Mathematics · Buku 2 · Grades 10–12

Matematika Sekolah Menengah Atas

Matematika Sekolah Menengah Atas · Grades 10–12

28Bilangan Kompleks

Persamaan x2=1x^2 = -1 tak punya penyelesaian real. Memperbesar R\R dengan satu bilangan baru i\iu yang kuadratnya 1-1 menghasilkan lapangan C\C berisi bilangan kompleks, dan di dalamnya setiap persamaan suku banyak punya penyelesaian — lagi pula aritmetikanya menyandikan geometri bidang: geseran, putaran dan penskalaan menjadi penjumlahan dan perkalian.

28.1 Bentuk aljabar

Definisi 28.1 (Bilangan kompleks)

Himpunan bilangan kompleks adalah

C={a+ib:a,bR},\C = \{a + \iu b : a, b \in \R\},

dengan i\iu sebuah lambang yang tunduk pada satu kaidah i2=1\iu^2 = -1; penjumlahan dan perkaliannya dikerjakan seperti pada suku banyak real dalam i\iu, dengan menyusutkan i2\iu^2 menjadi 1-1. Bilangan real aa dan bb disebut bagian real Re(z)\Rea(z) dan bagian imajiner Im(z)\Ima(z) dari z=a+ibz = a + \iu b; ungkapan ini disebut bentuk aljabar dari zz, dan bentuk itu tunggal: a+ib=a+iba + \iu b = a' + \iu b' jika dan hanya jika a=aa = a' dan b=bb = b'.

Contoh 28.2

(2+3i)(1i)=22i+3i3i2=5+i(2 + 3\iu)(1 - \iu) = 2 - 2\iu + 3\iu - 3\iu^2 = 5 + \iu.

Definisi 28.3 (Konjugat)

Konjugat dari z=a+ibz = a + \iu b adalah z=aib\conj{z} = a - \iu b.

Proposisi 28.4 (Sifat pengonjugatan)

Untuk semua z,wCz, w \in \C:

z+w=z+w,zw=zw,z=z,z+z=2Re(z),zz=2iIm(z),\conj{z + w} = \conj z + \conj w, \quad \conj{zw} = \conj z\,\conj w, \quad \conj{\conj z} = z, \quad z + \conj z = 2\Rea(z), \quad z - \conj z = 2\iu\,\Ima(z),

dan zz=a2+b20z\conj z = a^2 + b^2 \geq 0 untuk z=a+ibz = a + \iu b. Lagi pula zRz \in \R jika dan hanya jika z=zz = \conj z.

Bukti. Semuanya perhitungan langsung dari bentuk aljabarnya; misalnya zz=(a+ib)(aib)=a2(ib)2=a2+b2z\conj z = (a + \iu b)(a - \iu b) = a^2 - (\iu b)^2 = a^2 + b^2.

Metode 28.5 (Membagi bilangan kompleks)

Untuk menulis hasil bagi dalam bentuk aljabar, kalikanlah pembilang dan penyebutnya dengan konjugat penyebutnya:

12+i=2i(2+i)(2i)=2i5=2515i.\frac{1}{2 + \iu} = \frac{2 - \iu}{(2+\iu)(2-\iu)} = \frac{2 - \iu}{5} = \frac25 - \frac15\iu .

Karena itu setiap bilangan kompleks tak nol punya balikan: C\C adalah sebuah lapangan.

28.2 Bidang kompleks, modulus dan argumen

Definisi 28.6 (Afiks, modulus)

Pada bidang berkoordinat ortonormal, titik M(a,b)M(a, b) disebut bayangan dari z=a+ibz = a + \iu b, dan zz disebut afiks MM. Modulus dari zz adalah jarak MM ke titik asalnya:

z=a2+b2=zz.\abs{z} = \sqrt{a^2 + b^2} = \sqrt{z\conj z}.
Titik M(a,b) berafiks z: modulusnya z adalah panjang OM, dan konjugatnya z adalah pencerminan z pada sumbu realnya.
Titik M(a,b)M(a,b) berafiks zz: modulusnya z\abs z adalah panjang OMOM, dan konjugatnya z\conj z adalah pencerminan zz pada sumbu realnya.

Proposisi 28.7 (Sifat modulus)

Untuk z,wCz, w \in \C:

zw=zw,zw=zw (w0),z=z,z+wz+w (ketaksamaan segitiga).\abs{zw} = \abs z\,\abs w, \qquad \abs{\tfrac zw} = \tfrac{\abs z}{\abs w}\ (w \neq 0), \qquad \abs{\conj z} = \abs z, \qquad \abs{z + w} \leq \abs{z} + \abs{w} \ \text{(ketaksamaan segitiga)}.

Lagi pula zBzA\abs{z_B - z_A} adalah jarak antara titik yang berafiks zAz_A dan zBz_B.

Bukti. zw2=zwzw=zzww=z2w2\abs{zw}^2 = zw\,\conj{zw} = z\conj z\, w \conj w = \abs z^2 \abs w^2 memberi yang pertama; yang kedua dan ketiga serupa. Untuk ketaksamaan segitiganya:

z+w2=(z+w)(z+w)=z2+w2+2Re(zw)z2+w2+2zw=(z+w)2,\abs{z+w}^2 = (z+w)(\conj z + \conj w) = \abs z^2 + \abs w^2 + 2\Rea(z \conj w) \leq \abs z^2 + \abs w^2 + 2\abs{z\conj w} = \bigl(\abs z + \abs w\bigr)^2,

dengan memakai Re(u)u\Rea(u) \leq \abs u. Pernyataan jaraknya adalah rumus Pythagoras yang diterapkan pada koordinat zBzAz_B - z_A.

