Cómo resolver la ecuación [matemática] \ sin {z} = 2 [/ matemática] donde [matemática] z [/ matemática] es un número complejo

Tenemos

[matemáticas] \ dfrac {1} {2i} (e ^ {iz} -e ^ {- iz}) = 2 [/ matemáticas]

[matemáticas] e ^ {iz} -e ^ {- iz} = 4i [/ matemáticas]

[matemáticas] e ^ {2iz} -4ie ^ {iz} -1 = 0. [/ matemáticas]

Deje [math] x = e ^ {iz} [/ math] para que

[matemáticas] x ^ 2-4ix-1 = 0 [/ matemáticas]

Usando la fórmula cuadrática habitual,

[matemáticas] x = \ dfrac {4i \ pm \ sqrt {-16 + 4}} {2} [/ matemáticas]

[matemáticas] x = \ dfrac {4i \ pm 2i \ sqrt {3}} {2} [/ matemáticas]

[matemáticas] x = (2 \ pm \ sqrt {3}) i. [/ matemáticas]

Por lo tanto

[matemáticas] e ^ {iz} = (2 \ pm \ sqrt {3}) i [/ matemáticas]

[matemáticas] e ^ {iz} = (2 \ pm \ sqrt {3}) e ^ {i \ pi / 2 + 2 \ pi in}, \ quad n \ in \ mathbb {Z} [/ math]

[matemáticas] e ^ {iz} = e ^ {\ ln (2 \ pm \ sqrt {3}) + \ pi i (2n + 1/2)} [/ matemáticas]

[matemáticas] iz = \ ln (2 \ pm \ sqrt {3}) + \ pi i (2n + \ frac {1} {2}) [/ matemáticas]

[matemáticas] z = \ pi (2n + \ frac {1} {2}) – i \ ln (2 \ pm \ sqrt {3}), \ quad n \ in \ mathbb {Z}. [/ math]

Usando la identidad compleja,

[matemáticas] \ sin (z) = \ dfrac {e ^ {iz} -e ^ {- iz}} {2i} [/ matemáticas]

[matemáticas] \ dfrac {e ^ {iz} -e ^ {- iz}} {2i} = 2 [/ matemáticas]

[matemáticas] e ^ {2iz} -1 = 4ie ^ {iz} [/ matemáticas]

[matemáticas] e ^ {2iz} -4ie ^ {iz} -1 = 0… (i) [/ matemáticas]

Digamos,

[matemáticas] e ^ {iz} = p [/ matemáticas]

Entonces, (i) es equivalente a,

[matemáticas] p ^ 2-4ip-1 = 0 [/ matemáticas]

[matemáticas] p = \ dfrac {4i {\ pm} 2 \ sqrt {3} i} {2} [/ matemáticas]

[matemáticas] p = (2 \ pm \ sqrt {3}) i [/ matemáticas]

[matemáticas] e ^ {iz} = (2 \ pm \ sqrt {3}) i [/ matemáticas]

Tomando registro,

[matemáticas] iz = ln (i) + ln (2 \ pm \ sqrt {3}) [/ matemáticas]

[matemáticas] iz = 2n {\ pi} i + \ dfrac {i \ pi} {2} + ln (2 \ pm \ sqrt {3}) [/ matemáticas]

Que requiere

[matemáticas] z = 2n \ pi + \ dfrac {\ pi} {2} -i \ cdot ln (2 \ pm \ sqrt {3}) [/ matemáticas]

Pondré otra “inclinación” visual en la respuesta a esta pregunta.

A continuación se muestra la gráfica de y = sin (x) donde x puede ser complejo pero y tiene que ser real.

Tengo ay AXIS pero un COMPLEX x PLANE.

Usted ve que la gráfica básica en el plano x, y es la ROJA. Los otros gráficos son lo que yo llamo “Gráficos fantasma”.

He marcado el plano horizontal donde y = 2 y he marcado las posiciones

donde sin (x) = 2.

Estas, por supuesto, serán las posiciones físicas visuales de las soluciones dadas en las otras respuestas.

Si la idea te fascina, mira mi sitio web:

http://www.phantomgraphs.weebly.com

Es difícil escribir la respuesta, ya que estoy usando texto ordinario, pero aquí están los pasos:

  1. Escribir sen z = (exp (iz) -exp (-iz)) / 2i
  2. Reemplace exp (iz) por p (y exp (-iz) por 1 / p)
  3. Esto nos da la ecuación (p-1 / p) / 2i = 2. Resuelve esta ecuación compleja para p. Usa la fórmula de la ecuación cuadrática para encontrar p.
  4. z entonces viene dado por ln (p) / i.

¡Obviamente, la solución será compleja y complicada! ¡El método que he descrito muestra que existe una solución!

Por cierto, Mathematica da p = (2-sqrt (3)) * i, entonces z = ln ((2-sqrt (3)) * i) / i.