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Livro Digital Aula 13 – Números Complexos ENEM Professor Marçal Professor Marçal Aula 13: ENEM 2 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Sumário Introdução ............................................................................................................... 3 1. Conjuntos numéricos ........................................................................................... 4 1.1. Os conjuntos numéricos as equações polinomiais .......................................................... 4 1.2. O número imaginário ...................................................................................................... 9 1.3. O número complexo ...................................................................................................... 15 1.4. Relação entre Plano de Argand-Gauss e plano cartesiano ........................................... 18 2. Formas de se escrever um número complexo ..................................................... 20 3. As quatro operações com os números complexos .............................................. 21 3.1. Soma e Subtração ......................................................................................................... 21 3.2. Multiplicação ................................................................................................................ 25 3.3. Divisão ........................................................................................................................... 34 4. Conjugado de um número complexo .................................................................. 39 5. Forma trigonométrica dos números complexos ................................................. 43 5.1. Revisando seno e cosseno e tangente no triângulo retângulo ..................................... 44 5.2. Forma trigonométrica (ou polar) .................................................................................. 46 5.3. Norma de um número complexo .................................................................................. 47 5.4. Argumento de um número complexo ........................................................................... 47 6. Potenciação e Radiciação nos complexos ........................................................... 48 6.1. Potenciação de um número complexo .......................................................................... 48 6.2. Radiciação de um número complexo ............................................................................ 50 7. Resumo .............................................................................................................. 57 8. Fórmulas, demonstrações e comentários ........................................................... 58 8.1. Dedução da primeira fórmula de Moivre ..................................................................... 58 8.2. Radiciação de complexos na forma algébrica .............................................................. 59 8.3. Notação cis(θ) ............................................................................................................... 59 9. Questões de vestibulares anteriores .................................................................. 60 10. Gabarito das questões de vestibulares anteriores ............................................ 60 11. Questões de vestibulares anteriores resolvidas e comentadas ......................... 66 12. Considerações finais ....................................................................................... 102 Professor Marçal Aula 13: ENEM 3 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br INTRODUÇÃO Entraremos, agora, no campo dos números complexos, o último dos conjuntos numéricos para fechar o que chamamos de Álgebra. A álgebra tem sua estrutura montada nas incógnitas, na forma de polinômios. Embora haja poucas questões específicas sobre os números complexos nos vestibulares, esse conteúdo é muito cobrado dentro de outras áreas, como veremos no nosso curso, além de ser vital para estudarmos os polinômios, tópico da próxima aula. Se você já domina a teoria sobre os números complexos, pode ir direto para os exercícios de vestibulares anteriores. Conseguindo resolver todos corretamente, pode ir direto para a parte de polinômios. Se você ainda não conhece a teoria muito bem, ou ainda, se nunca estudou os números complexos, leia a teoria com atenção. Não se apresse, a construção de conhecimento nessa parte pode exigir um tempo de maturação. Se estiver com a “cabeça cheia”, passe para outro tema e, depois, retorne a esta aula. O surgimento dos números complexos deixou muitos dos maiores matemáticos da história de “cabelo em pé”, então, vá com calma. Dúvidas? Já sabe, não as deixe sem solução. Se precisar de ajuda, poste-as no fórum. Estamos aqui para auxiliá-lo. Boa aula. Professor Marçal Aula 13: ENEM 4 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 1. CONJUNTOS NUMÉRICOS No início do curso, estudamos os conjuntos numéricos ℕ, ℤ, ℚ, 𝕀, ℝ, ℂ; e suas relações de pertinência, ou seja, qual conjunto está contido em qual. Naquele momento, não demos ênfase aos Números Complexos e trabalhamos, desde então, dentro do conjunto dos números reais estudando equações, inequações e funções. Agora, vamos expandir nossa noção de número para além dos Números Reais. Para entender os Números Complexos, precisamos voltar à noção de conjuntos numéricos e entender como esses conjuntos se relacionam por meio da Álgebra. 1.1. OS CONJUNTOS NUMÉRICOS AS EQUAÇÕES POLINOMIAIS Lembra-se de que falamos sobre a Álgebra e a Aritmética? Uma expressão é considerada aritmética se não contém incógnitas, enquanto uma expressão com incógnitas é considerada algébrica. Professor Marçal Aula 13: ENEM 5 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Nossa conversa sobre os conjuntos, aqui, se dará com ênfase na relação entre os elementos de um conjunto e as resoluções de equações dentro desse mesmo conjunto. Acompanhe. O primeiro conjunto que estudamos é a nossa base para a contagem: o conjunto dos Números Naturais, ℕ = {0,1,2,3,4,5,6… }. Vamos utilizar as operações básicas da álgebra para resolver algumas equações dentro do conjunto ℕ. Comecemos com a equação 𝑥 + 2 = 5. Essa equação representa a pergunta: qual é o número que, somado a dois, resulta em cinco? Resolvendo. 𝑥 + 2 = 5 Subtraindo 2 de ambos os membros da equação. 𝑥 + 2 − 2 = 5 − 2 𝑥 + 2 − 2 = 5 − 2 ∴ 𝑥 = 3 Ou seja, a resposta para a nossa pergunta (qual é o número que, somado a dois, resulta em cinco?) é três. Perceba que tanto a pergunta quanto a resposta foram feitas em termos de Números Naturais. Não há, na pergunta, um número fracionário, uma raiz ou um número negativo, só os Números Naturais, as operações da álgebra e a incógnita. Até aqui, tudo bem. Perguntamos em termos de Números Naturais e respondemos nesses mesmos termos. No entanto, há situações em que o conjunto ℕ não consegue suprir as equações feitas com seus elementos, veja. Vamos resolver a equação 𝑥 + 2 = 1 Subtraindo 2 de ambos os membros. 