Definisi 28.8 (Argumen, bentuk trigonometri dan bentuk eksponen)

Misalkan z0z \neq 0. Suatu argumen dari zz, yang ditulis arg(z)\Arg(z), adalah sebarang ukuran θ\theta bagi sudut dari sumbu real positif ke sinar OMOM; ukuran itu tertentu sampai pada 2kπ2k\pi. Dengan menulis r=zr = \abs z,

z=r(cosθ+isinθ)(bentuk trigonometri).z = r(\cos\theta + \iu\sin\theta) \qquad\text{(bentuk trigonometri)}.

Dengan memperkenalkan lambang

eiθ=cosθ+isinθ,\eu^{\iu\theta} = \cos\theta + \iu\sin\theta,

ini menjadi bentuk eksponen z=reiθz = r\,\eu^{\iu\theta}.

Bentuk eksponen: z ditentukan oleh jaraknya r ke titik asal dan sudutnya  dari sumbu real positif.
Bentuk eksponen: zz ditentukan oleh jaraknya rr ke titik asal dan sudutnya θ\theta dari sumbu real positif.

Teorema 28.9

Untuk semua θ,θR\theta, \theta' \in \R:

eiθeiθ=ei(θ+θ),eiθ=eiθ,eiθ=1.\eu^{\iu\theta}\,\eu^{\iu\theta'} = \eu^{\iu(\theta + \theta')}, \qquad \conj{\eu^{\iu\theta}} = \eu^{-\iu\theta}, \qquad \abs{\eu^{\iu\theta}} = 1 .

Akibatnya, untuk z=reiθz = r\eu^{\iu\theta} dan z=reiθz' = r'\eu^{\iu\theta'} yang tak nol:

zz=rrei(θ+θ),zz=rrei(θθ):zz' = rr'\,\eu^{\iu(\theta+\theta')}, \qquad \frac{z}{z'} = \frac{r}{r'}\,\eu^{\iu(\theta - \theta')} :

modulusnya mengalikan, argumennya menjumlahkan.

Bukti. Identitas pertamanya adalah sepasang rumus penjumlahan (Proposisi 24.3):

(cosθ+isinθ)(cosθ+isinθ)=(cosθcosθsinθsinθ)+i(sinθcosθ+cosθsinθ).(\cos\theta + \iu\sin\theta)(\cos\theta' + \iu\sin\theta') = (\cos\theta\cos\theta' - \sin\theta\sin\theta') + \iu(\sin\theta\cos\theta' + \cos\theta\sin\theta').

Sisanya menyusul lewat perhitungan langsung.

Akibat 28.10 (Rumus De Moivre)

Untuk θR\theta \in \R dan nZn \in \Z: (cosθ+isinθ)n=cosnθ+isinnθ\bigl(\cos\theta + \iu\sin\theta\bigr)^n = \cos n\theta + \iu \sin n\theta.

Bukti. Induksi pada n0n \geq 0 dengan memakai Teorema 28.9; lalu perluas ke n<0n < 0 dengan mengambil balikannya.

Metode 28.11 (Berpindah antarbentuk)

Dari aljabar ke eksponen: hitunglah r=zr = \abs z, lalu carilah θ\theta dengan cosθ=ar\cos\theta = \frac ar, sinθ=br\sin\theta = \frac br (tentukan dahulu kuadran yang benar sebelum memanggil kosinus balikannya). Dari eksponen ke aljabar: jabarkan rcosθ+irsinθr\cos\theta + \iu\, r\sin\theta. Pakailah bentuk aljabar untuk penjumlahan, dan bentuk eksponen untuk perkalian, pemangkatan dan pembagian.

Contoh 28.12

z=1+iz = 1 + \iu: z=2\abs z = \sqrt2 dan cosθ=sinθ=12\cos\theta = \sin\theta = \frac{1}{\sqrt2}, jadi θ=π4\theta = \frac\pi4 dan z=2eiπ/4z = \sqrt2\,\eu^{\iu\pi/4}. Karena itu z20=210e5iπ=1024z^{20} = 2^{10}\,\eu^{5\iu\pi} = -1024.

28.3 Persamaan derajat dua dan akar satuan

Teorema 28.13 (Persamaan kuadrat berkoefisien real)

Misalkan a,b,cRa, b, c \in \R, a0a \neq 0, dan Δ=b24ac\Delta = b^2 - 4ac. Persamaan az2+bz+c=0az^2 + bz + c = 0 mempunyai penyelesaian di C\C:

Δ>0: z=b±Δ2a (dua yang real);Δ=0: z=b2a (kembar);Δ<0: z=b±iΔ2a (dua yang berkonjugat).\begin{aligned} &\Delta > 0:\ z = \frac{-b \pm \sqrt{\Delta}}{2a} \ (\text{dua yang real}); \qquad \Delta = 0:\ z = \frac{-b}{2a} \ (\text{kembar}); \\ &\Delta < 0:\ z = \frac{-b \pm \iu\sqrt{-\Delta}}{2a} \ (\text{dua yang berkonjugat}). \end{aligned}

Bukti. Lengkapkanlah kuadratnya: az2+bz+c=a((z+b2a)2Δ4a2)az^2 + bz + c = a\left(\left(z + \frac{b}{2a}\right)^2 - \frac{\Delta}{4a^2}\right). Jika Δ<0\Delta < 0, maka Δ4a2=(iΔ2a)2\frac{\Delta}{4a^2} = \left(\iu\frac{\sqrt{-\Delta}}{2a}\right)^2, dan selisih kuadratnya terfaktorkan seperti biasa.

Definisi 28.14 (Akar satuan)

Untuk n1n \geq 1, yang disebut akar satuan ke-nn adalah penyelesaian zn=1z^n = 1.

Teorema 28.15

Persamaan zn=1z^n = 1 mempunyai tepat nn penyelesaian:

ωk=e2ikπ/n,k=0,1,,n1.\omega_k = \eu^{2\iu k\pi/n}, \qquad k = 0, 1, \dots, n-1 .

Bayangannya adalah titik sudut segi-nn beraturan yang termuat dalam lingkaran satuan, dan untuk n2n \geq 2 jumlahnya 00.

