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CalcGospel 國際數學圖譜
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FP1 2025 May Q5

A Level / Edexcel / FP1

IAL 2025 May Paper · Question 5

题目

Problem

The complex number z1z_1 is given by

z1= r(cos⁡7π6 +isin⁡7π6)\begin{align*} z_1 =&\,r\big(\cos \tfrac{7\pi}{6}\\ &\,\hspace{2pt}+\mathrm{i}\sin \tfrac{7\pi}{6}\big) \end{align*}

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 + b\mathrm{i} where aa and bb are constants.

(5)

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

(2)
题目中文翻译

复数 z1z_1 由下式给出

z1= r(cos⁡7π6 +isin⁡7π6)\begin{align*} z_1 =&\,r\big(\cos \tfrac{7\pi}{6}\\ &\,\hspace{2pt}+\mathrm{i}\sin \tfrac{7\pi}{6}\big) \end{align*}

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 + b\mathrm{i} 的形式,其中 aa 和 bb 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|=r、∣z2∣=5|z_2|=5,直接代入给定的乘积模即可。

答题过程

展开

Using ∣z1z2∣=∣z1∣∣z2∣|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), r=3r=3. Also,

cos⁡7π6=−32\cos\frac{7\pi}6=-\frac{\sqrt3}2

and

sin⁡7π6=−12.\sin\frac{7\pi}6=-\frac12.

Therefore,

z1= 3(cos⁡7π6+isin⁡7π6)= 3(−32−12i)= −332−32i.\begin{align*} z_1 =&\,3\bigg(\cos\frac{7\pi}{6} +\mathrm{i}\sin\frac{7\pi}{6}\bigg)\\ =&\,3\bigg(-\frac{\sqrt3}2-\frac12\mathrm{i}\bigg)\\ =&\,-\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.\begin{align*} -\frac32+b=&\,0\\ b=&\,\frac32. \end{align*}

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+32i\boxed{ z_2=\frac{\sqrt{91}}{2}+\frac32\mathrm{i} }

or

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

解法二

思路

展开

也可以使用三角形式。把 z2z_2 写成模为 5 的三角形式,由虚部相消求 sin⁡θ\sin\theta,再用 sin⁡2θ+cos⁡2θ=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(cos⁡θ+isin⁡θ).z_2=5(\cos\theta+\mathrm{i}\sin\theta).

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

3sin⁡7π6+5sin⁡θ=0.3\sin\frac{7\pi}{6}+5\sin\theta=0.

Therefore,

−32+5sin⁡θ= 05sin⁡θ= 32sin⁡θ= 310.\begin{align*} -\frac32+5\sin\theta=&\,0\\ 5\sin\theta=&\,\frac32\\ \sin\theta=&\,\frac3{10}. \end{align*}

Hence

 cos⁡θ= ±1−(310)2= ±9110.\begin{align*} &\,\cos\theta\\ =&\,\pm\sqrt{1-\bigg(\frac3{10}\bigg)^2}\\ =&\,\pm\frac{\sqrt{91}}{10}. \end{align*}

It follows that

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

(c)

解法一

思路

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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=−332−32i,z_1=-\frac{3\sqrt3}{2}-\frac32\mathrm{i},

and

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

and

z2=−912+32i.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.