir do eixo real positivo é o argumento θ.

Desenvolva

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

Use j² = −1

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

Resposta

Re(z₁z₂) = −30
Exemplo 2Média
ReIm22−2−244−4−4θz

Escreva z = 4∠160° na forma retangular a + jb e dê a parte imaginária b.

r = 4θ = 160°

Calcule b

Mostrar dicas
  1. a = r·cos θ e b = r·sin θ.
  2. sin(160°) = 0,342
  3. Multiplique por r = 4.
Mostrar a resposta e a solução passo a passo

Forma polar: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, com r = |z| e θ = arg z. De volta à forma retangular: a = r cos θ, b = r sin θ. O argumento exige o quadrante: θ = atan(b/a) somente quando a > 0; para a < 0 some ou subtraia 180°. Na forma polar a multiplicação é fácil: multiplique os módulos e some os argumentos; para a divisão, divida os módulos e subtraia os argumentos.

Componentes

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

Forma retangular

z = −3,759 + j1,368
b = 1,368

Resposta

b = 1,368
Exemplo 3Difícil
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁z₂z₃

As raízes de zⁿ = w com n = 4 e w = 16∠−60° são zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, 2, 3. Encontre a parte real de z₂.

w = 16∠−60°n = 4k = 2

Calcule Re(z₂)

Mostrar dicas
  1. Toda raiz tem módulo R1/n = 161/4 = 2.
  2. O argumento de z₂ é (φ + 360°·k)/n com φ = −60°, k = 2 e n = 4.
  3. a = R1/n·cos(165°).
Mostrar a resposta e a solução passo a passo

De Moivre e raízes: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. A equação zⁿ = R∠φ tem exatamente n raízes, todas com módulo R1/n, nos argumentos (φ + 360°·k)/n para k = 0, 1, …, n − 1: elas ficam igualmente espaçadas sobre uma circunferência, a 360°/n uma da outra. Uma equação quadrática z² + pz + q = 0 com p² < 4q tem as raízes complexas z = −p/2 ± j√(q − p²/4); um polinômio com coeficientes reais sempre tem suas raízes complexas em pares conjugados a ± jb.

Módulo das raízes

161/4 = 2

Argumento da raiz

θ₂ = (−60° + 360°·2)/4 = 165°

Forma retangular

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

Resposta

Re(z₂) = −1,932

As 4 raízes ficam sobre a circunferência de raio 2, separadas por 90°.

Perguntas e respostas

Números complexos: o que é?

A equação x² = −1 não tem solução real. Os engenheiros acrescentam um novo número j com j² = −1. Os matemáticos escrevem i; na engenharia usa-se j porque i já significa corrente.

Um número complexo tem a forma z = a + jb. O número a é a parte real e b é a parte imaginária: Re(z) = a e Im(z) = b.

Números complexos: como resolver os exercícios passo a passo?
  1. Decida qual forma convém à operação: retangular a + jb para somar e subtrair, polar r∠θ para multiplicar, dividir, potências e raízes.
  2. Multiplique com j² = −1; divida multiplicando o numerador e o denominador pelo conjugado do denominador.
  3. Converta com r = √(a² + b²) e θ a partir de um esboço do ponto (verifique o quadrante), e de volta com a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Para potências use De Moivre, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; para zⁿ = R∠φ liste todas as n raízes R1/n∠((φ + 360°k)/n).
Números complexos: quais são os erros mais comuns?
  • Tratar j² como +1 ao multiplicar.
  • Dividir separadamente as partes real e imaginária.
  • Tomar atan(b/a) como o argumento de um ponto no semiplano esquerdo.
  • Misturar graus e radianos, especialmente em ejθ.
  • Dar apenas uma raiz de zⁿ = w, ou esquecer de tirar a raiz n-ésima do módulo.
Números complexos: o que se pratica?
  • Fácil: aritmética na forma retangular
  • Média: forma polar e exponencial
  • Difícil: De Moivre, raízes e equações

Cada exercício tem valores novos, então você aprende o método em vez de decorar uma resposta. Travou? Abra primeiro uma dica pequena, e a explicação completa só quando precisar.

Como a prática funciona

  • Cada exercício tem valores novos, então você aprende o método em vez de decorar uma resposta.
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