Bukti. Setiap ωk\omega_k memenuhi ωkn=e2ikπ=1\omega_k^n = \eu^{2\iu k\pi} = 1, dan semuanya berbeda sepasang demi sepasang sebab argumennya terletak di [0,2π)\intco{0}{2\pi}. Sebaliknya, jika zn=1z^n = 1 maka zn=1\abs z^n = 1, sehingga z=1\abs z = 1 (bilangan real positif) dan z=eiθz = \eu^{\iu\theta} dengan nθ0(mod2π)n\theta \equiv 0 \pmod{2\pi}, yaitu θ=2kπn\theta = \frac{2k\pi}{n}; menyusutkan kk modulo nn mendarat di antara ωk\omega_k itu. Titik sudutnya berjarak sudut sama 2πn\frac{2\pi}{n}: itulah segi-nn beraturan. Akhirnya, dengan ω=ω1\omega = \omega_1, berlaku ω1\omega \neq 1 dan jumlah deret ukurnya memberi

k=0n1ωk=k=0n1ωk=ωn1ω1=0.\sum_{k=0}^{n-1}\omega_k = \sum_{k=0}^{n-1}\omega^k = \frac{\omega^n - 1}{\omega - 1} = 0 . \qedhere

Akar satuan kelima, = 2 π/5: yaitu titik sudut segi lima beraturan yang termuat dalam lingkaran satuan ().
Akar satuan kelima, ω=e2iπ/5\omega = \eu^{2\iu\pi/5}: yaitu titik sudut segi lima beraturan yang termuat dalam lingkaran satuan (Latihan 28.10).

Contoh 28.16

Akar pangkat tiga dari satuan adalah 11, j=e2iπ/3=12+i32j = \eu^{2\iu\pi/3} = -\frac12 + \iu\frac{\sqrt3}{2} dan j=j2\conj j = j^2, yang memenuhi 1+j+j2=01 + j + j^2 = 0.

28.4 Bilangan kompleks dan geometri bidang

Proposisi 28.17 (Kamus geometris)

Misalkan A,B,C,DA, B, C, D titik yang berafiks a,b,c,da, b, c, d (aba \neq b, cdc \neq d).

  1. Geseran oleh vektor berafiks tt adalah zz+tz \mapsto z + t.
  2. Putaran berpusat ω\omega (afiksnya) dan bersudut θ\theta adalah zω+eiθ(zω)z \mapsto \omega + \eu^{\iu\theta}(z - \omega).
  3. Penskalaan (homoteti) berpusat ω\omega dan berrasio kRk \in \R^* adalah zω+k(zω)z \mapsto \omega + k(z - \omega).
  4. dcba\dfrac{d - c}{b - a} bermodulus CDAB\dfrac{CD}{AB} dan berargumen sudut antara vektor AB\vect{AB} dan CD\vect{CD}. Khususnya, ABCDAB \perp CD jika dan hanya jika dcba\frac{d-c}{b-a} murni imajiner, dan A,B,CA, B, C segaris (CAC \ne A, CBC\ne B) jika dan hanya jika cabaR\frac{c-a}{b-a} \in \R.

Bukti. (1) dan (3) hanyalah rumus koordinatnya yang dinyatakan ulang. Untuk (2), pemetaan weiθww \mapsto \eu^{\iu\theta} w mengalikan modulusnya dengan 11 dan menambahkan θ\theta pada argumennya: itulah putaran bersudut θ\theta terhadap titik asal; mengonjugatkannya dengan geseran yang mengirim ω\omega ke 00 memberi pusat yang umum. Untuk (4), modulus dan argumen hasil baginya saling mengurangkan (Teorema 28.9).

28.5 Latihan

Latihan 28.1

Tulislah dalam bentuk aljabar: (32i)(1+4i)(3 - 2\iu)(1 + 4\iu), 2+i1i\dfrac{2 + \iu}{1 - \iu}, i2027\iu^{2027}.

Solusi

Solusi Latihan 28.1.

(32i)(1+4i)=3+12i2i8i2=11+10i(3-2\iu)(1+4\iu) = 3 + 12\iu - 2\iu - 8\iu^2 = 11 + 10\iu.

2+i1i=(2+i)(1+i)(1i)(1+i)=1+3i2=12+32i\dfrac{2+\iu}{1-\iu} = \dfrac{(2+\iu)(1+\iu)}{(1-\iu)(1+\iu)} = \dfrac{1 + 3\iu}{2} = \dfrac12 + \dfrac32\iu.

i2027\iu^{2027}: karena i4=1\iu^4 = 1 dan 2027=4×506+32027 = 4 \times 506 + 3, maka i2027=i3=i\iu^{2027} = \iu^3 = -\iu.

Latihan 28.2

Selesaikan di C\C: (a) z24z+13=0z^2 - 4z + 13 = 0; (b) z2+z+1=0z^2 + z + 1 = 0. Periksalah pada tiap kasusnya bahwa kedua penyelesaiannya berkonjugat lalu hitung hasil kalinya.

Solusi

Solusi Latihan 28.2.

(a) Δ=1652=36\Delta = 16 - 52 = -36: z=4±6i2=2±3iz = \dfrac{4 \pm 6\iu}{2} = 2 \pm 3\iu. Keduanya sepasang konjugat; hasil kalinya =4+9=13=ca= 4 + 9 = 13 = \frac ca. (b) Δ=14=3\Delta = 1 - 4 = -3: z=1±i32z = \dfrac{-1 \pm \iu\sqrt3}{2} (yaitu akar pangkat tiga dari satuan, jj dan j\conj j); hasil kalinya =1+34=1= \frac{1 + 3}{4} = 1.

Latihan 28.3

Nyatakan dalam bentuk eksponen: z1=1+iz_1 = -1 + \iu, z2=3iz_2 = \sqrt3 - \iu, lalu hitung z1z2\dfrac{z_1}{z_2} dalam bentuk eksponen lalu dalam bentuk aljabar. Simpulkan nilai eksak cos11π12\cos\dfrac{11\pi}{12}.