𝑥 + 2 − 2 = 1 − 2 𝑥 + 2 − 2 = 1 − 2 𝑥 = 1 − 2 Professor Marçal Aula 13: ENEM 6 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br No conjunto dos Números Naturais, não há a possibilidade de retirarmos 2 unidades do número 1. Essa operação simplesmente não é possível. Assim, 𝑥 = 1 − 2 𝑥 = ∅ Ou seja, a equação 𝑥 + 2 = 1 é feita somente com números naturais, no entanto, sua solução não pertence ao conjunto dos Números Naturais. Nesse ponto, ao enfrentar um problema cuja solução não pertence ao conjunto de aplicação, ocorre a expansão: uma definição de conjunto mais abrangente que o anterior, coerente dentro das operaçõesalgébricas, e que permite a resolução da equação em questão. A solução encontrada foi ampliar o conjunto dos Números Naturais para o conjunto dos Números Inteiros ℤ. ℤ = {…− 3, −2,−1, 0, 1, 2, 3… } Nesse novo conjunto, a equação anterior tem solução, veja. 𝑥 = 1 − 2 ∴ 𝑥 = −1 Percebemos, então, que o conjunto ℤ tem uma amplitude maior que o conjunto ℕ no que tange solucionar equações. Mas será que o conjunto ℤ é fechado em si mesmo? Será que ele resolve todas as equações expressas em números inteiros? Não, não é. Professor Marçal Aula 13: ENEM 7 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Há muitas situações nas quais o conjunto ℤ não é suficiente para resolver uma equação. Vejamos um exemplo. 2𝑥 + 1 = 4 Para iniciar a resolução, vamos subtrair 1 de ambos os membros da equação. 2𝑥 + 1 − 1 = 4 − 1 2𝑥 + 1 − 1 = 4 − 1 2𝑥 = 3 Dividindo ambos os membros por 2. 2𝑥 2 = 3 2 2 𝑥 2 = 3 2 𝑥 = 3 2 Mas o que seria esse número, 3 2 ? Dividir, por exemplo, o número 4 por 2, tudo bem, pois 4 é um número par. No entanto, dividir um número ímpar por 2, no conjunto ℤ não é possível. Desse modo, temos que 𝑥 = ∅. A expansão dos Números Inteiros, para solucionar problemas como o que vimos, deu origem a um novo conjunto, o dos Números Racionais ℚ. Dessa forma, nossa equação passa a ter solução: um número simbolizado pela razão entre dois inteiros. 𝑥 = 3 2 = 1,5 Professor Marçal Aula 13: ENEM 8 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Perceba que nosso rol de números possíveis ganha novos representantes na medida em que nossos problemas se tornam mais e mais complicados. Até aqui, passamos de ℕ a ℤ e, dele, para ℚ. A cada vez que expandimos nosso universo numérico, ganhamos capacidade de resolução de equações e, com isso, novas aplicações passam a modelar o corpo do possível. Mas será que isso é possível indefinidamente? Bom, sigamos caminhando para ver o fina da história. Vejamos o que o conjunto dos racionais ℚ nos diz sobre a equação seguinte. 𝑥2 = 7 Aplicando a raiz quadrada em ambos os membros da equação. √𝑥2 = √7 |𝑥2| = √7 𝑥 = ±√7 Como sabemos, não existe um número racional de tal forma que uma fração seja igual a raiz de 7, assim, no conjunto ℚ, 𝑥 = ∅ Novamente, fomos obrigados a procurar um conjunto mais amplo, que nos permita resolver equações como a anterior. Esse novo tipo de número, que não pode ser escrito como razão entre dois números inteiros, foi nomeado número irracional. Permitindo que possamos dar nossa resposta como 𝑥 = ±√7 = ± 2,64575134406… Se unirmos todos os conjuntos numéricos vistos até aqui, temos o conjunto dos Números Reais ℝ, que é, normalmente, o conjunto a que nos referimos na maioria dos problemas cotidianos, o que inclui o seu vestibular. Perceba que estamos, aos poucos, montando um grande quebra-cabeças numérico, com o intuito de conseguirmos resolver a maior quantidade possível de equações algébricas. Professor Marçal Aula 13: ENEM 9 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br O conjunto ℝ envolve todos os tipos de números e problemas que citamos até aqui. No entanto, mesmo com esse poder de fogo, por muito tempo não foi possível resolver algumas equações como 𝑥2 + 1 = 0. O quebra-cabeças da álgebra continuava incompleto. 1.2. O NÚMERO IMAGINÁRIO Se tentarmos resolver a equação anterior com as ferramentas algébricas dentro do conjunto dos Números Reais, chegamos a uma equação sem solução, veja. 𝑥2 + 1 = 0 Subtraindo 1 de ambos os membros da equação. Professor Marçal Aula 13: ENEM 10 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 𝑥2 + 1 − 1 = 0 − 1 𝑥2 + 1 − 1 = 0 − 1 𝑥2 = −1 Extraindo a raiz quadrada de ambos os membros. √𝑥2 = √−1 |𝑥2| = √−1 𝑥 = ± √−1 Pois é. A equação 𝑥2 = −1 nos pergunta: qual é o número que, elevado ao quadrado, resulta em −1? Sabemos que, na reta dos reais, a reta numérica que estivemos construindo até agora, não há um número que, multiplicado por ele mesmo, resulte em −1. Mas não sejamos precipitados, vamos recapitular o que sabemos sobre a multiplicação de números, dando ênfase aos sinais. Aprendemos, no início do nosso curso, que o sinal de negativo indica o oposto de um número, ou seja, um número que “aponta para o lado oposto” da reta numérica. Assim, se o número 1 está à direita do zero, digamos que ele “aponta” para o lado positivo e, então, −1 só poderia “apontar” para o outro lado. Assim, criamos a parte negativa da reta numérica. Nessa linha, conversamos sobre −1 ser o oposto de 1. Vamos expandir um pouco essa noção, mas sem alterar o que já construímos até aqui. Partamos da unidade, do número 1, na reta dos reais, cuja origem é o número 0. Nesse contexto, recordemos o que significa multiplicar o número 1 pelo seu oposto, −1. Agora, além de pensarmos em −1 como o número que está do outro lado do número 1, tendo o zero como referência, vamos pensar no caminho como uma rotação, ou seja, multiplicar 1 por −1 sendo o mesmo que rotacionar o número 1 em 180°, com eixo no zero. Professor Marçal Aula 13: ENEM 11 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Com essa nova interpretação, como seria a multiplicação (−1) ∙ (−1)? Vejamos. Como a multiplicação por (−1) gera uma rotação de 180° em torno da origem, se aplicarmos essa mesma rotação ao (−1), voltaríamos ao número 1. Assim, estamos de acordo com nosso antigo pensamento, o sinal de negativo indica o oposto de um número e simbolizamos esse número como diametralmente oposto ao zero, considerando essa oposição feita por meio de uma rotação de 180°. Agora, voltemos ao problema. Precisamos calcular um número 𝑥 tal que 𝑥2 = −1. Se pensarmos em 𝑥2 como o produto 1 ⋅ 𝑥 ⋅ 𝑥, precisamos de um número que, ao aplicado duas vezes seguidas, transforme o número 1 em (−1). Para fazer isso acontecer, precisaríamos de algo como: Professor Marçal Aula 13: ENEM 12 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Na reta dos reais, parece realmente não existir um número tal que 1 ⋅ 𝑥 ⋅ 𝑥 = −1. No entanto, se pensarmos do ponto de vista da rotação e estivermos dispostos a aceitar um número que esteja fora da reta dos reais, 1 ⋅ 𝑥 ⋅ 𝑥 = −1 parece bem possível. Vamos efetuar o produto. Dessa forma, nosso número 𝑥 que transforma, com duas multiplicações sucessivas, 1 em −1, é um ponto fora da reta dos reais, logo acima do zero. Friedrich Gauss, inicialmente, chamou √−1 de número lateral, o que parece bem óbvio. No entanto, foi o termo cunhado por Rene Descartes, no livro A Geometria, que acabou “pegando” e, hoje, o número √−1 não somente é conhecido como número imaginário como seu símbolo é a letra 𝑖. Assim, nasce nosso novo número, o número imaginário 𝑖 = √−1. Como consequência da definição, temos a seguinte sequência de potências para 𝑖. 𝑖 = √−1 𝑖2 = −1 𝑖3 = 𝑖2 ⋅ 𝑖 = −1 ⋅ 𝑖 = −𝑖 𝑖4 = 𝑖2 ⋅ 𝑖2 = (−1) ⋅ (−1) = 1 𝑖5 = 𝑖4 ⋅ 𝑖 = 1 ⋅ 𝑖 = 𝑖 𝑖6 = 𝑖4 ⋅ 𝑖2 = 1 ⋅ (−1) = −1 ⋮ Professor Marçal Aula 13: ENEM 13 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Vamos colocar mais alguns resultados em uma tabela. 