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CalcGospel 國際數學圖譜
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FP2 2021 Oct Q1

A Level / Edexcel / FP2

IAL 2021 Oct Paper · Question 1

题目

Problem

1. Solve the equation

z5−32i= 0.\begin{align*} z^5-32\mathrm{i}=&\,0. \end{align*}

giving each answer in the form reiθr\mathrm{e}^{\mathrm{i}\theta} where 0<θ<2π0 < \theta < 2\pi

(4)
题目中文翻译

1. 解方程

z5−32i= 0.\begin{align*} z^5-32\mathrm{i}=&\,0. \end{align*}

将每个答案写成 reiθr\mathrm{e}^{\mathrm{i}\theta} 的形式,其中 0<θ<2π0<\theta<2\pi。

(4)

解答

解法一

思路

展开

把 32i32\mathrm{i} 写成 exponential form,再取五次方根。因为五次方根在 Argand diagram 上平均分布,所以 argument 每次相差

2π5.\begin{align*} \frac{2\pi}{5}. \end{align*}

题目要求 0<θ<2π0<\theta<2\pi,所以最后要列出这个范围内的五个角。

答题过程

展开

From

z5−32i=0,\begin{align*} z^5-32\mathrm{i}=0, \end{align*}

we have

z5=32i.\begin{align*} z^5=32\mathrm{i}. \end{align*}

Now

32i=32eπ2i.\begin{align*} 32\mathrm{i}=32\mathrm{e}^{\frac{\pi}{2}\mathrm{i}}. \end{align*}

Let

z=reiθ.\begin{align*} z=r\mathrm{e}^{\mathrm{i}\theta}. \end{align*}

Then

z5=r5e5iθ.\begin{align*} z^5=r^5\mathrm{e}^{5\mathrm{i}\theta}. \end{align*}

So

r5=32,\begin{align*} r^5=32, \end{align*}

giving

r=2.\begin{align*} r=2. \end{align*}

For the arguments,

5θ=π2+2kπ,\begin{align*} 5\theta=\frac{\pi}{2}+2k\pi, \end{align*}

where kk is an integer. Hence

θ= π10+2kπ5.\begin{align*} \theta =&\,\frac{\pi}{10}+\frac{2k\pi}{5}. \end{align*}

The values in the range 0<θ<2π0<\theta<2\pi are

θ= π10,π2, 9π10,13π10, 17π10.\begin{align*} \theta=&\,\frac{\pi}{10},\quad\frac{\pi}{2},\\[4mm] &\,\hspace{2pt}\frac{9\pi}{10},\quad\frac{13\pi}{10},\\[4mm] &\,\hspace{4pt}\frac{17\pi}{10}. \end{align*}

Therefore the five roots are

z1= 2eπ10i,z2= 2eπ2i,z3= 2e9π10i,z4= 2e13π10i,z5= 2e17π10i.\begin{align*} z_1=&\,2\mathrm{e}^{\frac{\pi}{10}\mathrm{i}},\\[4mm] z_2=&\,2\mathrm{e}^{\frac{\pi}{2}\mathrm{i}},\\[4mm] z_3=&\,2\mathrm{e}^{\frac{9\pi}{10}\mathrm{i}},\\[4mm] z_4=&\,2\mathrm{e}^{\frac{13\pi}{10}\mathrm{i}},\\[4mm] z_5=&\,2\mathrm{e}^{\frac{17\pi}{10}\mathrm{i}}. \end{align*}