Solusi

Solusi Latihan 28.3.

z1=2\abs{z_1} = \sqrt2, argumennya 3π4\frac{3\pi}{4} (kuadran kedua), jadi z1=2e3iπ/4z_1 = \sqrt2\,\eu^{3\iu\pi/4}. Lalu z2=2\abs{z_2} = 2, argumennya π6-\frac\pi6, jadi z2=2eiπ/6z_2 = 2\,\eu^{-\iu\pi/6}. Karena itu

z1z2=22ei(3π4+π6)=22e11iπ/12.\frac{z_1}{z_2} = \frac{\sqrt2}{2}\,\eu^{\iu\left(\frac{3\pi}{4} + \frac{\pi}{6}\right)} = \frac{\sqrt2}{2}\,\eu^{11\iu\pi/12}.

Secara aljabar,

z1z2=1+i3i=(1+i)(3+i)4=31+i(31)4.\frac{z_1}{z_2} = \frac{-1+\iu}{\sqrt3 - \iu} = \frac{(-1+\iu)(\sqrt3+\iu)}{4} = \frac{-\sqrt3 - 1 + \iu(\sqrt3 - 1)}{4}.

Dengan menyamakan bagian realnya: 22cos11π12=314\frac{\sqrt2}{2}\cos\frac{11\pi}{12} = \frac{-\sqrt3-1}{4}, sehingga

cos11π12=6+24.\cos\frac{11\pi}{12} = -\frac{\sqrt6 + \sqrt2}{4}.

Latihan 28.4 ★★

Lukiskan secara geometris himpunan titik MM berafiks zz sedemikian sehingga: (a) z2=z+i\abs{z - 2} = \abs{z + \iu}; (b) z1i=3\abs{z - 1 - \iu} = 3; (c) z1z+1\dfrac{z - 1}{z + 1} murni imajiner.

Solusi

Solusi Latihan 28.4.

(a) z2=z(i)\abs{z - 2} = \abs{z - (-\iu)} berarti MM berjarak sama dari A(2,0)A(2, 0) dan B(0,1)B(0, -1): itulah sumbu ruas [AB][AB].

(b) Berjarak 33 dari titik (1,1)(1,1): itulah lingkaran berpusat 1+i1 + \iu dan berjari-jari 33.

(c) Menurut Proposisi 28.17(4), z1z+1\frac{z-1}{z+1} yang murni imajiner berarti vektor dari A(1,0)A(1,0) ke MM dan dari B(1,0)B(-1,0) ke MM saling tegak lurus: jadi MM memandang ruas [AB][AB] dengan sudut siku-siku. Himpunannya adalah lingkaran berdiameter [AB][AB] (yaitu lingkaran satuan) tanpa titik AA dan BB itu sendiri.

Latihan 28.5 ★★

Dengan rumus De Moivre dan teorema binomial, nyatakan cos3θ\cos 3\theta sebagai suku banyak dalam cosθ\cos\theta, dan sin3θ\sin 3\theta dengan sinθ\sin\theta.

Solusi

Solusi Latihan 28.5.

De Moivre: cos3θ+isin3θ=(cosθ+isinθ)3\cos3\theta + \iu\sin3\theta = (\cos\theta + \iu\sin\theta)^3. Dengan menjabarkannya lewat teorema binomial dengan c=cosθc = \cos\theta, s=sinθs = \sin\theta:

(c+is)3=c3+3ic2s3cs2is3=(c33cs2)+i(3c2ss3).(c + \iu s)^3 = c^3 + 3\iu c^2 s - 3 c s^2 - \iu s^3 = (c^3 - 3cs^2) + \iu(3c^2 s - s^3).

Dengan menyamakan bagiannya dan memakai s2=1c2s^2 = 1 - c^2, c2=1s2c^2 = 1 - s^2:

cos3θ=4cos3θ3cosθ,sin3θ=3sinθ4sin3θ.\cos3\theta = 4\cos^3\theta - 3\cos\theta, \qquad \sin3\theta = 3\sin\theta - 4\sin^3\theta .

Latihan 28.6 ★★

(Pelinearan.) Dengan memakai cosθ=eiθ+eiθ2\cos\theta = \frac{\eu^{\iu\theta} + \eu^{-\iu\theta}}{2}, linearkanlah cos3θ\cos^3\theta (tulislah sebagai gabungan coskθ\cos k\theta), lalu simpulkan 0π/2cos3θ ⁣dθ\displaystyle\int_0^{\pi/2}\cos^3\theta\,\dd\theta.

Solusi

Solusi Latihan 28.6.

cos3θ=(eiθ+eiθ2) ⁣3=e3iθ+3eiθ+3eiθ+e3iθ8=cos3θ+3cosθ4.\cos^3\theta = \left(\frac{\eu^{\iu\theta} + \eu^{-\iu\theta}}{2}\right)^{\!3} = \frac{\eu^{3\iu\theta} + 3\eu^{\iu\theta} + 3\eu^{-\iu\theta} + \eu^{-3\iu\theta}}{8} = \frac{\cos3\theta + 3\cos\theta}{4}.

Karena itu

0π/2cos3θ ⁣dθ=14[sin3θ3+3sinθ]0π/2=14(13+3)=23.\int_0^{\pi/2}\cos^3\theta\,\dd\theta = \frac14\left[\frac{\sin3\theta}{3} + 3\sin\theta\right]_0^{\pi/2} = \frac14\left(-\frac13 + 3\right) = \frac{2}{3}.

(Selaras dengan W3=23W_3 = \frac23 pada Latihan 25.9, sebab 0π/2cos3=0π/2sin3\int_0^{\pi/2}\cos^3 = \int_0^{\pi/2}\sin^3 menurut kesetangkupan θπ2θ\theta \mapsto \frac\pi2 - \theta.)