𝑖 = √−1 𝑖5 = 𝑖 𝑖9 = 𝑖 𝑖13 = 𝑖 𝑖17 = 𝑖 𝑖2 = −1 𝑖6 = −1 𝑖10 = −1 𝑖14 = −1 𝑖18 = −1 𝑖3 = −𝑖 𝑖7 = −𝑖 𝑖11 = −𝑖 𝑖15 = −𝑖 𝑖19 = −𝑖 𝑖4 = 1 𝑖8 = 1 𝑖12 = 1 𝑖16 = 1 𝑖20 = 1 Percebeu um padrão ocorrendo? Como o número complexo “rotaciona” o número real 1 em 90°, em 4 rotações nós voltamos para onde estávamos, ou seja, no próprio número 1. Assim, as potências de 𝑖 são sequenciais e apresentam apenas 4 resultados possíveis: 𝑖, −1,−𝑖, 1. Além disso, se temos um número imaginário𝑖, não é difícil pensar em seus múltiplos, suas frações e seu oposto; números como 𝑖, 2𝑖, 5𝑖, 𝑖 2 , −𝑖, −3𝑖, … Vamos, com base no número 𝑖 e em sua posição com relação à reta dos reais, posicionar esses números. Como o número imaginário 𝑖 será a base para todos os novos números do tipo, chamaremos 𝐼𝑚 o eixo a eles referente. Quanto aos reais, podemos utilizar ℝ sempre. No entanto, é comum encontrarmos nos livros didáticos a referência de eixo como 𝑅𝑒. Como utilizaremos 𝑅𝑒 mais à frente, daremos preferência a esta nomenclatura. Professor Marçal Aula 13: ENEM 14 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Professor, isso aí parece o plano cartesiano. Será possível marcarmos números fora das retas? Excelente pergunta, podemos sim! Mas temos que tomar um certo cuidado. As regras da álgebra exigem algumas ressalvas para serem aplicadas a números de “tipos” diferentes. Por exemplo, podemos tranquilamente aplicar a soma para dois números inteiros: 2 + 3 = 5. No entanto, há certas combinações nas quais não podemos aplicar diretamente a soma e ela fica somente indicada: 2 + √3 Já em alguns casos, podemos contornar a diferença por meio de operações básicas: 2 + 4 5 = 10 + 4 5 = 14 5 E como, então, é a “mistura” de nossos novos números, imaginários, com os outros números que já conhecíamos, os reais? Vejamos. Professor Marçal Aula 13: ENEM 15 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 1.3. O NÚMERO COMPLEXO Pois bem, do mesmo modo com que se relacionam os inteiros e os irracionais, as operações de soma e de subtração para números reais e imaginários ficam indicadas. Veremos, em capítulo específico ainda nesta aula, as operações básicas com números desse tipo em detalhes. Por ora, veja como fica a soma entre um número real e um imaginário: 2 + 3 ⋅ 𝑖 E onde fica esse número no plano numérico que acabamos de criar? Chamemos esse número de 𝑧. 𝑧 = 2 + 3 ⋅ 𝑖 Podemos perceber que o número 𝑧 possui uma parte real e uma parte imaginária, indicadas por 𝑅𝑒(𝑧) = 2 e 𝐼𝑚(𝑧) = 3, respectivamente. 𝑧 = 2 + 3 ⋅ 𝑖 A parte real de 𝑧 indica o quanto nos deslocamos da origem, do zero, na horizontal, no eixo dos reais; enquanto a parte imaginária de 𝑧, indica o quanto nos deslocamos na vertical, acima ou abaixo do eixo dos reais. Seguindo essas recomendações, conseguimos colocar o número 𝑧 em seu devido lugar no plano numérico. Professor Marçal Aula 13: ENEM 16 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Números que não possuem uma parte imaginária são chamados números reais puros e estão localizados no eixo horizontal. O número 𝑖 e seus múltiplos são denominados números imaginários puros e estão localizados no eixo vertical. Os números mistos, com uma parte real e outra imaginária, como nosso número 𝑧, são chamados números complexos e estão em todos os pontos do Plano de Argand-Gauss. Números reais puros e imaginários puros também são considerados complexos, só apresentam uma das suas partes igual a zero. O conjunto dos números complexos, simbolizado por ℂ, abrange todos os outros conjuntos numéricos dos quais já falamos até aqui. Voltemos, então, à figura dos conjuntos que vimos no início da aula. Aqui temos uma representação de inclusão entre os conjuntos, dos Naturais aos Complexos, explicitando qual conjunto numérico engloba qual. Perceba que fomos, por força as equações sem solução, forçados a ampliar nossa ideia de conjunto numérico até que chegamos nos Números Complexos. Professor Marçal Aula 13: ENEM 17 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Pois bem, agora é que temos uma novidade surpreendente: não precisamos mais procurar conjuntos mais amplos, pelo menos no que tange a solução de equações polinomiais. O Princípio Fundamental da Álgebra, enunciado por Gauss, nos diz que: Qualquer que seja o grau de uma equação polinomial de coeficientes complexos, sempre há uma solução complexa. Assim, tratando-se do conjunto complexo, não mais ocorrerá de termos uma “pergunta” sem solução, forçando-nos a ampliar a noção de número. Desse modo, podemos considerar que a nossa álgebra, finalmente, pode ser considerada fechada em si mesma, completando o quebra-cabeças. Professor Marçal Aula 13: ENEM 18 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 1.4. RELAÇÃO ENTRE PLANO DE ARGAND-GAUSS E PLANO CARTESIANO Você deve ter percebido que, mesmo sem querer, acabamos construindo um plano muito parecido com o nosso plano cartesiano, aquele com 𝑥 e 𝑦. Há, sim, muitas semelhanças entre esses planos, mas há também muitas diferenças. O plano cartesiano traz dois eixos, 𝑥 e 𝑦, colocados perpendicularmente. Na verdade, são dois eixos com o mesmo “tipo” de números, os números reais. Até por isso, é comum nos referirmos ao plano cartesiano como ℝ2 (não é ℝ ao quadrado, a leitura é ℝ dois, simbolizando duas dimensões reais). Desse modo, um ponto no plano cartesiano é formado por dois números, x e y, muitas vezes escritos na forma de coordenadas (𝑥; 𝑦). Mas atenção, 𝑥 e 𝑦 são dois números reais simbolizando uma localização no espaço bidimensional chamado ℝ2. Já o plano formado pelo eixo dos números reais e pelo eixo dos números imaginários é um plano no qual cada ponto representa um número único, chamado de número complexo, que engloba tanto os números reais puros quanto os imaginários puros. Esse plano recebe o nome de Plano de Argand-Gauss em homenagem aos matemáticos de referência nesse assunto. Assim, temos dois planos similares em aparência, mas muito diferentes em seus fundamentos. Não é raro vermos gráficos mistos, com o eixo horizontal indicando 𝑥 e o eixo vertical indicando 𝑦 e, ainda assim, representar um número complexo 𝑧 nesse plano. Professor Marçal Aula 13: ENEM 19 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Vamos evitar esse tipo de notação no curso. No entanto, se você vir esta notação mista em exercícios ou até na sua prova, entenda tratar-se de uma notação alternativa e use normalmente a teoria que estamos estudando para os números complexos, ok? Quando marcamos um número complexo no plano de Argand-Gauss, a marca propriamente dita recebe o nome de afixo do número complexo. Cuidado para não confundir com um ponto do plano cartesiano! Exercício de fixação 01) Marque os afixos dos números complexos no plano de Argand-Gauss. a) 𝑎 = 2 + 𝑖 b) 𝑏 = −1 + 2𝑖 c) 𝑐 = −2 − 4𝑖 d) 𝑑 = 3𝑖 e) 𝑒 = 1 f) 𝑓 = −3 g) 𝑔 = 3 − 2𝑖 h) ℎ = −1 − 𝑖 i) 𝑘 = 4 + 5𝑖 j) 𝑚 = −3𝑖 Gabarito: Professor Marçal Aula 13: ENEM 20 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 2. FORMAS DE SE ESCREVER UM NÚMERO COMPLEXO Como você simbolizaria numericamente esse desenho? Já recebi muitas respostas diferentes para essa pergunta. As mais comuns foram: 8 ; 7 ; 1 + 3 4 ; 1,75 𝑒 7 4 Se você respondeu 8, provavelmente contou todos os quadradinhos. Se você respondeu 7, provavelmente contou os quadradinhos pintados. Se você respondeu 1 + 3 4 , 1,75 ou 7 4 , provavelmente pensou nos dois conjuntos, cada um com 4 quadradinhos simbolizando uma unidade. Do modo como a pergunta foi feita, não há, ao pé da letra, uma resposta correta. Podemos interpretar o que vimos de vários modos. Vamos considerar, aqui, que cada conjunto de 4 quadradinhos realmente representem uma unidade, portanto, cada quadradinho representaria 1 4 de unidade. Dessa forma, os quadradinhos pintados representam: 1 + 3 4 = 7 4 = 1,75 = 175 100 = 175 % O interessante é que, matematicamente, todas essas expressões são equivalentes. Esse é um exemplo de como temos muitas maneiras de representar algo matematicamente. O mesmoacontece com os números complexos. Para um número complexo genérico 𝑧, com a parte real 𝑅𝑒(𝑧) = 𝑎 e a parte imaginária 𝐼𝑚(𝑧) = 𝑏, temos as seguintes opções de notação, ou formas, todas equivalentes. Professor Marçal Aula 13: ENEM 21 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Vamos aprender a utilizar todas essas notações nos próximos tópicos. 