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PROF. GILBERTO SANTOS JR NÚMEROS COMPLEXOS 1 . REVISÃO DE CONJUNTOS NUMÉRICOS 1.1 Como surgiram os números? Os números foram criados pouco a pouco. A cada nova dificuldade ou necessidade, o homem foi juntando novos tipos de números aos já exis- tentes. Com o tempo, por questões práticas, foi preciso agrupá-los formando estruturas com ca- racterísticas peculiares e associar as propriedades comuns. 1.2 Números naturais A necessidade de contar surgiu com o início da civilização dos povos. Povos primitivos conta- vam apenas um, dois e muitos. Esses três concei- tos, sozinhos, já resolviam seus problemas. Depois outras quantidades (três, quatro, etc.) foram sen- do incorporadas. A ideia do zero só surgiu mais tarde. Os números utilizados para contar formam hoje o que chamamos de conjunto dos números naturais, simbolizado por ℕ e definido assim: ℕ = { 0, 1, 2, … , 𝑛, … } Limitação desse conjunto numérico: A soma de dois números naturais quaisquer tem como resultado sempre um número natural, mas a dife- rença de dois números naturais quaisquer nem sempre tem como resultado um número natural. Por exemplo, (5 + 2) ∈ ℕ e (2 + 5) ∈ ℕ (5 − 2) ∈ ℕ, mas (2 − 5) ∉ ℕ 1.3 Números inteiros (2 − 5) ∉ ℕ Subtrações como essa somente tem res- posta com a introdução dos números negativos: −1,−2,−3,−4,… A união dos números naturais com os nú- meros negativos forma o conjunto dos números inteiros, simbolizado por ℤ e definido assim: ℤ = {… , −𝑛, … , −2, −1, 0, 1, 2,… , 𝑛,… } Podemos separar os inteiros em três categorias: Os positivos: 1, 2, 3, 4, … O zero: 0 Os negativos: −1,−2,−3,−4,… Portanto, de maneira geral, se 𝑘 é um nú- mero inteiro, o número −𝑘 também é número in- teiro. Dizemos que 𝑘 e −𝑘 são simétricos ou opostos (algumas bibliografias de nível superior os chamam de inversos aditivos). Simetria em relação ao zero: Limitação desse conjunto numérico: A soma, a subtração e multiplicação de dois números inteiros quaisquer tem como resultado sempre um número inteiro, mas a divisão de dois números inteiros quaisquer nem sempre tem como resultado um número inteiro. Por exemplo: [(+5) + (−2)] ∈ ℤ, [(−7) − (+3)] ∈ ℤ, [(+6) ∙ (−4)] ∈ ℤ [(−10): (+5) ∈ ℤ, mas [(+5): (−10)] ∉ ℤ 1.4 Números racionais [(+5) + (−2)] ∈ ℤ Divisões como essa somente tem resposta com a criação dos números fracionários 3 5 , 8 7 , 1 10 , 𝑒𝑡𝑐 Para que também a divisão fosse sempre possível foi criado um conjunto numérico mais amplo que o conjunto dos números inteiros, o conjunto dos números racionais, simbolizado por ℚ e definido assim: ℚ = {𝑥; 𝑥 = 𝑎 𝑏 , 𝑐𝑜𝑚 𝑎, 𝑏 ∈ ℤ 𝑒 𝑏 ≠ 0} Podemos representar os números racionais por pontos pertencentes a uma reta orientada. Veja os exemplos abaixo: Seguem exemplos abaixo de números que são números racionais: 8 4 = 2; 14 2 = 7; − 3; − 2; − 1;… (números inteiros) 2 3 7 ; 13 5 ; 84 56 ; … (frações) 0,5 = 1 2 ; 2,5 = 5 2 ; 0,01 = 1 100 ; − 0,125 = − 1 8 ; … (nºs decimais exatos) 0,333 … = 1 3 ; 0,166 … = 1 6 ; 3,333 … = 10 3 (dízimas periódicas) Limitação desse conjunto numérico: A figura a seguir mostra um triângulo retângulo cujos cate- tos medem 1 unidade. Veja o cálculo para encon- trar a sua hipotenusa, utilizando o Teorema de Pitágoras: x2 = 12 + 12 x2 = 2 Que número que elevado ao quadrado dá 2 ? Resposta: x = 1,41421356237309... A resposta x = 1,41421356237309... é um número decimal que não pode ser escrito em for- ma de fração (não é número decimal exato e não é dízima periódica), portanto, é um número não- racional - os pitagóricos o chamaram de inco- mensuráveis. 