Latihan 28.7 ★★

Misalkan AA dan BB berafiks a=1+ia = 1 + \iu dan b=3+2ib = 3 + 2\iu. Tentukan kedua titik CC yang membuat segitiga ABCABC sama sisi, sebagai bayangan BB di bawah putaran berpusat AA dan bersudut ±π3\pm\frac{\pi}{3}.

Solusi

Solusi Latihan 28.7.

c=a+e±iπ/3(ba)c = a + \eu^{\pm\iu\pi/3}(b - a) dengan ba=2+ib - a = 2 + \iu dan e±iπ/3=12±i32\eu^{\pm\iu\pi/3} = \frac12 \pm \iu\frac{\sqrt3}{2}:

eiπ/3(2+i)=(12+i32)(2+i)=(132)+i(12+3),\eu^{\iu\pi/3}(2+\iu) = \left(\tfrac12 + \iu\tfrac{\sqrt3}{2}\right)(2+\iu) = \left(1 - \tfrac{\sqrt3}{2}\right) + \iu\left(\tfrac12 + \sqrt3\right),

jadi c1=(232)+i(32+3)c_1 = \left(2 - \frac{\sqrt3}{2}\right) + \iu\left(\frac32 + \sqrt3\right), dan serupa dengan sudut π3-\frac\pi3: c2=(2+32)+i(323)c_2 = \left(2 + \frac{\sqrt3}{2}\right) + \iu\left(\frac32 - \sqrt3\right).

Latihan 28.8 ★★★

Selesaikan z4=4z^4 = -4 di C\C lalu gambarkan penyelesaiannya. Faktorkanlah z4+4z^4 + 4 menjadi dua suku banyak kuadrat yang berkoefisien real.

Solusi

Solusi Latihan 28.8.

4=4eiπ-4 = 4\,\eu^{\iu\pi}, sehingga penyelesaian z4=4z^4 = -4 adalah

zk=2ei(π4+kπ2),k=0,1,2,3,z_k = \sqrt2\,\eu^{\iu\left(\frac\pi4 + \frac{k\pi}{2}\right)}, \quad k = 0, 1, 2, 3,

yaitu 1+i1 + \iu, 1+i-1 + \iu, 1i-1 - \iu, 1i1 - \iu: itulah titik sudut sebuah persegi berjari-jari luar 2\sqrt 2. Dengan mengelompokkan akar yang berkonjugat,

z4+4=(z(1+i))(z(1i))(z+(1i))(z+(1+i))=(z22z+2)(z2+2z+2).z^4 + 4 = \bigl(z - (1{+}\iu)\bigr)\bigl(z - (1{-}\iu)\bigr) \bigl(z + (1{-}\iu)\bigr)\bigl(z + (1{+}\iu)\bigr) = (z^2 - 2z + 2)(z^2 + 2z + 2).

Latihan 28.9 ★★★

Untuk θ(0,2π)\theta \in \intoo{0}{2\pi} dan nNn \in \N, hitunglah

S=1+cosθ+cos2θ++cosnθS = 1 + \cos\theta + \cos 2\theta + \dots + \cos n\theta

dengan menjumlahkan deret ukurnya k=0neikθ\sum_{k=0}^n \eu^{\iu k\theta} lalu mengambil bagian realnya. (Jawabannya: S=sin(n+1)θ2sinθ2cosnθ2S = \dfrac{\sin\frac{(n+1)\theta}{2}}{\sin\frac{\theta}{2}} \cos\frac{n\theta}{2}.)

Solusi

Solusi Latihan 28.9.

Dengan q=eiθ1q = \eu^{\iu\theta} \neq 1:

k=0neikθ=ei(n+1)θ1eiθ1=ei(n+1)θ/2eiθ/2ei(n+1)θ/2ei(n+1)θ/2eiθ/2eiθ/2=einθ/2sin(n+1)θ2sinθ2,\sum_{k=0}^{n} \eu^{\iu k\theta} = \frac{\eu^{\iu(n+1)\theta} - 1}{\eu^{\iu\theta} - 1} = \frac{\eu^{\iu(n+1)\theta/2}}{\eu^{\iu\theta/2}} \cdot\frac{\eu^{\iu(n+1)\theta/2} - \eu^{-\iu(n+1)\theta/2}}{\eu^{\iu\theta/2} - \eu^{-\iu\theta/2}} = \eu^{\iu n\theta/2}\, \frac{\sin\frac{(n+1)\theta}{2}}{\sin\frac{\theta}{2}},

dengan memakai eiαeiα=2isinα\eu^{\iu\alpha} - \eu^{-\iu\alpha} = 2\iu\sin\alpha (yaitu pemfaktoran setengah sudut). Dengan mengambil bagian realnya:

S=sin(n+1)θ2sinθ2cosnθ2.S = \frac{\sin\frac{(n+1)\theta}{2}}{\sin\frac{\theta}{2}}\, \cos\frac{n\theta}{2}.

Latihan 28.10 ★★★

Misalkan ω=e2iπ/5\omega = \eu^{2\iu\pi/5}.

  1. Berilah alasan bahwa 1+ω+ω2+ω3+ω4=01 + \omega + \omega^2 + \omega^3 + \omega^4 = 0.
  2. Misalkan u=ω+ω4u = \omega + \omega^4 dan v=ω2+ω3v = \omega^2 + \omega^3. Tunjukkan bahwa u+v=1u + v = -1 dan uv=1uv = -1, lalu simpulkan u=1+52u = \frac{-1+\sqrt5}{2}.
  3. Simpulkan bahwa cos2π5=514\cos\dfrac{2\pi}{5} = \dfrac{\sqrt5 - 1}{4}.
Solusi

Solusi Latihan 28.10.

1. ω\omega adalah akar satuan ke-55 yang berbeda dari 11, sehingga jumlah kelima akarnya bernilai nol (Teorema 28.15), dan itu terbaca 1+ω+ω2+ω3+ω4=01 + \omega + \omega^2 + \omega^3 + \omega^4 = 0.