3. AS QUATRO OPERAÇÕES COM OS NÚMEROS COMPLEXOS Como já vimos em outros tópicos, ao entrarmos em um conjunto numérico novo, devemos entender como as operações algébricas são definidas para os elementos do conjunto em questão. Com os números complexos isso não é diferente. Vamos, então, estudar como realizar as quatro operações básicas (soma, subtração, multiplicação e divisão) com números complexos. 3.1. SOMA E SUBTRAÇÃO Já vimos que a parte real e a parte imaginária de um número complexo não se misturam e a soma ou a subtração com esses elementos fica indicada. No entanto, quando temos dois ou mais números complexos, podemos somá-los ou subtrair um do outro tranquilamente; mas com suas partes operadas de modo independente. Assim, se temos dois números complexos genéricos 𝑧1 = 𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖 𝑧2 = 𝑐 + 𝑑 ⋅ 𝑖 A soma desses números é definida por 𝑧1 + 𝑧2 = (𝑎 + 𝑐) + (𝑏 + 𝑑) ⋅ 𝑖 Vejamos alguns exemplos. Dados os números Número complexo 𝑧 𝑅𝑒 𝑧 = 𝑎 Parte real de 𝑧 𝐼𝑚 𝑧 = 𝑏 Parte imaginária de 𝑧 𝑧 = 𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖 Forma algébrica 𝑧 = 𝑎, 𝑏 Forma de par ordenado 𝑧 = 𝑧 ⋅ cos 𝜃 + 𝑖 ⋅ sen 𝜃 Forma trigonométrica Professor Marçal Aula 13: ENEM 22 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 𝑧1 = 2 + 3𝑖 𝑧2 = 1 − 𝑖 𝑧3 = −4 + 3𝑖 Façamos as seguintes operações: 𝑧1 + 𝑧2 𝑧1 + 𝑧3 𝑧2 + 𝑧3 A primeira soma é representada por 𝑧1 + 𝑧2 = (2 + 3𝑖) + (1 − 𝑖) Vamos separar as partes real e imaginária de cada um desses números complexos. 𝑧1 + 𝑧2 = 2 + 3𝑖 + 1 − 𝑖 𝑧1 + 𝑧2 = 2 + 1 + 3𝑖 − 𝑖 𝑧1 + 𝑧2 = (2 + 1) + (3𝑖 − 𝑖) E fazer a operação de soma propriamente dita. 𝑧1 + 𝑧2 = (2 + 1) + (3𝑖 − 𝑖) 𝑧1 + 𝑧2 = (3) + (2𝑖) 𝑧1 + 𝑧2 = 3 + 2𝑖 Mais uma. 𝑧1 + 𝑧3 = (2 + 3𝑖) + (−4 + 3𝑖) Separando as partes real e imaginária. 𝑧1 + 𝑧3 = 2 + 3𝑖 − 4 + 3𝑖 𝑧1 + 𝑧3 = 2 − 4 + 3𝑖 + 3𝑖 𝑧1 + 𝑧3 = (2 − 4) + (3𝑖 + 3𝑖) Somando. 𝑧1 + 𝑧3 = (−2) + (6𝑖) 𝑧1 + 𝑧3 = −2 + 6𝑖 Agora que já entendemos o que está sendo feito, sejamos mais práticos um pouco. Vamos somar diretamente as partes real e imaginária. 𝑧2 + 𝑧3 = (1 − 𝑖) + (−4 + 3i) Como os parênteses estão sem função, podemos eliminá-los e efetuar a soma. 𝑧2 + 𝑧3 = 1 −𝑖 −4 +3𝑖 𝑧2 + 𝑧3 = −3 +2𝑖 𝑧2 + 𝑧3 = −3 + 2𝑖 Professor Marçal Aula 13: ENEM 23 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Para a subtração, não é diferente. Fazemos, também, a parte real com a parte real e a parte imaginária com a parte imaginária. Tomando nossos números genéricos 𝑧1 = 𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖 𝑧2 = 𝑐 + 𝑑 ⋅ 𝑖 Podemos pensar na subtração como 𝑧1 − 𝑧2 = (𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖) − (𝑐 + 𝑑 ⋅ 𝑖) ⋅ 𝑖 Distribuindo o sinal de negativo, temos. 𝑧1 − 𝑧2 = (𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖) − (𝑐 + 𝑑 ⋅ 𝑖) 𝑧1 − 𝑧2 = 𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖 − 𝑐 − 𝑑 ⋅ 𝑖 Finalmente, agrupando as partes real e imaginária, temos. 𝑧1 − 𝑧2 = (𝑎 − 𝑐) + (𝑏 − 𝑑) ⋅ 𝑖 Não há necessidade de se decorar essas fórmulas, basta tomar o cuidado de não misturar as partes real e imaginária dos números e de distribuir inicialmente o sinal de negativo quando houver. Se você estiver confortável com o processo, pode até fazer essa etapa mentalmente. Vejamos alguns exemplos práticos, ainda com os números complexos 𝑧1 = 2 + 3𝑖 𝑧2 = 1 − 𝑖 𝑧3 = −4 + 3𝑖 Primeira subtração. 𝑧1 − 𝑧2 = (2 + 3𝑖) − (1 − 𝑖) 𝑧1 − 𝑧2 = (2 + 3𝑖) − (1 − 𝑖) 𝑧1 − 𝑧2 = 2 + 3𝑖 − 1 + 𝑖 Lembre-se: menos com menos. Antes, pensávamos: “menos com menos dá mais” Agora, já podemos pensar na multiplicação de dois negativos como duas rotações de 180° sucessivas, pois ampliamos nossa visão acerca da multiplicação numérica. Professor Marçal Aula 13: ENEM 24 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Assim, podemos obter o resultado da subtração aglutinando as partes semelhantes. 𝑧1 − 𝑧2 = 2 +3𝑖 −1 +𝑖 𝑧1 − 𝑧2 = −1 +4𝑖 𝑧1 − 𝑧2 = −1 + 4𝑖 Vejamos mais alguns exemplos. 𝑧1 − 𝑧3 = (2 + 3𝑖) − (−4 + 3𝑖) 𝑧1 − 𝑧3 = (2 + 3𝑖) − (−4 + 3𝑖) 𝑧1 − 𝑧3 = 2 + 3𝑖 + 4 − 3𝑖 𝑧1 − 𝑧3 = 2 + 4 + 3𝑖 − 3𝑖 𝑧1 − 𝑧3 = 6 + 0𝑖 𝑧1 − 𝑧3 = 6 Interessante. Subtraímos um número complexo de outro e o resultado foi um número real puro. O último, prometo. 𝑧2 − 𝑧3 = (1 − 𝑖) − (−4 + 3𝑖) 𝑧2 − 𝑧3 = (1 − 𝑖) − (−4 + 3𝑖) 𝑧2 − 𝑧3 = 1 − 𝑖 + 4 − 3𝑖 𝑧2 − 𝑧3 = 1 + 4 − 3𝑖 − 𝑖 𝑧2 − 𝑧3 = 5 − 4𝑖 Professor Marçal Aula 13: ENEM 25 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 3.2. MULTIPLICAÇÃO Para a multiplicação de números complexos, tenhamos duas coisas em mente: as regras da multiplicação algébrica continuam valendo e 𝑖 = √−1. No mais, podemos operar normalmente, como estávamos acostumados, veja. Ainda com os números complexos 𝑧1 = 2 + 3𝑖 𝑧2 = 1 − 𝑖 𝑧3 = −4 + 3𝑖 Façamos as seguintes operações: 𝑧1 ⋅ 𝑧2 𝑧1 ⋅ 𝑧3 𝑧2 ⋅ 𝑧3 Primeiro produto. 𝑧1 ⋅ 𝑧2 = (2 + 3𝑖) ⋅ (1 − 𝑖) Apliquemos a distributiva, como fazemos com os binômios. 𝑧1 ⋅ 𝑧2 = (2 + 3𝑖) ⋅ (1 − 𝑖) 𝑧1 ⋅ 𝑧2 = 2 ⋅ 1 + 2 ⋅ (−𝑖) + 3𝑖 ⋅ 1 − 3𝑖 ⋅ 𝑖 Fazendo os produtos (inclusive os sinais). 𝑧1 ⋅ 𝑧2 = 2 − 2𝑖 + 3𝑖 − 3𝑖 2 𝑧1 ⋅ 𝑧2 = 2 + 𝑖 − 3𝑖 2 Chegamos a um ponto crucial na multiplicação de números complexos. Lembre-se, 𝑖 = √−1, ou seja, 𝑖2 = −1. 𝑧1 ⋅ 𝑧2 = 2 + 𝑖 − 3𝑖 2 𝑧1 ⋅ 𝑧2 = 2 + 𝑖 − 3 ⋅ (−1) soma e subtração com números complexos parte real com parte real parte imaginária com parte imaginária Professor Marçal Aula 13: ENEM 26 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Menos com menos? Duas rotações de 180°, resultando em mais. 𝑧1 ⋅ 𝑧2 = 2 + 𝑖 + 3 𝑧1 ⋅ 𝑧2 = 5 + 𝑖 Ok, professor, é até fácil. Mas o que significa, realmente, multiplicar dois números complexos? Excelente pergunta! Vamos entender esse processo do início. Em uma multiplicação entre números reais, temos, na verdade, uma soma “disfarçada”, em que um dos produtos significa em quantas parcelas o termo multiplicado aparece. 3 ⋅ 5 = 5 + 5 + 5⏟ 3 𝑝𝑎𝑟𝑐𝑒𝑙𝑎𝑠 O produto entre números reais é comutativo, ou seja, 3 ⋅ 5 = 5 ⋅ 3. No entanto, eles significam coisas diferentes. A rigor, temos: 3 ⋅ 5 = 5 ⋅ 3 5 + 5 + 5⏟ 3 𝑝𝑎𝑟𝑐𝑒𝑙𝑎𝑠 = 3 + 3 + 3 + 3 + 3⏟ 5 𝑝𝑎𝑟𝑐𝑒𝑙𝑎𝑠 15 = 15 Entendido o que significa o produto entre dois números reais, vamos avançar para os números complexos. Nosso estudo do produto se dará em duas etapas: a etapa algébrica e a etapa gráfica. Na etapa algébrica, calcularemos o produto com as regras algébricas que já aprendemos. Na etapa gráfica, vamos comparar os afixos dos fatores e o afixo do produto em si. Nessa segunda etapa, estarão indicados nos planos complexos, além dos afixos, os ângulos dos números complexos e a distância de seus afixos à origem. Não se atenha a como calculá-los agora. Teremos um tópico nessa aula especificamente para isso. Foquemos nossas atenções aos números e suas relações. Vamos lá. Primeiro, a etapa algébrica. Calculemos os produtos a seguir. Professor Marçal Aula 13: ENEM 27 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br (𝟒 + 𝟑𝒊) ⋅ 𝒊 (𝟐 + 𝒊) ⋅ 𝟐𝒊 (𝟏 + 𝟑𝒊) ⋅ (𝟏 + 𝒊) (𝟐 + 𝒊) ⋅ (𝟏 + 𝟐𝒊) (4 + 3𝑖) ⋅ 𝑖 (2 + 𝑖) ⋅ 2𝑖 (1 + 3𝑖) ⋅ (1 + 𝑖) (2 + 𝑖) ⋅(1 + 2𝑖) 4𝑖 + 3𝑖 ⋅ 𝑖 2 ⋅ 2𝑖 + 𝑖 ⋅ 2𝑖 1 ⋅ 1 + 1 ⋅ 𝑖 + 3𝑖 ⋅ 1 + 3𝑖 ⋅ 𝑖 2 ⋅ 1 + 2 ⋅ 2𝑖 + 𝑖 ⋅ 1 + 𝑖 ⋅ 2𝑖 4𝑖 + 3𝑖2 4𝑖 + 2𝑖² 1 + 𝑖 + 3𝑖 + 3𝑖² 2 + 4𝑖 + 𝑖 + 2𝑖² 4𝑖 + 3𝑖2 4𝑖 + 2𝑖² 1 + 4𝑖 + 3𝑖² 2 + 5𝑖 + 2𝑖² 4𝑖 + 3 ⋅ (−1) 4𝑖 + 2 ⋅ (−1) 1 + 4𝑖 + 3 ⋅ (−1) 2 + 5𝑖 + 2 ⋅ (−1) 4𝑖 − 3 8𝑖 − 2 1 + 4𝑖 − 3 2 + 5𝑖 − 2 −3 + 4𝑖 −2 + 4𝑖 −2 + 4𝑖 5𝑖 Assim, conseguimos fazer os produtos algebricamente. Vamos, então, comparar os afixos dos fatores e dos produtos. No plano à esquerda, os afixos dos fatores; no da direita, do produto. Analise com calma as distâncias dos números à origem do plano complexo e os ângulos. Tente encontrar uma relação entre os valores dos fatores e do produto. Professor Marçal Aula 13: ENEM 28 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Professor Marçal Aula 13: ENEM 29 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Conseguiu perceber algum padrão? São duas proposições importantes: sobre as distâncias à origem e sobre os ângulos. O produto das distâncias entre os fatores e a origem é igual à distância entre o produto e a origem. Vejamos isso em cada um desses produtos. Professor Marçal Aula 13: ENEM 30 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 1 ⋅ 5 = 5 2 ⋅ 2,236 = 4,472 Professor Marçal Aula 13: ENEM 31 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Muito bem, conseguimos entender a relação entre as distâncias dos afixos até a origem. No produto, as distâncias são multiplicadas. 3,1623 ⋅ 1,4142 = 4,472 2,24 ⋅ 2,24 = 5 Professor Marçal Aula 13: ENEM 32 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Agora, vejamos a relação angular, que relação tem os ângulos dos fatores com o ângulo do produto. Como no caso da distância à origem, vamos analisar graficamente. 90° + 36,87° = 126,87° 90° + 26,57° = 116,57° Professor Marçal Aula 13: ENEM 33 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Assim, conseguimos entender o comportamento geométrico do produto entre números complexos. 3,1623 ⋅ 1,4142 = 4,472 63,43° + 26,57° = 90° Professor Marçal Aula 13: ENEM 34 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br No produto entre números complexos: as distâncias são multiplicadas; os ângulos, somados. Voltaremos a ver essas distâncias e ângulos mais à frente. Por ora, sigamos com a quarta operação fundamental: a divisão. 3.3. DIVISÃO Dados os números complexos 𝑧1 = 𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖 𝑧2 = 𝑐 + 𝑑 ⋅ 𝑖 Uma divisão entre dois números complexos seria algo do tipo: 𝑧3 = 𝑧1 𝑧2 Não existe um algoritmo para a divisão propriamente dita entre complexos. Para isso, utilizamos um artifício matemático chamado conjugado, semelhante ao que vimos nos conjugados dos binômios nos produtos notáveis (pois é, eles sempre aparecem). Dessa forma, vamos desenvolver algebricamente a divisão. 𝑧3 = 𝑧1 𝑧2 𝑧3 = 𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖 𝑐 + 𝑑 ⋅ 𝑖 Nesse ponto, multiplicaremos o segundo membro da equação por 1 , mas por um 1 especial, uma razão com numerador e denominador idênticos e de valor igual ao conjugado do denominador da fração original. Nossa, professor, agora complicou! Calma, a frase é difícil, mas o procedimento, não, veja. 𝑧3 = 𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖 𝑐 + 𝑑 ⋅ 𝑖 ⋅ 1 𝑧3 = 𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖 𝑐 + 𝑑 ⋅ 𝑖 ⋅ 𝑐 − 𝑑 ⋅ 𝑖 𝑐 − 𝑑 ⋅ 𝑖 Multiplicamos dessa maneira para que o produto da soma pela diferença apareça e acabe elevando ambos os membros ao quadrado, está lembrado? Professor Marçal Aula 13: ENEM 35 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 𝑧3 = (𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖) ⋅ (𝑐 − 𝑑 ⋅ 𝑖) (𝑐 + 𝑑 ⋅ 𝑖) ⋅ (𝑐 − 𝑑 ⋅ 𝑖) 𝑧3 = (𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖) ⋅ (𝑐 − 𝑑 ⋅ 𝑖) 𝑐2 − (𝑑 ⋅ 𝑖)2 Elevando a parte complexa ao quadrado, temos 𝑖2 = −1, ou seja, esse processo acaba por eliminar a parte complexa do denominador. 𝑧3 = (𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖) ⋅ (𝑐 − 𝑑 ⋅ 𝑖) 𝑐2 − 𝑑² ⋅ 𝑖² 𝑧3 = (𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖) ⋅ (𝑐 − 𝑑 ⋅ 𝑖) 𝑐2 − 𝑑² ⋅ (−1) 𝑧3 = (𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖) ⋅ (𝑐 − 𝑑 ⋅ 𝑖) 𝑐2 + 𝑑² Desse modo, temos uma transformação de uma divisão para uma multiplicação e já aprendemos a fazer as multiplicações, tanto algebricamente quanto graficamente. 𝑧3 = (𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖) ⋅ (𝑐 − 𝑑 ⋅ 𝑖) 𝑐2 + 𝑑² 𝑧3 = 𝑎𝑐 − 𝑎𝑑 ⋅ 𝑖 + 𝑏𝑐 ⋅ 𝑖 − 𝑏𝑑 ⋅ 𝑖2 𝑐2 + 𝑑² Como 𝑖2 = −1, temos. 𝑧3 = 𝑎𝑐 − 𝑎𝑑 ⋅ 𝑖 + 𝑏𝑐 ⋅ 𝑖 − 𝑏𝑑 ⋅ (−1) 𝑐2 + 𝑑² 𝑧3 = 𝑎𝑐 − 𝑎𝑑 ⋅ 𝑖 + 𝑏𝑐 ⋅ 𝑖 + 𝑏𝑑 𝑐2 + 𝑑² Agrupando os termos reais e imaginários, temos. 𝑧3 = (𝑎𝑐 + 𝑏𝑑) + (𝑏𝑐 − 𝑎𝑑) ⋅ 𝑖 𝑐2 + 𝑑² Professor Marçal Aula 13: ENEM 36 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Você não precisa decorar esse resultado. Toda vez que tivermos uma divisão, efetuaremos a multiplicação pelo conjugado e desenvolveremos na hora, é mais seguro que decorar a fórmula. No entanto, se você tem facilidade com memorização e quiser, fique à vontade para memorizá-la e utilizá-la diretamente, ok? Vamos praticar um pouco? Exercício de fixação 02) Efetue as divisões a seguir. 𝑧1 = 2 + 𝑖 3 − 2𝑖 𝑧2 = 5 − 𝑖 1 + 𝑖 𝑧3 = 𝑖 2 − 2𝑖 𝑧4 = 3 − 𝑖 𝑖 Comentários 𝑧1 = 2 + 𝑖 3 − 2𝑖 𝑧1 = 2 + 𝑖 3 − 2𝑖 ⋅ 3 + 2𝑖 3 + 2𝑖 𝑧1 = (2 + 𝑖) ⋅ (3 + 2𝑖) (3 − 2𝑖) ⋅ (3 + 2𝑖) 𝑧1 = (2 + 𝑖) ⋅ (3 + 2𝑖) 32 − (2 ⋅ 𝑖)2 𝑧1 = 2 ⋅ 3 + 2 ⋅ 2 ⋅ 𝑖 + 3 ⋅ 𝑖 + 2 ⋅ 𝑖2 9 − 2² ⋅ 𝑖² Lembre-se: 𝑖2 = −1. 𝑧1 = 6 + 4𝑖 + 3𝑖 + 2 ⋅ (−1) 9 − 4 ⋅ (−1) 𝑧1 = 6 + 4𝑖 + 3𝑖 − 2 9 + 4 Conjugado de 3 − 2𝑖 Professor Marçal Aula 13: ENEM 37 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Agrupando os termos reais e imaginários. 𝑧1 = 6 + 4𝑖 + 3𝑖 − 2 9 + 4 = 4 + 7𝑖 13 Podemos parar por aqui. No entanto, é muito comum vermos, nos livros e nas provas, a divisão também separada para as partes real e imaginária do número complexo. 𝑧1 = 4 13 + 7𝑖 13 As notações são equivalentes, então, quando a ocasião não exigir uma ou outra forma, fica a seu critério qual usar. Próximo. 𝑧2 = 5 − 𝑖 1 + 𝑖 𝑧2 = 5 − 𝑖 1 + 𝑖 ⋅ 1 − i 1 − i 𝑧2 = (5 − 𝑖) ⋅ (1 − i) (1 + 𝑖) ⋅ (1 − i) 𝑧2 = (5 − 𝑖) ⋅ (1 − i) 12 − (𝑖)2 𝑧2 = 5 ⋅ 1 − 5 ⋅ 𝑖 − 1 ⋅ 𝑖 + 𝑖2 1 − 𝑖2 Lembre-se: 𝑖2 = −1. 𝑧2 = 5 − 5𝑖 − 𝑖 + (−1) 1 − (−1) 𝑧2 = 5 − 5𝑖 − 𝑖 − 1 1 + 1 Conjugado de 1 + 𝑖 Professor Marçal Aula 13: ENEM 38 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Agrupando os termos reais e imaginários. 𝑧2 = 5 − 5𝑖 − 𝑖 − 1 1 + 1 𝑧2 = 4 − 6𝑖 2 𝑧2 = 2 − 3𝑖 Mais um. 𝑧3 = 𝑖 2 − 2𝑖 𝑧3 = 𝑖 2 − 2𝑖 ⋅ 2 + 2𝑖 2 + 2𝑖 𝑧3 = 𝑖 ⋅ (2 + 2𝑖) 2 − 2𝑖 ⋅ (2 + 2𝑖) 𝑧3 = 𝑖 ⋅ (2 + 2𝑖) 22 − (2 ⋅ 𝑖)2 𝑧3 = 2𝑖 + 2 ⋅ 𝑖2 4 − 2² ⋅ 𝑖² Lembre-se: 𝑖2 = −1. 𝑧3 = 2𝑖 + 2 ⋅ (−1) 4 − 4 ⋅ (−1) 𝑧3 = 2𝑖 − 2 4 + 4 𝑧3 = 2𝑖 − 2 8 𝑧3 = − 2 8 + 2 ⋅ 𝑖 8 Conjugado de 2 − 2𝑖 Professor Marçal Aula 13: ENEM 39 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Aqui, podemos fazer uma simplificação. 𝑧3 = − 2 8 4 + 2 𝑖 8 4 𝑧3 = − 1 4 + 𝑖 4 O último. 𝑧4 = 3 − 𝑖 𝑖 Aqui, não precisamos multiplicar pelo conjugado, visto que não temos os dois termos no denominador, então não conseguiremos produzir o produto notável diferença de dois quadrados. Para eliminarmos o númeroimaginário do denominador, basta que multipliquemos por 𝑖. 𝑧4 = 3 − 𝑖 𝑖 ⋅ 𝑖 𝑖 𝑧4 = (3 − 𝑖) ⋅ 𝑖 𝑖2 𝑧4 = 3𝑖 − 𝑖2 𝑖2 E quanto vale 𝑖2? −1. 𝑧4 = 3𝑖 − (−1) −1 𝑧4 = 3𝑖 + 1 −1 Separando as frações. 