1.5 Números irracionais Observe a resolução da equação abaixo: 𝑥2 = 12 + 1 2 𝑥2 = 2 𝑥 = 2 = 1,41421356 … ∉ ℚ Equações como essa não tem resposta em ℚ, a resposta foi possível pela descoberta de um novo conjunto numérico, o conjunto dos núme- ros irracionais, simbolizado por 𝕀 e representado por números decimais que são dízimas aperiódi- cas (números decimais de casas decimais infinitas e sem período). Exemplos de números irracionais: 2 = 1,41421356 … 3 = 1,73205080 … 5 = 2,23606797 … 6 = 2,44948974 … 7 = 2,64575131 … 𝜋 = 3,141592653589 … Vejamos, agora, como construir um ponto na reta numérica que tenha abscissa um número irracional: Num quadrado de lado 𝟏, como na figu- ra abaixo. Pelo teorema de Pitágoras 𝑑2 = 12 + 12 ⟹ 𝑑2 = 2 ⟹ 𝑑 = 2. Assim a abscissa de 𝑃 é 2 que é número irracional. 1.6 Números reais Da união do conjunto dos números racio- nais com o conjunto dos números irracionais surge o conjunto dos números reais, simbolizado por ℝ e definido assim: ℝ = {𝑥; 𝑥 é 𝑛° 𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑜𝑢 𝑥 é 𝑛º 𝑖𝑟𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙} A representação dos números reais em dia- gramas: Os diagramas mostram que o conjunto ℕ é subconjunto de ℤ, o conjunto ℤ é subconjunto de ℚ e ℚ, por sua vez, é subconjunto de ℝ; é sub-𝕀 conjunto de ℝ. Simbolicamente, ℕ ⊂ ℤ ⊂ ℚ ⊂ ℝ e 𝕀 ⊂ ℝ Limitação desse conjunto numérico: A equação 𝑥2 + 1 = 0 não tem solução em ℝ, pois: 𝑥2 + 1 = 0 ⟹ 𝑥2 = −1 ⟹ 𝑥 = ± −1 e não existe um número real 𝒙 que elevado ao quadrado resulte −1. Por isso, foi criado um con- junto numérico mais amplo que o conjunto dos números reais, o conjunto dos números com- plexos, simbolizado por ℂ. 2. UMA ABORDAGEM HISTÓRICA DOS NÚMEROS COMPLEXOS Consideremos o problema proposto por Ge- rônimo Cardano (1501-1576), eminente matemá- tico do século XVI: “Divida 10 em duas partes tais que o produto seja 40.” Chamando de 𝑥 e 𝑦 as partes procuradas e equa- cionando o problema, temos: { 𝑥 + 𝑦 = 10 𝑥𝑦 = 40 cuja solução é dada por 𝑥 = 5 + −15 e 𝑦 = 5 − −15. Cardano chamou essas raízes quadrada de números negativos de “sofísticas”. Outros mate- máticos, nos séculos XVI, XVII, XVIII, também as 3 chamaram de números “sem sentido”, “impossí- veis”, “místicos”, “fictícios” e “imaginários”. E ope- ravam com eles da seguinte maneira: −4 = 4(−1) = 4 ∙ −1 = 2 −1 2 −1 + 4 −1 = 6 −1 (3 + 5 −1) + (2 + 3 −1) = 5 + 8 −1 Esses números sempre podiam ser escritos na forma 𝑎 + 𝑏 −1 com 𝑎 e 𝑏 números reais. De um modo geral, a adição com os antigos símbolos (𝑎 + 𝑏 −1) + (𝑐 + 𝑑 −1) = (𝑎 + 𝑐) + (𝑏 + 𝑑) −1 e a multiplicação (𝑎 + 𝑏 −1)(𝑐 + 𝑑 −1) = (𝑎𝑐 − 𝑏𝑑) + (𝑎𝑑 + 𝑏𝑐) −1. Sem saber qual era o significado disso tudo, pois −1 não é um número real. E assim trabalharam com eles durante tre- zentos anos. 3 . FORMA ALGÉBRICA DOS NÚMEROS COMPLEXOS Resolvendo a equação 𝑥2 + 4𝑥 + 5 = 0, te- mos: 𝑥 = −4 ± 16 − 20 2 = −4 ± −4 2 O resultado é impossível em ℝ, portanto S = . Veremos que estudando números complexos a equação tem solução. 3.1 A unidade imaginária Foi criado um símbolo para o número −1. Ele é chamado unidade imaginária e indicado por 𝑖. Portanto: 𝑖 = −1 Observação: Convencionou-se que 𝑖2 = −1. 