2. u+v=ω+ω2+ω3+ω4=1u + v = \omega + \omega^2 + \omega^3 + \omega^4 = -1 menurut butir 1. Untuk hasil kalinya, dengan memakai ω5=1\omega^5 = 1:

uv=(ω+ω4)(ω2+ω3)=ω3+ω4+ω6+ω7=ω3+ω4+ω+ω2=1.uv = (\omega + \omega^4)(\omega^2 + \omega^3) = \omega^3 + \omega^4 + \omega^6 + \omega^7 = \omega^3 + \omega^4 + \omega + \omega^2 = -1 .

Jadi u,vu, v adalah akar X2+X1=0X^2 + X - 1 = 0, yaitu {1+52,152}\left\{\frac{-1+\sqrt5}{2}, \frac{-1-\sqrt5}{2}\right\}. Sekarang u=ω+ω=2cos2π5>0u = \omega + \conj\omega = 2\cos\frac{2\pi}{5} > 0 (sebab 2π5<π2\frac{2\pi}{5} < \frac{\pi}{2}), sehingga u=1+52u = \frac{-1 + \sqrt5}{2}.

3. cos2π5=u2=514\cos\frac{2\pi}{5} = \frac u2 = \frac{\sqrt5 - 1}{4}.

28.6 Soal: Segi lima di cermin satuan

Soal 28.1

Soal akhir pekan — akar satuan kelima menghitung cos72\cos 72^\circ secara eksak, nisbah emas menandatangani hasilnya, dan perkalian ternyata sebuah putaran

Euklides sanggup melukis segi lima yang beraturan, tetapi alasan mengapa bangun itu tunduk pada penggaris dan jangka — sedangkan sudut 2020^\circ yang sederhana tidak — tersembunyi selama dua ribu tahun. Alasannya bersembunyi di bab ini: kelima akar satuan kelima (Teorema 28.15) berjumlah nol, dan satu baris aljabar itu memeras cos72\cos 72^\circ keluar dari sebuah persamaan kuadrat — hanya berisi akar kuadrat, jadi terlukiskan, dan tentu saja ditandatangani oleh nisbah emas. Di sekeliling permata ini: kelancaran, jalan pintas de Moivre menuju trigonometri, dan perkalian yang tersingkap sebagai geometri.

Bagian I — Kelancaran.

  1. Hitunglah (2+i)(3i)(2 + \iu)(3 - \iu), 1+i1i\dfrac{1 + \iu}{1 - \iu} (Metode 28.5), dan 3+4i\abs{3 + 4\iu}.
  2. Nyatakan dalam bentuk eksponen: 1+i1 + \iu; 2-2; 1i31 - \iu\sqrt3.
  3. Hitunglah (1+i)8(1 + \iu)^8 dengan memakai bentuk eksponennya.
  4. Selesaikan z2=iz^2 = \iu, lalu z22z+5=0z^2 - 2z + 5 = 0 (Teorema 28.13).
  5. Kamus geometrisnya (Proposisi 28.17): lukiskan pemetaan zizz \mapsto \iu z, dan himpunan z(1+i)=2\abs{z - (1 + \iu)} = 2.

Bagian II — Lima akar, satu segi lima. Misalkan ω=e2iπ/5\omega = \eu^{2\iu\pi/5} lalu tinjau 1,ω,ω2,ω3,ω41, \omega, \omega^2, \omega^3, \omega^4.

  1. Periksalah bahwa itu tepat penyelesaian z5=1z^5 = 1, lalu lukiskan bangun yang digambarnya pada bidang.
  2. Buktikan bahwa jumlahnya nol. (Lewat deret ukur — atau kalikan jumlahnya dengan 1ω1 - \omega.)
  3. Ambillah bagian realnya lalu simpulkan

    1+2cos2π5+2cos4π5=0.1 + 2\cos\frac{2\pi}{5} + 2\cos\frac{4\pi}{5} = 0 .
  4. Ambil c=cos2π5c = \cos\frac{2\pi}{5} lalu pakailah rumus sudut rangkap bagi cos4π5\cos\frac{4\pi}{5} untuk mengubah pertanyaan 8 menjadi persamaan kuadrat dalam cc; selesaikan lalu simpulkan

    cos72=514.\cos 72^\circ = \frac{\sqrt5 - 1}{4} .
  5. Periksalah secara numeris, lalu biarkan nisbah emas menandatangani karyanya: tunjukkan c=12φc = \frac{1}{2\varphi} dengan φ=1+52\varphi = \frac{1 + \sqrt5}{2} (Soal 2.1) — lalu nyatakan gema geometrisnya yang masyhur: pada segi lima beraturan, diagonalnya adalah φ\varphi kali sisinya.

Bagian III — Jalan pintas de Moivre.

  1. Vonis pelukisannya: cos72\cos 72^\circ hanya memerlukan akar kuadrat (pertanyaan 9), sehingga segi lima itu terlukiskan dengan penggaris dan jangka; sedangkan cos20\cos 20^\circ memenuhi persamaan pangkat tiga yang tak terpecahkan (Soal 24.1), sehingga sudut 6060^\circ tak dapat dibagi tiga. Nyatakan kaidah yang mulai muncul itu (akar kuadrat terbangun, akar pangkat tiga tidak), yang teori lengkapnya — Gauss, pada usia 19 tahun, dan segi tujuh belas — hidup dalam jilid universitas.
  2. Selesaikan z4=4z^4 = -4 lewat bentuk eksponen lalu perolehlah kembali pemfaktoran pada Latihan 28.8, z4+4=(z22z+2)(z2+2z+2)z^4 + 4 = (z^2 - 2z + 2)(z^2 + 2z + 2), dengan memasangkan akar yang berkonjugat.
  3. Jabarkan (cosθ+isinθ)3(\cos\theta + \iu\sin\theta)^3 dengan teorema binomial dan de Moivre, lalu turunkan kembali cos3θ=4cos3θ3cosθ\cos 3\theta = 4\cos^3\theta - 3\cos\theta dalam tiga baris — bandingkan dengan jalur rumus penjumlahan pada Soal 24.1.
  4. Periksa silang dengan Latihan 28.9: untuk θ=2π5\theta = \frac{2\pi}{5} dan n=4n = 4, berapakah nilai jumlah 1+cosθ++cos4θ1 + \cos\theta + \dots + \cos 4\theta, dan mengapa itu selaras dengan pertanyaan 8?
  5. Hitunglah ketiga akar pangkat tiga dari 8i8\iu dalam bentuk aljabar.

