復数与平面几何的关系.doc
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复数与平面几何
一、复数的一些基本概念和性质
任何一个复数,都可以表示为下列形式:
,
其中, 是 的一个平方根 ,, 是两个实数, 称为 的实部, 称为 的虚部,记为
, 。
在复数平面上,复数 可以对应于一个坐标为 的点。
复数 也可以表示为下列三角形式和指数形式:
,
其中, 是一个非负实数,称为 的模,记为
,
是一个实数,称为 的幅角,记为
。
在复数平面上,复数 也可以对应于一个模长为 、方向与实数轴正方向夹角为 的向量。
可以用 表示一个模长为1 、与 同方向的单位向量。
复数 称为复数 的共轭,记为
或 。
当 对应于一个坐标为 的点时,它的共轭 对应于一个坐标为 点,这两个点关于实数轴互相对称。
当 对应于一个模长为 、方向为 的向量时,它的共轭 对应于一个模长为 、方向为 的向量。
与它的共轭 的乘积,等于 的模的平方,即有
。
所以 的模可以表示为
。
两个复数相加、相减,它们的实部、虚部分别相加、相减:
,
, 。
两个复数相乘,它们的模相乘、它们的幅角相加:
, , 。
两个复数相除,它们的模相除、它们的幅角相减:
, , 。
复数作加、减、乘、除运算后取共轭,等于先取共轭后再作加、减、乘、除运算:
, , 。
二、怎样用复数表示平面几何中的点、线、向量、角度
因为一个复数 可以对应于复数平面上一个坐标为 的点,所以,平面上任何一个点,都可以表示为一个与它对应的复数。通常用一个大写字母表示平面上一个点,用同一个字母的小写表示与这个点对应的复数。例如,与点 对应的复数记为 ,与点 对应的复数记为 。
因为平面上一条线段或直线 可以由它的两个端点、 确定,所以可以用与端点、 对应的复数 、 来表示线段或直线 。
如果只需要表示线段或直线的长度和方向,不需要确定线段或直线的位置,则可以把线段或直线 表示为复数 或复数 的形式。
实际上, 代表的是一个从 指向 的向量 。
线段 的长度就是 的模长:
,
线段 的方向就是 对应的向量的方向,即 的幅角 。
线段 与 长度相等,即 ,可以用复数表示为
,
也可以等价地表示为
。
平面上一个角 可以由它的两条边、 确定,所以 的大小可以用与 、 对应的复数 、 表示为
。
两个角 与 相等,即 ,可以用复数表示为
,
这等价于
或 ,其中 是一个正的实数。
两个角 与 互补,即 ,可以用复数表示为
,
这等价于
或 ,其中 是一个负的实数。
三、怎样用复数表示平面上两条线的平行、垂直
设平面上有两条线 和 ,与它们对应的复数为、。
和 这两条线平行,即 的充分必要条件是 、 的幅角相等或互补,所以 可以用复数表示为
,其中 是一个实数。
由于 是一个实数,所以它与它的共轭相等,因此 又可以表示为
,即 。
和 这两条线垂直,即 的充分必要条件是 、 的幅角相差 或 ,所以 可以用复数表示为
,其中 是一个纯虚数。
由于 是一个纯虚数,所以它与它的共轭正负相反,因此 又可以表示为
,即 。
四、怎样用复数表示三点共线、三线共点、四点共圆
设 、、 是平面上的三个点,与它们对应的复数为 、、 。
、、 三点共线的充分必要条件是 ,所以、、 三点共线可以用复数表示为
,其中 是一个实数。
因为 是一个实数,所以 、、 三点共线也可以表示为
,即 。
设 、、 是平面上的三条直线,与它们对应的复数为、、 。
这三条直线共点的充分必要条件是,有一个点 ,同时落在 、、 上。设与 对应的复数为 ,则它必须同时满足下列三个方程
, , 。
这三个方程组成的方程组有解,也就是 、、 三线共点的充分必要条件是
。
设 、、、 是平面上的四个点,与它们对应的复数为 、、、 。
、、、 四点共圆的充分必要条件是 与 相等或互补,即 或 ,所以、、、 四点共圆的充分必要条件可以用复数表示为
,其中 是一个实数。
五、看一个例子,说明怎样用复数证明平面几何问题
例 如图,设 , 两个圆交于 、 两点。过 点作一直线,与圆 交于 点,与圆 交于 点。过 点作一直线,与圆 交于 点,与圆 交于 点。 证明: 。
证 设与 、、、、、 对应的复数为 、、、、、 。
因为 、、、 四点共圆,所以
, 即有 ,其中 是一个实数。
因为 、、、 四点共圆,所以
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