3.2 A forma algébrica Todo número complexo, pode ser escrito da seguinte maneira: 𝑧 = 𝑎 + 𝑏𝑖 , onde, 𝑎 ∈ ℝ, 𝑏 ∈ ℝ e 𝑖 = −1. Essa é a forma algébrica dos números complexos. Os números complexostêm duas partes: 𝑧 = 𝑎⏟ 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑙 + 𝑏⏟ 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒 𝑖𝑚𝑎𝑔𝑖𝑛á𝑟𝑖𝑎 Parte real de 𝑧: Re(𝑧) = 𝑎 Parte imaginária de 𝑧: Im(𝑧) = 𝑏 Devemos observar também que: Se 𝑏 = 0, temos 𝑧 = 𝑎, portanto, 𝑧 é número real. Se 𝑎 = 0 e 𝑏 ≠ 0, temos 𝑧 = 𝑏𝑖, portanto, 𝑧 é número imaginário puro. Exemplos: a) Em 𝑧 = 2 + 3𝑖, temos Re(𝑧) = 2 e Im(𝑧) = 3. b) Em 𝑧 = 3, temos Re(𝑧) = 3, Im(𝑧) = 0, portan- to, 𝑧 é número real. c) Em 𝑧 = −2𝑖, temos Re(𝑧) = 0, Im(𝑧) = −2, por- tanto, 𝑧 é um imaginário puro. Conclusão: Todo número real é um número complexo. Já sabemos que ℂ é o símbolo do con- junto dos números complexos, segue as represen- tações em digramas, abaixo: Agora, resolvendo a equação 𝑥2 + 4𝑥 + 5 = 0 do início do tópico e dando a resposta em ℂ: 𝑥 = −4 ± 16 − 20 2 = −4 ± −4 2 = −4 ± 4(−1) 2 = 𝑥 = −4 ± 2 −1 2 = − 4 2 ± 2𝑖 2 = −2 ± 𝑖 S = {−2 − 𝑖,−2 + 𝑖} Podemos efetuar as operações de adição, multiplicação e subtração entre números comple- xos usando as propriedades das operações. Veja: a)(2 + 3𝑖) + (−3 + 4i) = (2–3) + (3 + 4)i = −1 + 7i. b)(1 + 𝑖)– (3 + 2𝑖) = (1–3) + (1– 2)𝑖 = −2 − 1𝑖 = 2– 𝑖. c)(1 + 2𝑖)(2– 3𝑖) = 1 ∙ 2 + 1 ∙ (−3𝑖) + 2𝑖 ∙ 2 + 2𝑖 ∙ (−3𝑖) = 2– 3𝑖 + 4𝑖– 6𝑖2 = 2 + 𝑖–6(−1) = 2 + 𝑖 + 6 = 8 + 𝑖. EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1) Dados os números complexos z1 = 1 + 3i e z2 = -2 + i, calcule: a) z1 + z2 R: −1 + 4𝑖 c) z1 2 R: −8 + 6𝑖 b) z1z2 R: −5 − 5𝑖 d) z1 2 + z2 R: −10 + 7𝑖 2) Determine o valor real de x para que o número complexo: a) z = (1 – 2x) + 3i seja um número imaginário puro. R: 𝑥 = 1 2 b) z = (8 – x) + (2x – 3)i seja um número imagi- nário puro. R: 𝑥 = 8 c) z = 6 – (3x – 5)i seja um número real. R: 𝑥 = 5 3 d) z = (1 – x) + (x – 1)i seja o número real 0.R: 𝑥 = 1 3) Efetue as operações indicadas a) (6 + 5i) + (3 – 4i) R: 9 + 𝑖 b) (1 – i) – (3 – 2i) R: −2 + 𝑖 c) (1 + i)(1 – i) R: 2 d) i2, i3, i4, i5, i6, i7, i8 R: −1,−𝑖, 1, 𝑖, −1,−𝑖, 1 e) (3 – i)3 R: 18 − 26𝑖 f) (2 – 3i)2 – (3 – i)2i R: −7 − 18𝑖 4) Calcule o valor de: a) i49 R: 𝑖 b) i100 R: 1 c) 3i15 – i16 R: −1–3𝑖 5) Calcule os valores de: 4 a) (2i)4 R: 16 c) i-1 R: −𝑖 b) (-i)23 R: 𝑖 d) 2 5i R: −1 6) Determine o valor de: a)(1 – i)2 R: −2𝑖 c)(1 – i)11 R: −32 − 32𝑖 b)(1 – i)10 R: −32𝑖 7) Encontre a solução da equação x2 – 2x + 6 = 0 em ℂ. S = {1 − 5𝑖, 1 + 5𝑖} 8) Resolva em ℂ a equação x2 – 6x + 10 = 0. S = {3– 𝑖, 3 + 𝑖} 9) Como seria resolvido o problema proposto por Gerônimo Cardano: “Divida 10 em duas partes tais que o produto seja 40.” (início do Tópico 2 da apostila) 10) Determine uma equação do 2º grau que, em ℂ, tenha como raízes -5 + 2i e -5 – 2i. R: 𝑥2 + 10𝑥 + 29 = 00 11) Determine equações do 2º grau com raízes: a) 3 – 2i e 3 + 2i b) -2i e i. R: 𝑥2 − 6𝑥 + 13 = 0 R: 𝑥2 + 𝑖𝑥 + 2 = 0 12) Encontre o número complexo z tal que: a) 4z = z – (9 + 6i) b) z – i36 = i43 – z R: 3 − 2𝑖 R: 𝑧 = 1 2 − 1 2 𝑖 EXERCÍCIO DE VESTIBULAR 13)(UEPA-2004) Calculando-se corretamente as raízes da função f(x) = x2 + 4x + 5, definida de ℝ em ℝ, encontra-se valores complexos de x iguais a: R: (a) (a) – 2 + i e – 2 - i (d) i + 2i e i - 2i (b) – 2 + 2i e – 2 - 2i (e) 2 + i e 2 – i (c) – 1 + 2i e – i – 2 4 . O CONJUNTO DOS NÚMEROS COM- PLEXOS O conjunto dos números complexos, indi- cado por ℂ, é o conjunto de números da forma 𝑎 + 𝑏𝑖, tais que 𝑎, 𝑏 ∈ ℝ e 𝑖 = −1, em que estão definidas: Igualdade: 𝑎 + 𝑏𝑖 = 𝑐 + 𝑑𝑖 ⟺ 𝑎 = 𝑐 𝑒 𝑏 = 𝑑. Adição: (𝑎 + 𝑏𝑖) + (𝑐 + 𝑑𝑖) ⟺ (𝑎 + 𝑐) + (𝑏 + 𝑑)𝑖. Multiplicação: (𝑎 + 𝑏𝑖)(𝑐 + 𝑑𝑖) ⟺ (𝑎𝑐 − 𝑏𝑑) + (𝑎𝑑 + 𝑏𝑐)𝑖. As operações de adição e multiplicação as- sim definidas satisfazem as seguintes proprieda- des, para quaisquer 𝑧, 𝑣 e 𝑤 pertencentes a ℂ: Adição: Comutativa 𝑧 + 𝑣 = 𝑣 + 𝑧 Elemento neutro Existe 𝑧0 ∈ ℂ, 𝑧0 = 0 + 0𝑖 𝑧 + 𝑧0 = 𝑧0 + 𝑧 = 𝑧 Inverso aditivo Existe 𝑧′ ∈ ℂ tal que: 𝑧 + 𝑧′ = 𝑧′ + 𝑧 = 𝑧0 = 0 + 0𝑖 Multiplicação: Comutativa 𝑧𝑣 = 𝑣𝑧 Associativa (𝑧𝑣)𝑤 = 𝑧(𝑣𝑤) Elemento neutro