Bagian IV — Perkalian adalah geometri.

  1. Lukiskan selengkapnya pemetaan z(1+i)zz \mapsto (1 + \iu)z: sebesar sudut apa ia memutar, dengan faktor berapa ia menskalakan, dan apa yang dilakukannya pada persegi satuan?
  2. Buktikan z1z2=z1z2\abs{z_1 z_2} = \abs{z_1}\,\abs{z_2} dengan konjugat (Proposisi 28.7), lalu hitunglah (1+i)n(1+\iu)^n untuk n=1,2,3,4n = 1, 2, 3, 4 lalu lukiskan ulir yang digambar pangkatnya.
  3. Bilangan j=e2iπ/3\mathrm{j} = \eu^{2\iu\pi/3}: tunjukkan 1+j+j2=01 + \mathrm{j} + \mathrm{j}^2 = 0, lalu periksalah pada segitiga (1,j,j2)\left(1, \mathrm{j}, \mathrm{j}^2\right) kaidah klasiknya: a+jb+j2c=0a + \mathrm{j} b + \mathrm{j}^2 c = 0 berlaku bagi segitiga sama sisi abcabc (pada salah satu arah putarannya).
  4. Teorema dasar aljabar (yang diterima saja: d’Alembert–Gauss): setiap suku banyak terfaktorkan sepenuhnya atas C\C. Simpulkan akibat wajarnya di dunia nyata — setiap suku banyak real terfaktorkan menjadi bagian linear dan kuadrat yang real — lalu tunjuklah pertanyaan 12 sebagai contohnya.
  5. Penutup — potret C\C, masing-masing satu kalimat: bilangan menjadi titik; perkalian menjadi putaran-dan-penskalaan; akar satuan menjadi segi banyak beraturan; de Moivre mengubah pemangkatan menjadi identitas trigonometri; dan ketertutupan aljabarnya menjamin bahwa tak ada persamaan yang memerlukan dunia yang lebih besar. Koda: dua bilangan masyhur mana yang bertemu pada pertanyaan 10?
Solusi

Solusi Soal 28.1.

1. (2+i)(3i)=62i+3i+1=7+i(2 + \iu)(3 - \iu) = 6 - 2\iu + 3\iu + 1 = 7 + \iu. 1+i1i=(1+i)22=2i2=i\frac{1 + \iu}{1 - \iu} = \frac{(1 + \iu)^2}{2} = \frac{2\iu}{2} = \iu. 3+4i=5\abs{3 + 4\iu} = 5.

2. 1+i=2eiπ/41 + \iu = \sqrt2\,\eu^{\iu\pi/4}; 2=2eiπ-2 = 2\eu^{\iu\pi}; 1i3=2eiπ/31 - \iu\sqrt3 = 2\eu^{-\iu\pi/3}.

3. (1+i)8=(2)8e8iπ/4=16e2iπ=16(1 + \iu)^8 = \left(\sqrt2\right)^8 \eu^{8\iu\pi/4} = 16\,\eu^{2\iu\pi} = 16.

4. z2=eiπ/2z^2 = \eu^{\iu\pi/2}, jadi z=±eiπ/4=±22(1+i)z = \pm\eu^{\iu\pi/4} = \pm\frac{\sqrt2}{2}(1 + \iu). Lalu Δ=420=16\Delta = 4 - 20 = -16, jadi z=1±2iz = 1 \pm 2\iu.

5. Pemetaan zizz \mapsto \iu z: putaran seperempat lingkaran terhadap titik asalnya. Lalu z(1+i)=2\abs{z - (1 + \iu)} = 2: lingkaran berpusat 1+i1 + \iu dan berjari-jari 22.

6. (ωk)5=e2iπk=1\left(\omega^k\right)^5 = \eu^{2\iu\pi k} = 1, dan kelima titik e2ikπ/5\eu^{2\iu k\pi/5} itu berbeda: jadi itulah kelima penyelesaian z5=1z^5 = 1. Semuanya duduk pada lingkaran satuan dengan sudut yang sama, 7272^\circ: yaitu segi lima beraturan dengan satu titik sudut di 11.

7. S=1+ω++ω4S = 1 + \omega + \dots + \omega^4 memenuhi (1ω)S=1ω5=0(1 - \omega)S = 1 - \omega^5 = 0, dan ω1\omega \neq 1, jadi S=0S = 0. (Titik seimbang segi limanya adalah pusatnya.)

8. ω4=ω\omega^4 = \overline\omega dan ω3=ω2\omega^3 = \overline{\omega^2}: dengan memasangkan konjugatnya, bagian real jumlahnya terbaca 1+2cos2π5+2cos4π5=01 + 2\cos\frac{2\pi}{5} + 2\cos\frac{4\pi}{5} = 0.

9. cos4π5=2c21\cos\frac{4\pi}{5} = 2c^2 - 1, sehingga 1+2c+4c22=01 + 2c + 4c^2 - 2 = 0, yaitu 4c2+2c1=04c^2 + 2c - 1 = 0 dan c=1+54c = \frac{-1 + \sqrt5}{4} (akar yang positif, sebab 7272^\circ sudut lancip): cos72=514\cos 72^\circ = \frac{\sqrt5 - 1}{4}.

