Cómo encontrar [matemáticas] (a, b) [/ matemáticas] si [matemáticas] (a + ib) ^ 5 = (b + ia)

A2A

Primero, notaremos la solución obvia, donde [matemáticas] (a, b) = (0,0) [/ matemáticas]

Entonces, si [matemáticas] a + ib \ ne 0 [/ matemáticas]

[matemáticas] \ existe! (r, \ theta) \ in \ mathbb R ^ {* +} \ times (- \ pi, pi], \ forall k \ in \ mathbb N, a + ib = re ^ {i \ theta + 2k \ pi i } = r \ cos \ theta + ri \ sin \ theta [/ math]

Tenga en cuenta que

[matemáticas] a = r \ cos \ theta [/ matemáticas]

[matemáticas] b = r \ sin \ theta [/ matemáticas]

[matemáticas] a ^ 2 + b ^ 2 = r ^ 2 \ cos ^ 2 \ theta + r ^ 2 \ sin ^ 2 \ theta = r ^ 2 (\ cos ^ 2 \ theta + \ sin ^ 2 \ theta) = r ^ 2 [/ matemáticas]

Por la misma razón

[matemáticas] \ existe! (q, \ omega) \ in \ mathbb R ^ {* +} \ times (- \ pi, pi], \ forall p \ in \ mathbb N, a + ib = qe ^ {i \ omega + 2p \ pi i } = q \ cos \ theta + qi \ sin \ theta [/ math]

Y

[matemáticas] b ^ 2 + a ^ 2 = q ^ 2 = r ^ 2 [/ matemáticas]

Como [math] (q, r) \ in \ mathbb R ^ {* +} \ times \ mathbb R ^ {* +}, q = r [/ math]

[matemáticas] \ begin {align} \ begin {cases} \ cos \ theta = \ sin \ omega \\ \ sin \ theta = \ cos \ omega \ end {cases} & \ Leftrightarrow \ cos \ theta \ sin \ omega + \ sin \ theta \ cos \ omega = \ cos ^ 2 \ theta + \ sin ^ 2 \ theta = 1 \\ & \ Leftrightarrow \ sin (\ theta + \ omega) = 1 \\ & \ Leftrightarrow \ theta + \ omega = \ frac {\ pi} {2} \ end {align} [/ math]

Entonces

[matemáticas] \ begin {align} (a + ib) ^ 5 = b + ai & \ Leftrightarrow (re ^ {i (\ theta + 2k \ pi)}) ^ 5 = re ^ {i (\ omega + 2p \ pi)} \\ & \ Leftrightarrow r ^ 5e ^ {i (5 \ theta + 10k \ pi)} = re ^ {i (\ omega + 2p \ pi)} \\ & \ Leftrightarrow \ begin {cases} r ^ 5 = r \\ e ^ {i (5 \ theta + 10k \ pi)} = e ^ {i (\ omega + 2p \ pi)} \ end {cases} \\ & \ Leftrightarrow \ begin {cases} r ^ 4 = 1 \\ 5 \ theta + 10k \ pi = \ omega + 2p \ pi \ end {cases} \\ & \ Leftrightarrow \ begin {cases} r = 1 \\ \ frac {\ pi} {2} – \ theta = 5 \ theta + 2 (5k-p) \ pi \ end {cases} \\ & \ Leftrightarrow \ begin {cases} r = 1 \\ 6 \ theta = \ frac {\ pi} {2} – 2 ( 5k-p) \ pi \ end {cases} \\ & \ Leftrightarrow \ begin {cases} r = 1 \\ \ theta = \ frac {\ pi} {12} – \ frac {5k-p} {3} \ pi \ end {cases} \\ & \ Leftrightarrow \ begin {cases} r = 1 \\ \ theta \ in \ {- \ frac {11 \ pi} {12}, – \ frac {7 \ pi} {12} , – \ frac {3 \ pi} {12}, \ frac {\ pi} {12}, \ frac {5 \ pi} {12}, \ frac {9 \ pi} {12} \} \ end {casos } \ end {align} [/ math]

[matemática] a = \ cos \ theta [/ matemática], [matemática] b = [/ matemática] [matemática] \ sin \ theta [/ matemática], con [matemática] \ theta \ in \ {- \ frac {11 \ pi} {12}, – \ frac {7 \ pi} {12}, – \ frac {3 \ pi} {12}, \ frac {\ pi} {12}, \ frac {5 \ pi} {12 }, \ frac {9 \ pi} {12} \} [/ math]

Tome el módulo en ambos lados para concluir que [matemáticas] a ^ 2 + b ^ 2 = 1 [/ matemáticas] o a = b = 0.

Luego multiplique por (a + ib) para concluir que [matemáticas] (a + ib) ^ 6 = i [/ matemáticas].

Luego toma la sexta raíz para encontrar las seis soluciones.

[matemáticas] (a + bi) ^ 5 = b + ai [/ matemáticas]

Comencemos señalando que hay una solución trivial [matemática] a = b = 0. [/ matemática] De aquí en adelante, centrémonos en [matemática] a + bi \ ne 0. [/ Matemática]

Tomando magnitudes al cuadrado,

[matemáticas] (a ^ 2 + b ^ 2) ^ 5 = b ^ 2 + a ^ 2 [/ matemáticas]

[matemáticas] (a ^ 2 + b ^ 2) ^ 4 = 1 [/ matemáticas]

[matemáticas] | a + bi | = 1 [/ matemáticas]

Entonces ahora sabemos que estamos en el círculo de la unidad. Buscamos ángulos que nos den una solución.

Digamos [math] t = \ angle (a + bi). [/ Math] La quinta potencia multiplica el ángulo por cinco:

[matemáticas] \ ángulo (a + bi) ^ 5 = 5t [/ matemáticas]

Ahora necesitamos relacionar [matemáticas] \ ángulo (b + ai) [/ matemáticas] a [matemáticas] t. [/ Matemáticas] Estas están relacionadas por una reflexión a través de la línea de 45 grados [matemáticas] y = x. [/ math] Trabajaremos en grados para mayor facilidad.

[matemáticas] \ ángulo (b + ai) = 90 – t [/ matemáticas]

Esto funciona en el primer cuadrante, pero ¿qué pasa con los otros? 225 grados deben mapearse a sí mismo. [matemáticas] 90-225 = -135 = 225 \ quad \ marca de verificación. [/ matemáticas] Dado que los ángulos se ajustan cada 360 grados, nuestra fórmula cubre todos los cuadrantes. Agreguemos [math] 360k [/ math] para el entero [math] k [/ math] para permitir este ajuste:

[matemáticas] 5t = 90 – t + 360 k [/ matemáticas]

[matemáticas] 6t = 90 + 360k [/ matemáticas]

[matemáticas] t = 15 + 60k [/ matemáticas]

Entonces encontramos nuestros ángulos. Hay seis de ellos: 15, 75, 135, 195, 255, 315.

Según la fórmula de Euler, nuestras seis soluciones son

[matemáticas] a = \ cos (15 + 60k) [/ matemáticas]

[matemáticas] b = \ sin (15 + 60k) [/ matemáticas]

El giro aquí es que las funciones trigonométricas de 15 deben ser obtenidas por la fórmula de medio ángulo que usa el coseno de 30. Nota [matemática] \ cos 30 = \ sqrt {3} / 2. [/ Matemática]

[matemáticas] \ cos 15 = \ sqrt {(1+ \ sqrt {3} / 2) / 2} = \ sqrt {2 + \ sqrt {3}} / 2 [/ matemáticas]

[matemáticas] \ sin 15 = \ sqrt {(1- \ sqrt {3} / 2) / 2} = \ sqrt {2- \ sqrt {3}} / 2 [/ matemáticas]

Denotemos las soluciones como [math] a + bi [/ math] y escriba nuestra primera solución no competitiva como

[matemáticas] a + bi = \ cos 15 + i \ sin 15 = \ sqrt {2+ \ sqrt {3}} / 2 + i \ sqrt {2 – \ sqrt {3}} / 2 [/ matemáticas]

195 grados también está en la lista, por lo que obtenemos la negación de esto como otra solución:

[matemáticas] a + bi = – \ sqrt {2+ \ sqrt {3}} / 2 – i \ sqrt {2 – \ sqrt {3}} / 2 [/ matemáticas]

75 grados es un ángulo complementario de 15 grados, por lo que el seno y el coseno se intercambian. 255 grados da la negación. Escribamos ambos a la vez como

[matemáticas] a + bi = \ pm (\ sqrt {2 – \ sqrt {3}} / 2 + i \ sqrt {2+ \ sqrt {3}} / 2) [/ matemáticas]

Eso deja 135 y 315, también negaciones:

[matemáticas] a + bi = \ pm (- 1 / \ sqrt {2} + i / \ sqrt {2}) [/ matemáticas]

Eso es todo de ellos.

Cheque.

Comprobaremos una pareja; si esos funcionan el resto también debería hacerlo.

[matemáticas] (- 1 / \ sqrt {2} + i / \ sqrt {2}) ^ 5 = (e ^ {135 ^ \ circ i}) ^ 5 = e ^ {675 ^ \ circ i} = e ^ {-45 ^ \ circ i} = 1 / \ sqrt {2} – i / \ sqrt {2} \ quad \ checkmark [/ math]

[matemáticas] (\ sqrt {2 + \ sqrt {3}} / 2 + i \ sqrt {2 – \ sqrt {3}} / 2) ^ 5 = (e ^ {15 ^ \ circ i}) ^ 5 = e ^ {75 ^ \ circ i} = \ sqrt {2- \ sqrt {3}} / 2 + i \ sqrt {2+ \ sqrt {3}} / 2 \ quad \ checkmark [/ math]

poner b = a

(a + ia) ^ 5 = a + ia

a + ia = 1

a (1 + i) = 1

a = 1 / (1 + i) = ½ (1-i) = b, por simetría