Existe 𝑧1 ∈ ℂ, 𝑧1 = 1 + 0𝑖 tal que: 𝑧𝑧1 = 𝑧1𝑧 = 𝑧 Inverso multiplicativo Existe 𝑧′ ∈ ℂ, 𝑧1 = 1+ 0𝑖 tal que: 𝑧𝑧′ = 𝑧′𝑧 = 𝑧1 para 𝑧 ≠ 0 + 0𝑖 A multiplicação é distributiva em relação à adi- ção 𝑧(𝑣 + 𝑤) = 𝑧𝑣 + 𝑧𝑤 EXERCÍCIO PROPOSTO 14) Determine x e y reais para que se verifique as igualdades: a) 3x + 2i = 1 + (5y)i R: x = 1/3 e y = 2/5 b) 2 + 3i = (x – 1) + (2y – 3)i R: x = 3 e y = 3 c) 1 – 5i = (x + y) + (x – y)i R: x = -2 e y = 3 d) (x – 2) + (y + 1)i = 1 R: x = 3 e y = -1 e) (x – 3) + yi = 0 R: x = 3 e y = 0 f) [(x + 2) + (3x + y)i] + [x – 4yi] = 4 – 3i R: x = 1 e y = 2 5 . REPRESENTAÇÃO GEOMÉTRICA DOS NÚMEROS COMPLEXOS Cada número complexo 𝑧 = 𝑎 + 𝑏𝑖 está as- sociado o par de números reais (𝑎, 𝑏). Por outro lado, sabemos que a cada par de números reais (𝑎, 𝑏) está associados um único ponto no plano cartesiano. Logo, podemos associar a cada núme- ro complexo 𝑧 = 𝑎 + 𝑏𝑖 o ponto P do plano de co- ordenadas 𝑎 e 𝑏, isto é, P(𝑎, 𝑏). O plano cartesiano no qual estão represen- tados os números complexos é denominado plano complexo ou plano de Argand-Gauss. Dizemos que o ponto P(𝑎, 𝑏) é o afixo do número complexo 𝑎 + 𝑏𝑖. Exemplos: Representar geometricamente os nú- meros complexos 𝑧1 = 3 − 2𝑖, 𝑧2 = 5, 𝑧3 = −2𝑖, 𝑧4 = 2 + 𝑖 e 𝑧5 = −2 + 𝑖. Resolução: 𝑧1 = 3 − 2𝑖 ⟹ (3,−2) 𝑧2 = 5 ⟹ (5, 0) 𝑧3 = −2𝑖 ⟹ (0,−2) 𝑧4 = 2 + 𝑖 ⟹ (2, 1) 𝑧5 = −2 + 𝑖 ⟹ (−2, 1) x y b a P(a, b) 5 Observações: a) Os números complexos reais pertencem ao eixo 𝑥, mantendo a correspondência segundo a qual para cada número real existe um ponto da reta. b) Os números imaginários puros pertencem ao eixo 𝑦. c) Os demais números complexos (𝑎 + 𝑏𝑖, com 𝑎 ≠ 0, 𝑏 ≠ 0) pertencem aos vários quadrantes, de acordo com os sinais 𝑎 e 𝑏. d) Para cada número complexo existe um único ponto no plano e vice-versa. e) Podemos associar a cada complexo 𝑧 = 𝑎 + 𝑏𝑖 um único vetor com extremidades no ponto O(0, 0) (origem do sistema de coordenadas) e no ponto P(𝑎, 𝑏). Nesse plano complexo, além do número complexo 𝑧 = 𝑎 + 𝑏𝑖, estão representados outros dois números complexos 𝑧1 e 𝑧2 e, a soma deles, 𝑧1 + 𝑧2 – que é a diagonal do paralelogramo for- mado por 𝑧1 e 𝑧2. EXERCÍCIOS PROPOSTOS 15) Dados os números complexos z1 = -4 + 2i, z2 = -3i e z3 = 4, localize, no plano complexo os pontos correspondentes. 16) Determine os números complexos correspon- dentes aos pontos A, B, C, D e E na figura abaixo. R: 𝑧𝐴 = 3; 𝑧𝐵 = 2𝑖; 𝑧𝐶 = 2 + 𝑖; 𝑧𝐷 = −2 − 𝑖; 𝑧𝐸 = 1 − 𝑖 17) Dados os pontos correspondentes aos núme- ros z1 = -1 - i e z2 = -2 – i. a) Descubra os pontos correspondentes aos nú- meros -z1 e -z2. R: -𝑧1 = 1 + 𝑖; −𝑧2 = 2 + 𝑖 b) Faça os esboços no plano complexo de z1, z2, -z1 e -z2. 18) Efetue algebricamente e geometricamente a adição dos números complexos z1 = 1 + 2i e z2 = 4 + i. R: 𝑧1 + 𝑧2 = 5 + 3𝑖 6 . CONJUGADO DE NÚMERO COMPLEXO A propriedade do inverso multiplicativo po- de ser escrita da seguinte maneira: Se 𝑧 ≠ 0, exis- te um único número complexo 1 𝑧tal que 𝑧 ∙ 1 𝑧 = 1. Como podemos determinar o número 1 𝑧 na forma algébrica? Para isso, precisamos definir o que vem a ser o conjugado de um número complexo. O conjugado de um número complexo 𝑧 = 𝑎 + 𝑏𝑖 é o número complexo 𝑧̅ = 𝑎 − 𝑏𝑖. Exemplos: a) Se 𝑧 = 2 + 3𝑖, então 𝑧̅ = 2 − 3𝑖 b) Se 𝑧 = −3 − 4𝑖, então 𝑧̅ = −3 + 4𝑖 c) Se 𝑧 = 2, então 𝑧̅ = 2 d) Se 𝑧 = 5𝑖, então 𝑧̅ = −5𝑖 6.1 Interpretação geométrica do conju- gado 6.2 Propriedade de conjugado a) Se 𝑧 = 𝑎 + 𝑏𝑖, então: 𝑧𝑧̅ = 𝑎2 + 𝑏2 b) Para o número complexo 𝑧, temos que: 𝑧 = 𝑧̅ ⇔ 𝑧 é número real c) Se z1 e z2 são números complexos, então: 𝑧1 + 𝑧2̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅ = 𝑧1̅ + 𝑧2̅ d) Se z1 e