複素数平面

複素数と図形

円・直線の複素数表現

複素数平面の「複素数と図形」を、答えを先に押さえてから理解できる形に整理したページです。「円・直線の複素数表現」でつまずきやすい点も含めて、学習の流れを短く確認できます。

数学C 約9分 難易度 2 図つき

このページのまとめ

先に押さえておくこと

複素数と図形の要点をまとめたページです。先に答えを確認してから、解き方とつまずきやすい点を順にたどれます。

答えの要点

図と式の対応や答えの条件を、先に短く確認できます。

  • テーマ: 円・直線の複素数表現
  • ポイント: 複素数平面の要点を、図と式を往復しながら確認しやすい記事です。
  • 次に読むなら: 関連ページ、またはアプリで類題演習

問題

(1)(1)\quad 複素数平面上でz(1+2i)=3|z - (1 + 2i)| = 3はどのような図形を表すか。

(2)(2)\quad 複素数平面上でz1=z3i|z - 1| = |z - 3i|はどのような図形を表すか。

(3)(3)\quad 複素数平面上でz2=2z+1|z - 2| = 2|z + 1|を満たす点zzの軌跡を求めよ。

答えを見る

(1)  (1)\; 中心  1+2i,  半径  3  の円\underline{\text{中心}\; 1 + 2i,\; \text{半径}\; 3 \;\text{の円}}

(2)  (2)\; 2  1,  3i  を結ぶ線分の垂直二等分線(直線  x3y+4=0\underline{2\text{点}\; 1,\; 3i \;\text{を結ぶ線分の垂直二等分線(直線}\; x - 3y + 4 = 0\text{)}}

(3)  (3)\; 中心  (2,  0),  半径  2  の円(アポロニウスの円)\underline{\text{中心}\; (-2,\; 0),\; \text{半径}\; 2 \;\text{の円(アポロニウスの円)}}

解説

複素数と図形の関係について解説します。

zα|z - \alpha|は「点zzと点α\alphaの距離」を表すよ。これを意識すると、図形が見えてくるんだ。

(1)z(1+2i)=3(1)\quad |z - (1 + 2i)| = 3はどのような図形を表すか。

zα=r|z - \alpha| = rの形です。α=1+2i\alpha = 1 + 2i, r=3r = 3なので、

これは中心  1+2i,  半径  3  の円\underline{\text{中心}\; 1 + 2i,\; \text{半径}\; 3\; \text{の円}}を表します。

zzが動くとき、点1+2i1 + 2iからの距離が常に33であるような点の集合ですね。

-4-2024 -4-224

(2)z1=z3i(2)\quad |z - 1| = |z - 3i|はどのような図形を表すか。

zα=zβ|z - \alpha| = |z - \beta|の形です。これは点zzから点11(実数11に対応する点)と点3i3iへの距離が等しいということを意味します。

2点からの距離が等しい点の集合...垂直二等分線ですね!

その通り!具体的な直線の方程式も求めてみよう。

z=x+yiz = x + yiとおくと、

z1=z3i|z - 1| = |z - 3i|
(x1)+yi=x+(y3)i|(x - 1) + yi| = |x + (y - 3)i|
(x1)2+y2=x2+(y3)2\sqrt{(x-1)^2 + y^2} = \sqrt{x^2 + (y-3)^2}

両辺を22乗すると、

(x1)2+y2=x2+(y3)2(x-1)^2 + y^2 = x^2 + (y-3)^2
x22x+1+y2=x2+y26y+9x^2 - 2x + 1 + y^2 = x^2 + y^2 - 6y + 9
2x+1=6y+9-2x + 1 = -6y + 9
2x6y+8=02x - 6y + 8 = 0
x3y+4=0x - 3y + 4 = 0

よって、2  1,  3i  を結ぶ線分の垂直二等分線\underline{2\text{点}\; 1,\; 3i\; \text{を結ぶ線分の垂直二等分線}}(直線x3y+4=0x - 3y + 4 = 0)です。

-2 0 2 4 -1 1 2 3 4 5
1x+3y+4=01x+-3y+4=0

(3)z2=2z+1(3)\quad |z - 2| = 2|z + 1|を満たす点zzの軌跡を求めよ。

zα=kzβ|z - \alpha| = k|z - \beta|k1k \neq 1)の形なのでアポロニウスの円です。

z=x+yiz = x + yiとおくと、

z2=2z+1|z - 2| = 2|z + 1|
(x2)2+y2=2(x+1)2+y2\sqrt{(x-2)^2 + y^2} = 2\sqrt{(x+1)^2 + y^2}

両辺を22乗すると、

(x2)2+y2=4{(x+1)2+y2}(x-2)^2 + y^2 = 4\{(x+1)^2 + y^2\}
x24x+4+y2=4x2+8x+4+4y2x^2 - 4x + 4 + y^2 = 4x^2 + 8x + 4 + 4y^2
3x2+12x+3y2=03x^2 + 12x + 3y^2 = 0
x2+4x+y2=0x^2 + 4x + y^2 = 0
(x+2)2+y2=4(x + 2)^2 + y^2 = 4

あ!平方完成したら円の方程式になりましたね!

よって、中心  (2,  0),  半径  2  の円\underline{\text{中心}\; (-2,\; 0),\; \text{半径}\; 2\; \text{の円}}(アポロニウスの円)です。

-4-2024 -4-224

アポロニウスの円は「22点からの距離の比が一定」な点の軌跡だよ。

k=1k = 1の場合は垂直二等分線(直線)になるから注意してね。

このページのまとめ

ここでは複素数と図形の関係について学習しました。

zα|z - \alpha|を「距離」と捉えることで、円や直線を複素数で表現できます。

この考え方は複素数平面の問題で非常に重要なので、しっかりマスターしてくださいね!

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