𝑧4 = 1 −1 + 3𝑖 −1 𝑧4 = −1 − 3𝑖 4. CONJUGADO DE UM NÚMERO COMPLEXO Vimos que na divisão utilizamos a ideia de conjugado, a mesma ideia que usávamos nos binômios para definir, nos produtos notáveis, a diferença de dois quadrados, está lembrado? Professor Marçal Aula 13: ENEM 40 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Na divisão, nós utilizamos essa ideia de conjugado para atingir um fim específico: produzir um produto notável no denominador de modo a “eliminar” a parte imaginária dessa posição e, assim, transformar a divisão em uma multiplicação. Essa ideia de conjugado que utilizamos toma forma no que chamamos conjugado de um número complexo e sua notação é a seguinte: Dado o número complexo 𝑧 = 𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖 Seu conjugado algébrico é dado por 𝑧̅ = 𝑎 − 𝑏 ⋅ 𝑖 E como fica um conjugado no plano de Argand-Gauss? Simples. Você percebeu que só mudamos o sinal da parte imaginária do número complexo 𝑧? Assim, o afixo do conjugado de um número complexo 𝑧 traz simetria com o eixo dos números reais, horizontal. Vamos explicitar essa propriedade com um exercício. Exercício de fixação 03) Marque os afixos dos números complexos e de seus conjugados no plano de Argand- Gauss. a) 𝑎 = 2 + 𝑖 b) 𝑏 = −1 + 2𝑖 c) 𝑐 = −2 − 4𝑖 d) 𝑑 = 3𝑖 e) 𝑒 = 1 f) 𝑓 = −3 g) 𝑔 = 3 − 2𝑖 h) ℎ = −1 − 𝑖 i) 𝑘 = 4 + 5𝑖 j) 𝑚 = −3𝑖 Comentários Calculando os conjugados. a) 𝑎 = 2 + 𝑖 → �̅� = 2 − 𝑖 b) 𝑏 = −1 + 2𝑖 → �̅� = −1 − 2𝑖 c) 𝑐 = −2 − 4𝑖 → 𝑐̅ = −2 + 4𝑖 d) 𝑑 = +3𝑖 → �̅� = −3𝑖 e) 𝑒 = 1 → �̅� = 1 f) 𝑓 = −3 → 𝑓̅ = −3 g) 𝑔 = 3 − 2𝑖 → �̅� = 3 + 2𝑖 h) ℎ = −1 − 𝑖 → ℎ̅ = −1 + 𝑖 i) 𝑘 = 4 + 5𝑖 → �̅� = 4 − 5𝑖 j) 𝑚 = −3𝑖 → �̅� = +3𝑖 Marcando os conjugados no plano Argand-Gauss. Professor Marçal Aula 13: ENEM 41 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Professor Marçal Aula 13: ENEM 42 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Professor Marçal Aula 13: ENEM 43 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 5. FORMA TRIGONOMÉTRICA DOS NÚMEROS COMPLEXOS Vimos no início da aula três formas de escrevermos um número complexo: Veremos, agora, como utilizar a forma trigonométrica 𝑧 = |𝑧| ⋅ (cos(𝜃) + 𝑖 ⋅ sen(𝜃)) Antes de entrarmos no assunto propriamente dito, façamos uma breve retomada dos conceitos de seno e cosseno, já que precisaremos bastante deles por aqui. Número complexo 𝑧 𝑧 = 𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖 Forma algébrica 𝑧 = 𝑎, 𝑏 Forma de par ordenado 𝑧 = 𝑧 ⋅ cos 𝜃 + 𝑖 ⋅ sen 𝜃 Forma trigonométrica Professor Marçal Aula 13: ENEM 44 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 5.1. REVISANDO SENO E COSSENO E TANGENTE NO TRIÂNGULO RETÂNGULO Quanto estudamos senos e cossenos no triângulo retângulo vimos que, dado um triângulo retângulo e definido um ângulo 𝜃, temos: sen(𝜃) = 𝑐𝑎𝑡𝑒𝑡𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜 ℎ𝑖𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑢𝑠𝑎 = 𝑐𝑜 ℎ𝑖𝑝 cos(𝜃) = 𝑐𝑎𝑡𝑒𝑡𝑜 𝑎𝑑𝑗𝑎𝑐𝑒𝑛𝑡𝑒 ℎ𝑖𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑢𝑠𝑎 = 𝑐𝑎 ℎ𝑖𝑝 tg(𝜃) = 𝑐𝑎𝑡𝑒𝑡𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑐𝑎𝑡𝑒𝑡𝑜 𝑎𝑑𝑗𝑎𝑐𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑐𝑜 𝑐𝑎 Quando estamos no plano Argand-Gauss, o afixo do número complexo explicita a distância deste à origem, sua parte real e sua parte imaginária. Perceba que há, entre esses elementos, uma semelhança com o triângulo retângulo anterior, veja. Professor Marçal Aula 13: ENEM 45 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Para uma comparação mais direta, vamos retirar o triângulo do plano Argand-Gauss. Para simplificação, chamaremos, a partir de agora, a distância entre o afixo de 𝑧 e a origem de módulo de 𝑧, ou |𝑧|. Professor Marçal Aula 13: ENEM 46 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Desse modo, podemos fazer um paralelo entre os triângulos e as razões seno e cosseno, veja. sen(𝜃) = 𝑐𝑜 ℎ𝑖𝑝 = 𝑏 |𝑧| cos(𝜃) = 𝑐𝑎 ℎ𝑖𝑝 = 𝑎 |𝑧| tg(𝜃) = 𝑐𝑜 𝑐𝑎 = 𝑏 𝑎 Simplificando as equações do seno e do cosseno, temos. 𝐬𝐞𝐧(𝜽) = 𝒄𝒐 𝒉𝒊𝒑 = 𝒃 |𝒛| 𝐜𝐨𝐬(𝜽) = 𝒄𝒂 𝒉𝒊𝒑 = 𝒂 |𝒛| sen(𝜃) = 𝑏 |𝑧| cos(𝜃) = 𝑎 |𝑧| |𝑧| ⋅ sen(𝜃) = 𝑏 |𝑧| ⋅ |𝑧| |𝑧| ⋅ cos(𝜃) = 𝑎 |𝑧| ⋅ |𝑧| |𝑧| ⋅ sen(𝜃) = 𝑏 |𝑧| ⋅ |𝑧| |𝑧| ⋅ cos(𝜃) = 𝑎 |𝑧| ⋅ |𝑧| |𝑧| ⋅ sen(𝜃) = 𝑏 |𝑧| ⋅ cos(𝜃) = 𝑎 É comum vermos |𝑧| representado pela letra grega rho (𝜌) e até pela letra minúscula 𝑟. |𝑧| = 𝜌 = 𝑟 5.2. FORMA TRIGONOMÉTRICA (OU POLAR) Como a forma algébrica de nosso número complexo 𝑧 é da forma 𝑧 = 𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖, podemos dizer que 𝑧 = 𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖 𝑧 = |𝑧| ⋅ cos(𝜃) + |𝑧| ⋅ sen(𝜃) ⋅ 𝑖 Colocando |𝑧| em evidência, temos. Professor Marçal Aula 13: ENEM 47 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 𝑧 = |𝑧| ⋅ (cos(𝜃) + sen(𝜃) ⋅ 𝑖) Ou, como muitos livros preferem, 𝑧 = |𝑧| ⋅ (cos(𝜃) + 𝑖 ⋅ sen(𝜃)) que é a nossa forma trigonométrica, ou forma polar, para o número complexo 𝑧. 5.3. NORMA DE UM NÚMERO COMPLEXO Vamos aplicar o teorema de Pitágoras no triângulo que fizemos para o número complexo 𝑧. Nessas condições, temos. |𝑧|2 = 𝑎2 + 𝑏2 Chamamos de Norma de um número complexo, 𝑁(𝑧), a expressão 𝑎2 + 𝑏2, assim, |𝑧|2 = 𝑎2 + 𝑏2 = 𝑁(𝑧) Extraindo a raiz quadrada de todos os termos da equação, temos: √|𝑧|2 = √𝑎2 + 𝑏2 = √𝑁(𝑧) |𝑧| = √𝑎2 + 𝑏2 = √𝑁(𝑧) 5.4. ARGUMENTO DE UM NÚMERO COMPLEXO O argumento de um número complexo 𝑧, simbolizado por arg(𝑧), é o próprio ângulo 𝜃, entre o segmento de reta que liga o afixo de 𝑧 à origem. Professor Marçal Aula 13: ENEM 48 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 6. POTENCIAÇÃO E RADICIAÇÃO NOS COMPLEXOS 6.1. POTENCIAÇÃO DE UM NÚMERO COMPLEXO Vamos, agora, fazer um paralelo entre a multiplicação entre números complexos e a potenciação. Vimos que, ao multiplicarmos dois números complexos, seus módulos são multiplicados e seus ângulos, somados. Se vamos elevar um número complexo, digamos, ao quadrado, é de se esperar que seu módulo seja elevado ao quadrado e seu ângulo, dobrado, como vimos nos gráficos anteriores. Graficamente, temos algo como: Professor Marçal Aula 13: ENEM 49 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Esse padrão se dá indefinidamente. A cada vez que multiplicamos um número por ele mesmo, multiplicamos seu módulo e somamos seu argumento. Escrevendo esse comportamento dentro da forma trigonométrica do número complexo, temos: 𝑧𝑛 = |𝑧|𝑛 ⋅ (cos(𝑛 ⋅ 𝜃) + 𝑖 ⋅ sen(𝑛 ⋅ 𝜃)) Onde 𝑧𝑛 = |𝑧|𝑛 ⋅ (cos( 𝑛 ⋅ 𝜃 ) + 𝑖 ⋅ sen( 𝑛 ⋅ 𝜃 )) Essa fórmula aparece nos livros com vários nomes diferentes: a primeira fórmula de Moivre (nomenclatura que usaremos durante o curso), fórmula de potenciação de De Moivre, ou ainda, fórmula de De Moivre. Exercício de fixação 04) Calcule 𝑖3 com a fórmula de Moivre. Comentários Embora saibamos o valor de 𝑖3, vamos aplicar a fórmula de Moivre para entender melhor seu funcionamento. O número 𝑖 está no eixo vertical, sua distância até a origem é de 1 unidade e seu argumento é de 90°. O ângulo original é multiplicado por 𝑛 Elevar um número complexo a potência 𝑛 O módulo é elevado à potência 𝑛 Professor Marçal Aula 13: ENEM 50 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br A fórmula de potenciação de Moivre nos diz que 𝑧𝑛 = |𝑧|𝑛 ⋅ (cos(𝑛 ⋅ 𝜃) +𝑖 ⋅ sen(𝑛 ⋅ 𝜃)). Aplicando ao número 𝑖, temos. 𝑖3 = |1|3 ⋅ (cos(3 ⋅ 90°) + 𝑖 ⋅ sen(3 ⋅ 90°)) 𝑖3 = 1 ⋅ (cos(270°) + 𝑖 ⋅ sen(270°)) 𝑖3 = 0 + i ⋅ (−1) 𝑖3 = −𝑖 Concordando com o que já havíamos visto acerca das potências de 𝑖. 6.2. RADICIAÇÃO DE UM NÚMERO COMPLEXO Se a primeira fórmula de Moivre trata sobre a potenciação, a segunda trata da operação inversa, a radiciação. A potenciação e a radiciação guardam uma relação, que já estudamos no início do curso: √𝑎𝑚 𝑛 = 𝑎 𝑚 𝑛 Assim, podemos entender a radiciação como um caso específico da potenciação com expoentes fracionários. Para o caso da raiz enésima de um número qualquer, podemos dizer apenas que √𝑎 𝑛 = 𝑎 1 𝑛 Vamos analisar a primeira fórmula de Moivre sob essa perspectiva. 