z2 são números complexos, então: 𝑧1𝑧2̅̅ ̅̅ ̅̅ = 𝑧1̅ ∙ 𝑧2̅ EXERCÍCIOS PROPOSTOS 19) Se z1 = 2 - 3i e z2 = 3 + 5i, determine: a) 1z , 2z , 1z + 2z e 1 2z z R: 𝑧1̅ = 2 + 3𝑖; 𝑧2̅ = 3 − 5𝑖; 𝑧1̅ + 𝑧2̅ = 5 − 2𝑖; 𝑧1 + 𝑧2̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅ = 5 − 2𝑖 b) 1z + 2z R: 𝑧 = 5 − 8𝑖 20) Calcule zz nos casos: a) z = 3 – 4i 25 c) z = -1 – i 2 b) z = 7i 49 x y 1 1 2 -2 3 -1 -2 Z 1 Z 3 0 4 5 Z 2 Z 5 Z 4 x y Z 1 Z 2 Z 1 Z 2 + P(a, b) a b 0 x y 1 1 2 -1 3 -1 -2 0 C B 2 A E D x y 0 z = a + bi z = a - bi -b b a 6 21) Dado z 0, determine 1 z na forma a + bi de tal modo que z . 1 z = 1 (questão proposta na pá- gina 4, tópico 6). R: 𝑎 𝑎2+𝑏2 − 𝑏 𝑎2+𝑏2 𝑖 22) Encontre 1 z , dado z = 1 + 2i. R: 1 5 − 2 5 𝑖 7 . DIVISÃO DE NÚMEROS COMPLEXOS O quociente 1 2 z z , entre dois números com- plexos, com 0 z2 , dado por 1 1 2 2 2 2 z z z z z z . EXERCÍCIOS PROPOSTOS 23) Efetue 1 2 z z sabendo que 1z = 1 + 2i e 2z = 2 + 5i. R: z = 12 29 − 1 29 𝑖 24) Efetue as divisões indicadas: a) 2 3i 1 2i R: z = 8 5 − 1 5 𝑖 c) 1 3i 1 - i R: 𝑧 = −1 + 2𝑖 b) 1 3 2i R: z = 3 13 − 2 13 𝑖 d) 1 i i R: 𝑧 = 1 − 𝑖 25) Em que quadrante fica o ponto corresponden- te ao número complexo 𝑧 = 2−𝑖35 3+𝑖 ? R = I quadrante (𝑍 = 7 10 + 7 10 𝑖) 26) Calcule: a) i 1 i - 1 + i 1 i 1 b) i i 2 - i 1 2i) - (1 2 R = 0 R: z = 9 2 − 3 2 𝑖 8 . MÓDULO DE NÚMERO COMPLEXO Geometricamente, o módulo de um número complexo é a distância da origem do sistema de coordenadas O(0, 0) ao afixo P de z. Aplicando o teorema de Pitágoras no triân- gulo OAP, temos: |z|2 = a2 + b2 ⟹ |z| = 22 b a Podemos dizer que, dado um número com- plexo z = a + bi, chama-se módulo de z e indica- se por z o número real positivo ou nulo dado por: z = 22 b a EXERCÍCIO PROPOSTO 27) Determine o módulo dos seguintes números complexos: a) z = 2 + 3i R: |z| = 13 d) z = 1 2 R: |z| = 1 2 b) z = 3i R: |z| = 3 e) z = -3 R: |z| = 3 c) z = -1 – 2i R: |z| = 5 f) z = 0 R: |z| = 0 8.1 Propriedade de módulo a) Se z é um número complexo, então: z z = 2 z b) Se z é um número complexo, então: z = z c) Se z é um número complexo, então: 21zz = 21 zz EXERCÍCIOS PROPOSTOS 28) Determine z tal que: a) z – i27 = 2z + i20 b) 2 z + i4 = z – 6i28 R: 𝑧 = −1 + 𝑖 R: z = -7 29) Trace o vetor correspondente a cada um dos números complexos abaixo e determine seu mó- dulo: a) z = 1 + 4i R: |z| = 17 c) z = 2 2 + 2 2 i R: |z| = 1 b) z = 5 – 3i R: |z| = 34 EXERCÍCIOS DE VESTIBULARES 30)(UEPA-2014) O matemático suíço Leonhard Euler (1707–1783) foi um dos mais profícuos ma- temáticos de todos os tempos. Dentre suas contri- buições tem-se ex.i = cos(x) + i.sen(x), conhe- cida como relação de Euler. Nessa relação, quando x for igual a . obtém-se e .i + 1 = 0, identidade que relaciona alguns dos mais importantes núme- ros da matemática. O módulo de e( /4).i, é: R: (c) (a) 0 (b) 1/2 (c) 1 (d) 3/2 (e) 2 31)(UFPA-2004) Sabe-se que o beijo pode fazer você viajar sem sair do lugar e aumentar o seu batimento cardíaco. Se considerarmos que a rela- ção intensidade do beijo (i) e batimento cardíaco (B) pode ser representado pela função B(i) = - i2 + 16i + 90, o batimento cardíaco máximo atingi- do será: R: (c) (a) 90 (b) 136 (c) 154 (d) 106 (e) 144 32)(UFRA-2004) Z1 e Z2 são números complexo tais, que z1 = 1 + 3i e z2 = 1 – i. O quociente entre Z1 e Z2 é igual a: R: (e) (a) i - 1 (c) 2 + 2i (e) 2i - 1 (b) 1 + i (d) 1 + 3i 33)(MARCK-SP) A solução da equação |z| + z = 2 + i é um número complexo cujo módulo é: (a) 5 4 (b) 5 (c) 1 (d) 5 5 (e) 5 2 R: (a) x y b a P(a, b) ou afixo de z = a + bi A 0 7 34)(Vunesp-SP) Seja L o afixo do número com- plexo a = 8 + i em um sistema de coordenadas