10. Secara numeris c0.30902c \approx 0.30902, cocok dengan kalkulatornya. Lalu 12φ=11+5=514\frac{1}{2\varphi} = \frac{1}{1 + \sqrt5} = \frac{\sqrt5 - 1}{4} (dengan merasionalkannya): jadi c=12φc = \frac{1}{2\varphi}. Segi lima itu keemasan sampai ke tulangnya: diagonalnya memotong sisinya dengan nisbah φ\varphi — keserupaan diri yang tak berujung milik bintang lima itu.

11. Akar kuadrat terlukis dengan jangka (lewat mesin setengah lingkaran milik rata-rata ukur di jilid sekolah menengah pertama), sehingga bilangan yang dibangun dari bilangan rasional hanya lewat akar kuadrat — seperti cos72\cos 72^\circ — terlukiskan; sedangkan akar pangkat tiga tidak, dan cos20\cos 20^\circ memerlukannya: segi limanya tunduk, pembagian tiganya melawan. Kaidah Gauss memutuskan setiap segi banyak beraturan — segi tujuh belasnya pada usia sembilan belas membuatnya memilih matematika.

12. 4=4eiπ-4 = 4\eu^{\iu\pi}: akar keempatnya bermodulus 2\sqrt2 dan berargumen π4+kπ2\frac{\pi}{4} + k\frac{\pi}{2}, yaitu keempat bilangan ±1±i\pm 1 \pm \iu. Dengan memasangkan konjugatnya: (z1i)(z1+i)=z22z+2(z - 1 - \iu)(z - 1 + \iu) = z^2 - 2z + 2 dan (z+1i)(z+1+i)=z2+2z+2(z + 1 - \iu)(z + 1 + \iu) = z^2 + 2z + 2, yaitu pemfaktoran pada Latihan 28.8.

13. (cosθ+isinθ)3=cos3θ+3icos2θsinθ3cosθsin2θisin3θ(\cos\theta + \iu\sin\theta)^3 = \cos^3\theta + 3\iu\cos^2\theta\sin\theta - 3\cos\theta\sin^2\theta - \iu\sin^3\theta; dan menurut de Moivre ini sama dengan cos3θ+isin3θ\cos 3\theta + \iu \sin 3\theta. Bagian realnya: cos3θ=cos3θ3cosθ(1cos2θ)=4cos3θ3cosθ\cos 3\theta = \cos^3\theta - 3\cos\theta(1 - \cos^2\theta) = 4\cos^3\theta - 3\cos\theta — sedangkan bagian imajinernya menyerahkan sin3θ\sin 3\theta secara cuma-cuma.

14. Itulah bagian real 1+ω++ω4=01 + \omega + \dots + \omega^4 = 0: jumlahnya sama dengan 00 — tepat pertanyaan 8, yang dilihat lewat inti pada Latihan 28.9.

15. 8i=8eiπ/28\iu = 8\eu^{\iu\pi/2}, jadi akarnya 2eiπ/6=3+i2\eu^{\iu\pi/6} = \sqrt3 + \iu; 2e5iπ/6=3+i2\eu^{5\iu\pi/6} = -\sqrt3 + \iu; 2e3iπ/2=2i2\eu^{3\iu\pi/2} = -2\iu.

16. 1+i=2eiπ/41 + \iu = \sqrt2\,\eu^{\iu\pi/4}: jadi pemetaannya memutar bidangnya sebesar 4545^\circ lalu menskalakannya dengan 2\sqrt2. Persegi satuannya menjadi persegi miring bersisi 2\sqrt2 — luasnya berlipat dua, terpuntir seperdelapan putaran.

17. z1z22=z1z2z1z2=z1z1z2z2=z12z22\abs{z_1 z_2}^2 = z_1 z_2 \overline{z_1 z_2} = z_1\overline{z_1}\, z_2\overline{z_2} = \abs{z_1}^2\abs{z_2}^2: lalu ambil akar kuadratnya. Pangkat 1+i1 + \iu: 1+i1 + \iu, 2i2\iu, 2+2i-2 + 2\iu, 4-4: masing-masing 4545^\circ lebih jauh berputar dan 2\sqrt2 kali lebih panjang — sebuah ulir yang membuka keluar lewat modulus 2,2,22,4,\sqrt2, 2, 2\sqrt2, 4, \dots

18. Bilangan j\mathrm{j} adalah akar satuan ketiga yang berbeda dari 11, sehingga (lewat alasan pertanyaan 7 dengan n=3n = 3) 1+j+j2=01 + \mathrm{j} + \mathrm{j}^2 = 0. Kaidahnya pada segitiga bakunya: a+jb+j2c=1+jj+j2j2=1+j2+j4=1+j2+j=0a + \mathrm{j}b + \mathrm{j}^2 c = 1 + \mathrm{j}\cdot\mathrm{j} + \mathrm{j}^2 \cdot \mathrm{j}^2 = 1 + \mathrm{j}^2 + \mathrm{j}^4 = 1 + \mathrm{j}^2 + \mathrm{j} = 0: jadi terpenuhi, seperti yang dituntut segitiga sama sisi (1,j,j2)\left(1, \mathrm{j}, \mathrm{j}^2\right).

19. Atas C\C, suku banyak real terbelah menjadi faktor linear; akarnya yang tak real datang berpasangan konjugat (konjugatkanlah persamaannya), dan tiap pasangannya terkalikan menjadi bentuk kuadrat real z22Re(z0)z+z02z^2 - 2\operatorname{Re}(z_0)\,z + \abs{z_0}^2: dari situlah pemfaktoran realnya menjadi bagian berderajat 11 dan berderajat 22 — dan pertanyaan 12 melakukannya pada z4+4z^4 + 4.

20. Titik; putaran-dan-penskalaan; segi banyak beraturan; identitas trigonometri lewat penjabaran; dan sebuah dunia tertutup tempat setiap persamaan berderajat nn memiliki nn akarnya. Koda: pada pertanyaan 10, segi lima milik π\pi berjabat tangan dengan nisbah emas — dua tamu Euklides yang paling masyhur, yang akhirnya diperkenalkan oleh jumlah lima anak panah yang sama dengan nol.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium