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IAL 2025 May FP1 Q5

A Level / Edexcel / FP1

IAL 2025 May Paper · Question 5

Question

Problem

The complex number z1z_1 is given by

z1=r(cos7π6+isin7π6)z_1 = r\left(\cos \frac{7\pi}{6} + i \sin \frac{7\pi}{6}\right)

where rr is a positive constant.

The complex number z2z_2 has modulus 5.

Given that z1z2=15|z_1 z_2| = 15

(a) state the value of rr.

(1)

Given further that z1+z2z_1 + z_2 is a real number,

(b) determine the possible complex numbers z2z_2 in the form a+bia + bi where aa and bb are constants.

(5)

(c) Show z1z_1 and the possible complex numbers z2z_2 on a single Argand diagram.

(2)

中文翻译

复数 z1z_1 由下式给出

z1=r(cos7π6+isin7π6)z_1 = r\left(\cos \frac{7\pi}{6} + i \sin \frac{7\pi}{6}\right)

其中 rr 是正常数。

复数 z2z_2 的模为 5。

已知 z1z2=15|z_1 z_2| = 15

(a) 写出 rr 的值。

(1)

进一步已知 z1+z2z_1 + z_2 是实数,

(b) 求可能的复数 z2z_2,写成 a+bia + bi 的形式,其中 aabb 是常数。

(5)

(c) 在同一幅 Argand 图上画出 z1z_1 和可能的复数 z2z_2

(2)

解答

(a)

解法一

思路

展开

复数乘积的模等于两复数模的乘积。这里 z1=r|z_1|=rz2=5|z_2|=5,直接代入给定的乘积模即可。

答题过程

展开

Using z1z2=z1z2|z_1z_2|=|z_1||z_2|,

5r=15.5r=15.

Since rr is positive,

r=3.\boxed{r=3}.

(b)

解法一

思路

展开

先把 z1z_1 化为直角坐标形式。设 z2=a+biz_2=a+b\mathrm{i},由 z1+z2z_1+z_2 是实数可令虚部为零,求出 bb;再利用 z2=5|z_2|=5 求出实部的两个可能值。

答题过程

展开

From part (a),

z1=3(cos7π6+isin7π6)=33232i.\begin{align*} z_1 =&\,3\left(\cos\frac{7\pi}{6} +\mathrm{i}\sin\frac{7\pi}{6}\right)\\ =&\,-\frac{3\sqrt3}{2}-\frac32\mathrm{i}. \end{align*}

Let z2=a+biz_2=a+b\mathrm{i}. Since z1+z2z_1+z_2 is real, its imaginary part is zero:

32+b=0b=32.-\frac32+b=0 \quad\Longrightarrow\quad b=\frac32.

Also, z2=5|z_2|=5, so

a2+b2=25a2+94=25a2=914.\begin{align*} a^2+b^2=&\,25\\ a^2+\frac94=&\,25\\ a^2=&\,\frac{91}{4}. \end{align*}

Thus a=±912a=\pm\frac{\sqrt{91}}{2}, giving

z2=912+32iorz2=912+32i.\boxed{ z_2=\frac{\sqrt{91}}{2}+\frac32\mathrm{i} \quad\text{or}\quad z_2=-\frac{\sqrt{91}}{2}+\frac32\mathrm{i} }.

解法二

思路

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官方评分资料也给出三角形式路线。把 z2z_2 写成模为 5 的三角形式,由虚部相消求 sinθ\sin\theta,再用 sin2θ+cos2θ=1\sin^2\theta+\cos^2\theta=1 得到余弦的正负两个可能值。

答题过程

展开

Write

z2=5(cosθ+isinθ).z_2=5(\cos\theta+\mathrm{i}\sin\theta).

Since the imaginary part of z1+z2z_1+z_2 is zero,

3sin7π6+5sinθ=0.3\sin\frac{7\pi}{6}+5\sin\theta=0.

Therefore,

32+5sinθ=0sinθ=310.-\frac32+5\sin\theta=0 \quad\Longrightarrow\quad \sin\theta=\frac3{10}.

Hence

cosθ=±1(310)2=±9110.\cos\theta =\pm\sqrt{1-\left(\frac3{10}\right)^2} =\pm\frac{\sqrt{91}}{10}.

It follows that

z2=5(±9110+310i)=±912+32i.\begin{align*} z_2 =&\,5\left( \pm\frac{\sqrt{91}}{10} +\frac3{10}\mathrm{i}\right)\\ =&\,\boxed{ \pm\frac{\sqrt{91}}{2}+\frac32\mathrm{i} }. \end{align*}

(c)

解法一

思路

展开

在同一 Argand 图上标出三个复数:z1z_1 位于第三象限,模为 3;两个可能的 z2z_2 分别位于第一、第二象限,模均为 5。因为 z1<z2|z_1|<|z_2|z1z_1 应画得最靠近原点。

答题过程

展开

The three points to be shown are

z1=33232i,z_1=-\frac{3\sqrt3}{2}-\frac32\mathrm{i},

and

z2=912+32i,z2=912+32i.z_2=\frac{\sqrt{91}}{2}+\frac32\mathrm{i}, \qquad z_2=-\frac{\sqrt{91}}{2}+\frac32\mathrm{i}.

Thus z1z_1 lies in the third quadrant and is the closest point to the origin. The two possible values of z2z_2 lie symmetrically in the first and second quadrants.