cartesianas xOy. Determine o número complexo b, de módulo igual a 1, cujo afixo M pertence ao quarto quadrante e é tal que o ângulo LOM é reto. R: 1 3 − 2 2 3 𝑖 9 . FORMA TRIGONOMÉTRICA DOS NÚ- MEROS COMPLEXOS Sabemos que um número complexo 𝑎 + 𝑏𝑖 é representado por um ponto P do plano, de coor- denadas (𝑎, 𝑏). Essas são as coordenadas do ponto P. Veremos agora que esse mesmo ponto pode ser representado por suas coordenadas polares, que são: O módulo do vetor Oz , indicado por |z| ou ρ , representando a distância do ponto P à origem do plano (supondo |z| 0); O ângulo θ , em que 0 θ < 2 , que o vetor Oz forma com o eixo x. Esse ângulo θ é cha- mado argumento z e indicado por arg(z). Já vimos em trigonometria que: a cos θ |z| b sen θ |z| , com 0 θ 2 Essas igualdades levam a: cos θ = a |z| ⟹ a = |z| . cos θ sen θ = b |z| ⟹ b = |z| . sen θ substituindo esses valores em z = a + bi, temos: z = a + bi = |z| . cos θ + |z| . sen θi = = |z|(cos θ + i . sen θ ) Portanto: z = |z|(cos θ + i . sen θ ) que é chamada forma trigonométrica ou forma polar de z. Exemplo: Determine a representação geométrica e a forma trigonométrica do número complexo z = 1 + i. Resolução: z = 1 + i a = 1 e b = 1 Então: |z| = |1 + i| = 2 21 1 = 2 a 1 2 cos θ |z| 22 b 1 2 sen θ |z| 22 ⟹ θ = arg(z) = 4 Assim a forma trigonométrica de z é dada por: z = |z|(cos θ + i . sen θ ) = 2 4 sen . i 4 cos EXERCÍCIOS PROPOSTOS 35) Dê a representação geométrica e a forma trigonométrica dos seguintes números complexos: a) 3 + i R: 𝑧 = 2 (cos 𝜋 6 + 𝑖 ∙ sen 𝜋 6 ) b) - 3 + i R: 𝑧 = 2 (cos 5𝜋 6 + 𝑖 ∙ sen 5𝜋 6 ) c) 3 - i R: 𝑧 = 2 (cos 11𝜋 6 + 𝑖 ∙ sen 11𝜋 6 ) d) - 3 - i R: 𝑧= 2 (cos 7𝜋 6 + 𝑖 ∙ sen 7𝜋 6 ) e) 6i R: 𝑧 = 6(cos 𝜋 2 + 𝑖 ∙ sen 𝜋 2 ) f) 2 + 2i R: 𝑧 = 8(cos 𝜋 4 + 𝑖 ∙ sen 𝜋 4 ) g) 4 R: 𝑧 = 4(cos 0 + 𝑖 ∙ sen0 ) h) -i R: 𝑧 = (cos 3𝜋 2 + 𝑖 ∙ sen 3𝜋 2 ) i) (1 + i)(1 – i) R: 𝑧 = 2(cos 0 + 𝑖 ∙ sen0 ) 36) Escreva na forma algébrica os seguintes nú- meros complexos: a) 2 cos i.sen 6 6 R: z = 3 + 1 b) 5 0 i.sen 0 cos R: z = 5 c) 3 cos 2 + i. 3 sen 2 R: z = -i d) 3 3 2 cos i.sen 4 4 R: z = -1+i e) 3 cos i.sen 2 2 R: z = 3i 37) Determine o valor do arg(z) de z = -2 1 i 3 . R: 𝜃 = 2𝜋 3 38) Dados os números complexos z1 = 1 + 3 i e z2 = 3i: a) Coloque-os na forma trigonométrica; R: 𝑧1 = 2 (cos 𝜋 3 + 𝑖 ∙ sen 𝜋 3 ); 𝑧2 = 3 (cos 𝜋 2 + 𝑖 ∙ sen 𝜋 2 ) b) Efetue o produto z1z2 e coloque-o na forma trigonométrica. R: 𝑧1 ∙ 𝑧2 = 6 (cos 5𝜋6 + 𝑖 ∙ sen 5𝜋 6 ) EXERCÍCIO DE VESTIBULAR 39)(Vunesp-SP) Considere o número complexo u = 3 1 + i 2 2 , em que i = -1 . Encontre o número complexo v cujo módulo é igual a 2 e cujo argu- mento principal é o triplo do argumento de u. R: u = 2i 10 . MULTIPLICAÇÃO DE NÚMEROS COM- PLEXOS NA FORMA TRIGONOMÉTRICA Consideremos os números complexos z1 e z2, dados na forma trigonométrica: z1 = |z1|(cos 1θ + i . sen 1θ ) z2 = |z2|(cos 2θ + i . sen 2θ ) O produto z1z2 é dado por: z1z2 = |z1||z2|[cos ( 1θ + 2θ ) + i.sen ( 1θ + 2θ )] 8 Exemplo: Calcule o produto z1z2 com z1 = 2 cos i . sen 4 4 e z2 = 3 cos i . sen 2 2 . Resolução: Substituindo os dados do problema na fórmula, temos: z1z2 = 2 . 3 cos i . sen 4 2 4 2 = = 3 3 6 cos i . sen 4 4 . 11 . DIVISÃO DE NÚMEROS COMPLEXOS NA FORMA TRIGONOMÉTRICA Dados os números complexos z1 e z2, da- dos na forma trigonométrica: z1 = |z1|(cos 1θ + i . sen 1θ ) z2 = |z2|(cos 2θ + i . sen 2θ ) O quociente 1 2 z z é dado por: 2 1 z z = 1 2 |z | |z | [cos ( 1θ - 2θ ) + i.sen ( 1θ - 2θ )] Exemplo: Calcule o quociente 1 2 z z com z1 = 2 cos i . sen 4 4 e z2 = 4 cos i . sen 2 2 Resolução: Substituindo os dados do z1 e z2 na fórmula dada temos: 1 2 z z = 2 cos i . sen 3 4 2 4 2 = = 2 cos i . sen 3 4 4 = = 2 7 7 cos i . sen 3 4 4 . EXERCÍCIOS PROPOSTOS 40) Dados os números complexos z = 5 5 6 cos i . sen 6 6 e w = 3 cos i . sen 4 4 , calcule: a) zw R: 𝑧 = 18 (cos 13𝜋 12 + 𝑖 ∙ sen 13𝜋 12 ) b) w2 R: 𝑧 = 9(cos 𝜋 2 + 𝑖 ∙ sen 𝜋 2 ) c) z w R: 𝑧 = 2(cos 7𝜋 12 + 𝑖 ∙ sen 7𝜋 12 ) d) w z R: 𝑧 = 1 2 (cos 17𝜋 12 + 𝑖 ∙ sen 17𝜋 12 ) 41) Determine o número complexo z1, sabendo que z2 = 10 cos i . sen 9 9 e z1z2 = 20 3 17 17 cos i . sen 18 18 . R: 𝑧1 = 2 3(cos 5𝜋6 + 𝑖 ∙ sen 5𝜋 6 ) 12 . POTENCIAÇÃO DE NÚMEROS COM- PLEXOS NA FORMA TRIGONOMÉTRICA – A FÓRMULA DE DE MOIVRE1 A potência zn, 𝑛 ∈ ℕ∗, dada por 𝑧𝑛 = 𝑧 ∙ 𝑧 ∙ 𝑧 …𝑧⏟ 𝑛 𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 . Assim, se um número complexo z está es- crito na forma trigonométrica z = |z|(cos θ + i . sen θ ), temos: 𝑧𝑛 = 𝑧 ∙ 𝑧 ∙ 𝑧 …𝑧⏟ 𝑛 𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 = |𝑧| ∙ |𝑧| ∙ |𝑧| … |𝑧|⏟ 𝑛 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 [cos (𝜃 + 𝜃 +⋯+ 𝜃)⏟ 𝑛 𝑎𝑟𝑔𝑢𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 + 𝑖 ∙ sen (𝜃 + 𝜃 + ⋯+ 𝜃)⏟ 𝑛 𝑎𝑟𝑔𝑢𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 ⟹ ⟹ zn = n|z| [cos( nθ ) + i.sen( nθ )] (fórmula de De Moivre) Exemplo: Dado o número complexo z = 2 cos i . sen 4 4 , determine z7. Resolução: z7 = 7 2 cos i . sen 4 4 = = 72 cos 7. i . sen 7. 4 4 = = 7 7 128 cos i . sen 4 4 . EXERCÍCIOS PROPOSTOS 42) Calcule os valores das potências z2, z3 e z9, sabendo que z = 2 cos i . sen 3 3 . R: 𝑧2 = 4(cos 2𝜋 3 + 𝑖 ∙ sen 2𝜋 3 ) ; 𝑧3 = 8(cos 𝜋 + 𝑖 ∙ sen𝜋 ); 𝑧9 = 512(cos 3𝜋 + 𝑖 ∙ sen3𝜋 ) 43) Usando a fórmula de De Moivre, calcule as potências: a)(1 – i)3 R: 𝑧 = 2 2(cos 5𝜋 4 + 𝑖 ∙ sen 5𝜋 4 ) ou −2 − 2𝑖 b)(3 – 3i)5 R: 𝑧 = 972 2(cos 3𝜋 4 + 𝑖 ∙ sen 3𝜋 4 ) ou −972+ 972𝑖 c) 4(1 3i) R: 𝑧 = 16(cos 4𝜋 3 + 𝑖 ∙ sen 4𝜋 3 ) ou −8 + 8 3𝑖 d) 100(-1 - 3i) R: 𝑧 = 2100 (cos 4𝜋 3 + 𝑖 ∙ sen 4𝜋 3 ) ou −299 − 299 3𝑖 e)(-3i)17 R: 𝑧 = 317 (cos 3𝜋 2 + 𝑖 ∙ sen 3𝜋 2 ) ou −317𝑖 44) Sabendo que z1 = 2(cos 30 º + i.sen 30º) e z2 = 3(cos 150 º + i.sen 150º), determine: a) z1z2 R: −6 c) 3 1z R: 8𝑖 b) 1 2 z z R: − 1 3 − 3 3 𝑖 d) 99 2z R: 399𝑖 45) Calcule o valor das seguintes potências: a) 8 5 1 - i i R: 8𝑖 c) 200 3 - i 1 - i R: -299 + 299 3𝑖 b) 3 2 (1 i) (1 - i) R: −1 − 𝑖 1 Abraham de Moivre (1667-1754), matemático francês. 9 EXERCÍCIOS DE VESTIBULARES 46)(PUC-MG) O produto (a + bi)(3 + 2i) é um número real. O valor de 2a + 3b é: R: (c) (a) -3 (b) -2 (c) 0 (d) 2 (e) 3 47)(EEP-SP) No conjunto dos números comple- xos, 1 i 1 i vale: R: (a) (a) i (b) - i (c) 1 + 2i (d) 1 - 2i (e) nda 48)(UFRS) A forma a + bi de z = 1 2i 1 i é: (a) 1 3 i 2 2 (c) 1 2 i 2 3 (e) 1 3 i 2 2 (b) 1 3 i 2 2 (d) 1 2 i 2 3 R: (b) 49)(UFRS) Se z1 = 3 i e z2 = 3 3i , então z1z2 tem módulo e argumento, respectivamente, iguais a: (a) 2 3 e 30° (c) 3 2 e 60° (e) 4 3 e 60° (b) 3 2 e 30° (d) 4 3 e 30° R: (e) 50)(Fuvest-SP) A forma algébrica do número complexo z = 3 cos 4 + i . 3 sen 4 é: (a) 1 i 2 2 (c) 2 2 i 2 2 (e) -1 2 i 22 (b) 1 i 4 4 (d) 3 3 i 2 2 R: (e) 51)(FEI-SP) A representação trigonométrica do número complexo z = 1 + i é: (a) 2(cos 0 + i.sen 0) (b) 2 cos i . sen 2 2 (c) 2 cos i . sen 4 4 (d) 2 cos i . sen 4 4 (e) 2 cos i . sen 2 2 R: (d) 52)(Cefet-PR) A expressão 1 - i 1 i - 2i 1 3i , na qual ié a unidade imaginária, é igual a : (a) 3 6i - 5 (c) 1 + 2i (e) 2 4i 5 (b) 3 i 2 (d) -1 - 2i R: (a) 53)(FEI-SP) Escrevendo o número complexo z = 1 1 i + 1 1 i , na forma algébrica, temos: (a) 1 - i (b) i - 1 (c) 1 + i (d) i (e) 1 R: (e) 54)(FGV-SP) Seja o número complexo z = (x – 2i)2, no qual x é um número real. Se o argumento principal de z é 90º, então 1 z é: (a) i 8 (b) – 8i (c) 4i (d) -1 + 4i R: (a) 55) (FEI-SP) O módulo do número complexo z = 2 1 + i 1 - 2i é: R: (e) (a) 6 5 (b) 1 (c) 4 5 (d) 3 5 (e) 2 5 56)(USJT-SP) Se z = 1 + 3 i, em que i é a unidade imaginária, a forma algébrica de z6 é: (a) 40 (b) 48 (c) 56 (d) 64 (e) 72 R: (d) 57)(UFMG) O conjunto de todas as raízes com- plexas da equação x3 = -1 é: (a) {-1} (b) {1, -1} (c) -1, cos i . sen 3 3 (d) 3 i 3 i -1, , - 2 2 2 2 (e) 5 5 -1, cos i . sen , cos i . sen 3 3 3 3 R: (e) 58)(UFPA-2005) As raízes da equação 4 2z z 1 0 em conjunto com os números 1 e -1 formam os vértices de um hexágono regular no plano com- plexo, inscrito no círculo de raio 1 e de centro na origem. Um modo algébrico de calcular as raízes dessa equação começa com a representação do primeiro membro como diferença de dois quadra- dos: 4 2 2(z 2z 1) z 0 As raízes da equação 4 2z z 1 0 ou de sua equivalente 4 2 2(z 2z 1) z 0 são: (a) 1 5i, 1 5i, 1 2 5i, 1 2 5i (b) 1 3 1 3 3 1 3 1 i , i , i , i 2 2 2 2 2 2 2 2 (c) 3 1 3 1 3 1 3 1 i , i , i , i 2 2 2 2 2 2 2 2 (d) 2 2 2 2 2 2 2 2 i , i , i , i 2 2 2 2 2 2 2 2 (e) 1 3 1 3 1 3 1 3 i , i , i , i 2 2 2 2 2 2 2 2 R: (e) 59)(UFPA-2009) Um estudante aplicou a fórmu- la x = (-b± )/(2a) para encontrar raízes x1 e x2 da equação x² - 3x + (3+i) = 0, e ao calcular o termo = b² - 4ac, obteve -3 - 4i. Para extrair a raiz quadrada deste número procurou números reais r e s de modo que (r + is)² = -3 - 4i. Após 10 resolver o sistema real gerado por essa equação complexa, obteve como solução: (a) r + is = ±(1 + 2i), x1 = 2 + i, x2 = 1 + i. (b) r + is = ±(2 - i), x1 = 2-i, x2 = 1+i. (c) r + is = ±(1 - 2i), x1 = 1+i, x2 = 2-i. (d) r + is = ±(1 + 2i), x1 = 2+i, x2 = 1-i. (e) r + is = ±(2 - 2i), x1 = 2-i, x2 = 1+i. R: (c) “Por que nos torna tão pouco felizes esta maravi- lhosa ciência aplicada que economiza trabalho e torna a vida mais fácil? A resposta é simples: por- que ainda não aprendemos a nos servir dela com bom senso”. Albert Einstein. Para que serve a Matemática? -“Para que este sonho se torne realidade”, diz o arquiteto olhando a planta na sua prancheta de trabalho. -“Para interpretar os dados do computador de bordo e determinar a posição do avião”, observa o piloto. -“Necessito dela para estabelecer uma relação entre o mundo físico e sua representação gráfica quando faço um mapa”, responde o cartógrafo. -“Preciso investigar mediante procedimentos ma- temáticos a situação da empresa e do mercado antes de sugerir algum investimento”, exclama o administrador de empresas. -“Para interpretar estatisticamente os resultados de testes sobre o comportamento humano, como aprendizado, memória, motivação”, relata o psicó- logo. -“Para planejar a comida do paciente cujo médico prescreveu uma dieta com proteínas e hidrato de carbono na razão 7 : 4”, conclui o nutricionista do hospital. -“Para observar e acompanhar o registro das ativi- dades do coração do meu paciente” pensa o médi- co olhando um eletrocardiograma. -“Com auxílio de análises matemáticas posso su- gerir modificações que levem harmonia às popula- ções das grandes cidades, como o estudo dos flu- xos de trânsito para prevenir acidentes”, afirma o urbanista. -“Para planejar as vastas e complexas redes de comunicação modernas”, se orgulha o engenheiro. -“Para organizar o orçamento doméstico, acompa- nhar, interpretar e participar ética e consciente- mente da política do dia-a-dia responde o cidadão comum. TODA PROFISSÃO PRECISA DE MATEMÁTICA. Apostila atualizada em 4/2/2018 Gostou da Apostila? Você a encon- tra no Blog: http://gilssantos51.wix.com/inicio#!apostila s-de-matematica/cncg Link! Dê uma olhada.