𝑧𝑛 = |𝑧|𝑛 ⋅ (cos(𝑛 ⋅ 𝜃) + 𝑖 ⋅ sen(𝑛 ⋅ 𝜃)), onde 𝑧 = |𝑧| ⋅ (cos(𝜃) + 𝑖 ⋅ sen(𝜃)). Nesse mesmo princípio, se estamos procurando a raiz enésima de um número complexo, podemos escrever a mesma fórmula de Moivre para potenciação, mas com o expoente fracionário. √𝑧 𝑛 = 𝑧 1 𝑛 = |𝑧| 1 𝑛 ⋅ (cos ( 1 𝑛 ⋅ 𝜃) + 𝑖 ⋅ sen ( 1 𝑛 ⋅ 𝜃)) Ou, se preferir, √𝑧 𝑛 = 𝑧 1 𝑛 = |𝑧| 1 𝑛 ⋅ (cos ( 𝜃 𝑛 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 𝜃 𝑛 )) O problema é que essa fórmula só apresenta uma raiz e, como podemos perceber quando estudamos multiplicações de números complexos nos gráficos, há mais respostas que acabaram ficando ocultas. Na próxima aula nós veremos que a raiz enésima de um número complexo apresenta exatamente 𝑛 respostas, ou raízes. Professor Marçal Aula 13: ENEM 51 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Essas outras raízes que estão ocultas não apareceram pelo fato de estarmos lidando com senos e cossenos, funções cíclicas que podem apresentar infinitas respostas para uma equação dentro de sua amplitude. Dentro dessas infinitas respostas, muitas são equivalentes entre si, outras não. Mas como vamos descobri-las e diferenciar umas das outras? Simples. Para que não deixemos resposta alguma de fora, vamos adicionar um termo cíclico ao ângulo 𝜃, e, em vez de considerá-lo único, vamos considerá-lo a cada volta do ciclo trigonométrico, ou seja, substituiremos 𝜃 por 𝜃 + 2 ⋅ 𝑘 ⋅ 𝜋, com 𝑘 ∈ ℤ. Dessa forma, não deixamos raiz alguma de fora. Mas, em contrapartida, estamos considerando infinitas respostas, mas foi dito que teríamos apenas 𝑛 respostas. Como fazemos para escolher uma de cada tipo, sem repetir as que são equivalentes? Simples também. Nós vamos considerar quaisquer 𝑛 inteiros e consecutivos. Se queremos calcular uma raiz cúbica, escolheremos 3 números inteiros consecutivos para nossa fórmula. Se estamos atrás de uma raiz quinta, 5 números inteiros e consecutivos. Raiz décima? 10 números inteiros e consecutivos. Mas professor, se eu estiver calculando uma raiz quarta, terei que escolher 4 números inteiros e consecutivos para colocar no lugar de 𝑘 na fórmula, correto? Correto. Posso começar do 22 e escolher 22,23,24 e 25? Pode, claro. Você pode escolher, sim, quaisquer 4 números inteiros e consecutivos, inclusive negativos. No entanto, dará muito trabalho. Por isso, aconselho sempre começar a sua escolha pelo zero e, daí, seguir até 𝑛 − 1. No caso da raiz quarta que você perguntou, indico escolher 𝑘 = 0,1,2,3. Corrigindo a fórmula para que consigamos todas as raízes de um número complexo, temos. √𝑧 𝑛 = √|𝑧| 𝑛 ⋅ (cos ( 𝜃 𝑛 + 2 ⋅ 𝑘 ⋅ 𝜋 𝑛 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 𝜃 𝑛 + 2 ⋅ 𝑘 ⋅ 𝜋 𝑛 )) 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑘 = 0,1,2,3, … , 𝑛 − 1. O ângulo original é dividido por 𝑛 Extrair a raiz enésima de um número complexo Extrai-se a raiz enésima do módulo do número complexo Professor Marçal Aula 13: ENEM 52 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br As duas fórmulas de Moivre podem ser escritas tanto com os ângulos em radianos (𝜃, 𝜋) quanto em graus (𝜃, 180°). Essa é a segunda fórmula de Moivre e a utilizamos sempre que precisamos calcular a raiz enésima de um número complexo. Vamos fazer um exercício para praticar? Exercício de fixação 05) Calcule, com a segunda fórmula de Moivre, as raízes dos seguintes números complexos. a) √−1 b) √𝑖 3 c) √16(cos(120°) + 𝑖 ⋅ sen(120°)) 4 Comentários a) √−1 Professor, eu já sei quanto é a raiz de −1, é 𝑖. Preciso mesmo calcular? Pois é, lembra-se de que dissemos que para uma raiz enésima há 𝑛 repostas? Para uma raiz quadrada, esperamos ter 2 raízes e 𝑖 é somente uma, qual é a outra raiz? Vamos aplicar a fórmula e descobrir. O número −1 está no eixo dos reais, a uma distância de uma unidade da origem, portanto de módulo 1 e com 180° ou 𝜋 𝑟𝑎𝑑 de argumento. Assim, podemos montar a segunda fórmula de Moivre para a raiz quadrada de −1. Professor Marçal Aula 13: ENEM 53 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br √−1 = √−1 2 = √|−1| 2 ⋅ (cos ( 𝜋 2 + 2 ⋅ 𝑘 ⋅ 𝜋 2 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 𝜋 2 + 2 ⋅ 𝑘 ⋅ 𝜋 2 )) 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑘 = 0,1. Para 𝑘 = 0. √−1 = √|−1| 2 ⋅ (cos ( 𝜋 2 + 2 ⋅ 0 ⋅ 𝜋 2 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 𝜋 2 + 2 ⋅ 0 ⋅ 𝜋 2 )) √−1 = √1 ⋅ (cos ( 𝜋 2 + 0) + 𝑖 ⋅ sen ( 𝜋 2 + 0)) √−1 = 1 ⋅ (cos ( 𝜋 2 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 𝜋 2 )) √−1 = 1 ⋅ (0 + 𝑖 ⋅ 1) √−1 = 𝑖 Que é a raiz que já conhecíamos. Para 𝑘 = 1. √−1 = √|−1| 2 ⋅ (cos ( 𝜋 2 + 2 ⋅ 1 ⋅ 𝜋 2 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 𝜋 2 + 2 ⋅ 1 ⋅ 𝜋 2 )) √−1 = √1 ⋅ (cos ( 𝜋 2 + 2𝜋 2 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 𝜋 2 + 2𝜋 2 )) √−1 = √1 ⋅ (cos ( 3𝜋 2 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 3𝜋 2 )) √−1 = 1 ⋅ (0 + 𝑖 ⋅ (−1)) √−1 = −𝑖 Que é a raiz que ainda não conhecíamos. Portanto, temos duas raízes quadradas para −1: 𝑖 e −𝑖. b) √𝑖 3 Como já vimos, número 𝑖 está no eixo vertical, sua distância até a origem é de 1 unidade e seu argumento é de 90°. Professor Marçal Aula 13: ENEM 54 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Assim, vamos aplicar a fórmula de Moivre para calcularmos as raízes cúbicas de 𝑖. Como exercício, vamos utilizá-la com os ângulos em graus. √𝑖 3 = √|1| 3 ⋅ (cos ( 90° 3 + 2 ⋅ 𝑘 ⋅ 180° 3 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 90° 3 + 2 ⋅ 𝑘 ⋅ 180° 3 )) 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑘 = 0,1,2. Para 𝑘 = 0. √𝑖 3 = √|1| 3 ⋅ (cos ( 90° 3 + 2 ⋅ 0 ⋅ 180° 3 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 90° 3 + 2 ⋅ 0 ⋅ 180° 3 )) √𝑖 3 = √1 3 ⋅ (cos(30°) + 𝑖 ⋅ sen(30°)) √𝑖 3 = 1 ⋅ ( √3 2 + 𝑖 ⋅ 1 2 ) √𝑖 3 = √3 2 + 1 2 ⋅ 𝑖 Para 𝑘 = 1. √𝑖 3 = √|1| 3 ⋅ (cos ( 90° 3 + 2 ⋅ 1 ⋅ 180° 3 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 90° 3 + 2 ⋅ 1 ⋅ 180° 3 )) √𝑖 3 = √1 3 ⋅ (cos(30° + 120°) + 𝑖 ⋅ sen(30° + 120°)) √𝑖 3 = 1 ⋅ (cos(150°) + 𝑖 ⋅ sen(150°)) Professor Marçal Aula 13: ENEM 55 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br √𝑖 3 = − √3 2 + 𝑖 ⋅ ( 1 2 ) √𝑖 3 = − √3 2 + 1 2 𝑖 Para 𝑘 = 2. √𝑖 3 = √|1| 3 ⋅ (cos ( 90° 3 + 2 ⋅ 2 ⋅ 180° 3 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 90° 3 + 2 ⋅ 2 ⋅ 180° 3 )) √𝑖 3 = √1 3 ⋅ (cos(30° + 240°) + 𝑖 ⋅ sen(30° + 240°)) √𝑖 3 = 1 ⋅ (cos(270°) + 𝑖 ⋅ sen(270°)) √𝑖 3 = 0 + 𝑖 ⋅ (−1) √𝑖 3 = −𝑖 Portanto, temos três raízes cúbicas para 𝑖: √3 2 + 1 2 ⋅ 𝑖 , − √3 2 + 1 2 𝑖 𝑒 − 𝑖 c) √16(cos(120°) + 𝑖 ⋅ sen(120°)) 4 Como nosso número complexo já está com o argumento em graus, usaremos nossa fórmula também em graus. Por simplicidade, chamemos 𝑧 = 16(cos(120°) + 𝑖 ⋅ sen(120°)). Dessa forma, √𝑧 4 = √16 4 ⋅ (cos ( 120° 4 + 2 ⋅ 𝑘 ⋅ 180° 4 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 120° 4 + 2 ⋅ 𝑘 ⋅ 180° 4 )) 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑘 = 0,1,2,3. Para 𝑘 = 0. √𝑧 4 = √16 4 ⋅ (cos ( 120° 4 + 2 ⋅ 0 ⋅ 180° 4 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 120° 4 + 2 ⋅ 0 ⋅ 180° 4 )) √𝑧 4 = 2 ⋅ (cos(30° + 0) + 𝑖 ⋅ sen(30° + 0)) √𝑧 4 = 2 ⋅ (cos(30°) + 𝑖 ⋅ sen(30°)) √𝑧 4 = 2 ⋅ ( √3 2 + 𝑖 ⋅ 1 2 ) √𝑧 4 = 2 ⋅ √3 2 + 2 ⋅ 𝑖 ⋅ 1 2 √𝑧 4 = √3 + 𝑖 ⋅ 1 √𝑧 4 = √3 + 𝑖 Professor Marçal Aula 13: ENEM 56 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.brPara 𝑘 = 1. √𝑧 4 = √16 4 ⋅ (cos ( 120° 4 + 2 ⋅ 1 ⋅ 180° 4 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 120° 4 + 2 ⋅ 1 ⋅ 180° 4 )) √𝑧 4 = 2 ⋅ (cos(30° + 90°) + 𝑖 ⋅ sen(30° + 90°)) √𝑧 4 = 2 ⋅ (cos(120°) + 𝑖 ⋅ sen(120°)) Reduzindo ao primeiro quadrante, temos. √𝑧 4 = 2 ⋅ (− cos(60°) + 𝑖 ⋅ sen(60°)) √𝑧 4 = 2 ⋅ (− 1 2 + 𝑖 ⋅ √3 2 ) √𝑧 4 = − 2 ⋅ 1 2 + 2 ⋅ 𝑖 ⋅ √3 2 √𝑧 4 = −1 + √3𝑖 Para 𝑘 = 2. √𝑧 4 = √16 4 ⋅ (cos ( 120° 4 + 2 ⋅ 2 ⋅ 180° 4 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 120° 4 + 2 ⋅ 2 ⋅ 180° 4 )) √𝑧 4 = 2 ⋅ (cos(30° + 180°) + 𝑖 ⋅ sen(30° + 180°)) √𝑧 4 = 2 ⋅ (cos(210°) + 𝑖 ⋅ sen(210°)) Reduzindo ao primeiro quadrante, temos. √𝑧 4 = 2 ⋅ (− cos(30°) + 𝑖 ⋅ (−sen(30°))) √𝑧 4 = 2 ⋅ (− √3 2 + 𝑖 ⋅ (− 1 2 )) √𝑧 4 = − 2 ⋅ √3 2 − 2 ⋅ 𝑖 ⋅ 1 2 √𝑧 4 = −√3 − 𝑖 Para 𝑘 = 3. √𝑧 4 = √16 4 ⋅ (cos ( 120° 4 + 2 ⋅ 3 ⋅ 180° 4 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 120° 4 + 2 ⋅ 3 ⋅ 180° 4 )) √𝑧 4 = 2 ⋅ (cos(30° + 270°) + 𝑖 ⋅ sen(30° + 270°)) √𝑧 4 = 2 ⋅ (cos(300°) + 𝑖 ⋅ sen(300°)) Reduzindo ao primeiro quadrante, temos. √𝑧 4 = 2 ⋅ (cos(60°) + 𝑖 ⋅ (−sen(60°))) Professor Marçal Aula 13: ENEM 57 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br √𝑧 4 = 2 ⋅ ( 1 2 + 𝑖 ⋅ (− √3 2 )) √𝑧 4 = 2 ⋅ 1 2 − 2 ⋅ 𝑖 ⋅ √3 2 √𝑧 4 = 1 − √3𝑖 Portanto, temos quatro raízes quartas para 16(cos(120°) + 𝑖 ⋅ sen(120°)): √3 + 𝑖 , − 1 + √3𝑖 , − √3 − 𝑖 𝑒 1 − √3𝑖 7. RESUMO Número complexo 𝑧 = 𝑎 + 𝑏𝑖 𝑅𝑒 𝑧 = 𝑎 Parte real de 𝑧 𝐼𝑚 𝑧 = 𝑏 Parte imaginária de 𝑧 𝑁 𝑧 = 𝑎2 + 𝑏2 Norma de 𝑧 𝑧 = 𝑎2 + 𝑏2 Módulo de 𝑧 𝑧 = 𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖 Forma algébrica 𝑧 = 𝑎, 𝑏 Forma de par ordenado 𝑧 = 𝑧 ⋅ cos 𝜃 + 𝑖 ⋅ sen 𝜃 Forma trigonométrica 𝑧𝑛 = 𝑧 𝑛 ⋅ cos 𝑛 ⋅ 𝜃 + 𝑖 ⋅ sen 𝑛 ⋅ 𝜃 1ª fórmula de Moivre Potenciação 𝑛 𝑧 = 𝑛 𝑧 ⋅ cos 𝜃 𝑛 + 2 ⋅ 𝑘 ⋅ 𝜋 𝑛 + 𝑖 ⋅ sen 𝜃 𝑛 + 2 ⋅ 𝑘 ⋅ 𝜋 𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑘 = 0,1,2,3, … , 𝑛 − 1. 2ª fórmula de Moivre Radiciação Professor Marçal Aula 13: ENEM 58 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 8. FÓRMULAS, DEMONSTRAÇÕES E COMENTÁRIOS 8.1. DEDUÇÃO DA PRIMEIRA FÓRMULA DE MOIVRE Tomemos dois números complexos 𝑧1 = |𝑧1| ⋅ (cos(𝜃1) + 𝑖 ⋅ sen(𝜃1)) 𝑧2 = |𝑧2| ⋅ (cos(𝜃2) + 𝑖 ⋅ sen(𝜃2)) Então 𝑧1 ⋅ 𝑧2 = |𝑧1| ⋅ (cos(𝜃1) + 𝑖 ⋅ sen(𝜃1)) ⋅ |𝑧2| ⋅ (cos(𝜃2) + 𝑖 ⋅ sen(𝜃2)) 𝑧1 ⋅ 𝑧2 = |𝑧1| ⋅ |𝑧2| ⋅ (cos(𝜃1) + 𝑖 ⋅ sen(𝜃1)) ⋅ (cos(𝜃2) + 𝑖 ⋅ sen(𝜃2)) 𝑧1 ⋅ 𝑧2 = |𝑧1| ⋅ |𝑧2| ⋅ (cos(𝜃1) + 𝑖 ⋅ sen(𝜃1)) ⋅ (cos(𝜃2) + 𝑖 ⋅ sen(𝜃2)) 𝑧1 ⋅ 𝑧2 = |𝑧1||𝑧2|(cos(𝜃1) cos(𝜃2) + cos(𝜃1) 𝑖 sen(𝜃2) + 𝑖 sen(𝜃1) cos(𝜃2) + 𝑖 sen(𝜃1) 𝑖 sen(𝜃2)) 𝑧1 ⋅ 𝑧2 = |𝑧1||𝑧2|(cos(𝜃1) cos(𝜃2) + (cos(𝜃1) sen(𝜃2) + sen(𝜃1) cos(𝜃2))𝑖 + 𝑖² sen(𝜃1) 𝑖 sen(𝜃2)) 𝑧1 ⋅ 𝑧2 = |𝑧1||𝑧2|(cos(𝜃1) cos(𝜃2) + (cos(𝜃1) sen(𝜃2) + sen(𝜃1) cos(𝜃2))𝑖 + (−1) sen(𝜃1) 𝑖 sen(𝜃2)) 𝑧1 ⋅ 𝑧2 = |𝑧1||𝑧2|(cos(𝜃1) cos(𝜃2) + (cos(𝜃1) sen(𝜃2) + sen(𝜃1) cos(𝜃2))𝑖 − sen(𝜃1) 𝑖 sen(𝜃2)) 𝑧1 ⋅ 𝑧2 = |𝑧1||𝑧2|(cos(𝜃1) cos(𝜃2) − sen(𝜃1) 𝑖 sen(𝜃2) + (cos(𝜃1) sen(𝜃2) + sen(𝜃1) cos(𝜃2))𝑖) 𝑧1 ⋅ 𝑧2 = |𝑧1||𝑧2|(cos(𝜃1 + 𝜃2) + (sen(𝜃1 + 𝜃2))𝑖) 𝑧1 ⋅ 𝑧2 = |𝑧1||𝑧2|(cos(𝜃1 + 𝜃2) + 𝑖 ⋅ (sen(𝜃1 + 𝜃2))) Ao multiplicar dois números complexos, multiplica-se os módulos e soma-se os argumentos. Dessa forma, ao tomar um número complexo genérico 𝑧 = |𝑧| ⋅ (cos(𝜃) + 𝑖 ⋅ sen(𝜃)) Aplicando a fórmula da multiplicação anterior, temos. Professor Marçal Aula 13: ENEM 59 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 𝑧 ⋅ 𝑧 = |𝑧| ⋅ |𝑧| ⋅ (cos(𝜃 + 𝜃) + 𝑖 ⋅ sen(𝜃 + 𝜃)) 𝑧2 = |𝑧|2 ⋅ (cos(2𝜃) + 𝑖 ⋅ sen(2𝜃)) Reaplicando. 𝑧3 = 𝑧 ⋅ 𝑧2 = |𝑧| ⋅ |𝑧|2 ⋅ (cos(𝜃 + 2𝜃) + 𝑖 ⋅ sen(𝜃 + 2𝜃)) 𝑧3 = |𝑧|3 ⋅ (cos(3𝜃) + 𝑖 ⋅ sen(3𝜃)) Reaplicando. 𝑧4 = 𝑧 ⋅ 𝑧3 = |𝑧| ⋅ |𝑧|3 ⋅ (cos(𝜃 + 3𝜃) + 𝑖 ⋅ sen(𝜃 + 3𝜃)) 𝑧4 = |𝑧|4 ⋅ (cos(4𝜃) + 𝑖 ⋅ sen(4𝜃)) Se continuarmos o padrão indefinidamente, temos. 𝑧𝑛 = |𝑧|𝑛 ⋅ (cos(𝑛𝜃) + 𝑖 ⋅ sen(𝑛𝜃)) Que é a primeira fórmula de Moivre, a fórmula para a potenciação de um número complexo na forma trigonométrica. 8.2. RADICIAÇÃO DE COMPLEXOS NA FORMA ALGÉBRICA Uma fórmula muito útil para calcular a raiz quadrada de números complexos é dada por 𝑧 = 𝑎 + 𝑏𝑖 √𝑧 = ±(√ |𝑧| + 𝑎 2 ± √ |𝑧| − 𝑎 2 ⋅ 𝑖) Essa fórmula não substitui a fórmula de Moivre 8.3. NOTAÇÃO CIS(Θ) Embora não usual nos vestibulares, o número complexo 𝑧 = |𝑧| ⋅ (cos(𝜃) + 𝑖 ⋅ sen(𝜃)) pode ser escrito com a notação 𝑐𝑖𝑠(𝜃) substituindo cos(𝜃) + 𝑖 ⋅ sen(𝜃). 𝑧 = |𝑧| ⋅ 𝑐𝑖𝑠(𝜃) Professor Marçal Aula 13: ENEM 60 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 9. QUESTÕES DE VESTIBULARES ANTERIORES 1. (EEAR/2019) A parte real das raízes complexas da equação 𝑥² − 4𝑥 + 13 = 0, é igual a a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 2. (Espcex/2019) No plano complexo, temos uma circunferência 𝜆 de raio 2 centrada na origem. Sendo 𝐴𝐵𝐶𝐷 um quadrado inscrito à 𝜆, de acordo com a figura abaixo, podemos afirmar que o número complexo que representa o vértice 𝐵 é 𝑎) − 1 2 + √3 2 𝑖 𝑏) − √3 − 𝑖 𝑐) − 1 + √3𝑖 𝑑) − 1 2 − √3 2 𝑖 𝑒) − √3 2 + 1 2 𝑖 3. (Pucsp/2018) Considere os números complexos 𝑧1 = 𝑎 + 𝑏𝑖, 𝑧2 = −𝑏 + 3𝑖 e 𝑧3 = −𝑏 + 3𝑖, com 𝑎 e 𝑏 números inteiros. Sabendo que 𝑧1 + 𝑧2 + 𝑧3 = 0, o valor de ( 𝑧2 𝑧1 ) 3 é igual a a) 1. b) −1. c) −𝑖. d) 𝑖. Professor Marçal Aula 13: ENEM 61 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 4. (FGV/2017) Seja 𝑍 um número complexo cujo afixo 𝑃 está localizado no 1° quadrante do plano complexo, e sejam 𝐼, 𝐼𝐼, 𝐼𝐼𝐼, 𝐼𝑉 e 𝑉 os afixos de cinco outros números complexos, conforme indica a figura seguinte. Se a circunferência traçada na figura possui raio 1 e está centrada na origem do plano complexo, então o afixo de 1 𝑍 pode ser a) 𝐼. b) 𝐼𝐼 c) 𝐼𝐼𝐼. d) 𝐼𝑉. e) 𝑉. 5. (Mackenzie/2017) Se 2 + 𝑖 𝛽 + 2𝑖 tem parte imaginária igual a zero, então o número real 𝛽 é igual a a) 4 b) 2 c) 1 d) -2 e) -4 6. (Unicamp/2016) Considere o número complexo 𝑧 = 1 + 𝑎𝑖 𝑎 − 𝑖 , onde 𝑎 é um número real e 𝑖 é a unidade imaginária, isto é, 𝑖2 = −1. O valor de 𝑧2016 é igual a a) 2016. b) 1. c) 1 + 2016𝑖. d) 𝑖. 7. (Espcex/2016) Se (1 + 𝑖) ⋅ (cos ( 𝜋 12 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 𝜋 12 )) = 𝑥 + 𝑦 ⋅ 𝑖 em que i é a unidade imaginária e 𝑥 e 𝑦 são números reais, o valor de √3 ⋅ 𝑥 + 𝑦 é Professor Marçal Aula 13: ENEM 62 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 𝑎) √6 𝑏) √3 𝑐) √2 2 𝑑) 3√6 𝑒) √3 2 8. (Unicamp/2015) Sejam 𝑥 e 𝑦 números reais tais que 𝑥 + 𝑦𝑖 = √3 + 4𝑖, onde 𝑖 é a unidade imaginária. O valor de 𝑥𝑦 é igual a a) -2. b) -1. c) 1. d) 2. 9. (Unicamp/2014) O módulo do número complexo 𝑧 = 𝑖2014 − 𝑖1987 é igual a a) √2 b) 0 c) √3 d) 1 10. (Unicamp/2013) Chamamos de unidade imaginária e denotamos por 𝑖 o número complexo tal que 𝑖2 = −1. Então 𝑖0 + 𝑖1 + 𝑖2 + 𝑖3 +⋯+ 𝑖2013 vale a) 0 b) 1 c) 𝑖 d) 1 + 𝑖 11. (Unesp/2008) Considere o número complexo 𝑧 = cos ( 𝜋 6 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 𝜋 6 ) O valor de 𝑧3 + 𝑧6 + 𝑧12 é 𝑎) − 𝑖 𝑏) 1 2 + √3 2 𝑖 𝑐) 𝑖 − 2 𝑑) 𝑖 𝑒) 2𝑖 12. (Unesp/2006) A figura representa, no plano complexo, um semicírculo de centro na origem e raio 1. Professor Marçal Aula 13: ENEM 63 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Indique por 𝑅𝑒(𝑧), 𝐼𝑚(𝑧) e |𝑧| a parte real, a parte imaginária e o módulo de um número complexo𝑧 = 𝑥 + 𝑦𝑖, respectivamente, onde 𝑖 indica a unidade imaginária. A única alternativa que contém as condições que descrevem totalmente o subconjunto do plano que representa a região sombreada, incluindo sua fronteira, é a) 𝑅𝑒(𝑧) ≥ 0, 𝐼𝑚(𝑧) ≥ 0 e |𝑧| ≤ 1 b) 𝑅𝑒(𝑧) ≥ 0, 𝐼𝑚(𝑧) ≤ 0 e |𝑧| ≤ 1 c) 𝑅𝑒(𝑧) ≥ 0 e |𝑧| ≥ 1 d) 𝐼𝑚(𝑧) ≥ 0 e |𝑧| ≥ 1 e) 𝑅𝑒(𝑧) ≥ 0e |𝑧| ≤ 1 13. (Unesp/2003) Se 𝑧 = (2 + 𝑖) ⋅ (1 + 𝑖) ⋅ 𝑖, então, o conjugado de 𝑧 será dado por a) −3 − 𝑖 b) 1 − 3𝑖 c) 3 − 𝑖 d) −3 + 𝑖 e) 3 + 𝑖 14. (Unesp/1999) Considere o número complexo 𝑧 = 𝑖, onde 𝑖 é a unidade imaginária. O valor de 𝑧4 + 𝑧3 + 𝑧2 + 𝑧 + 1 𝑧 é a) −1 b) 0 c) 1 d) 𝑖 e) −𝑖 15. (Fuvest/1998) Dentre os números complexos z = a + bi, não nulos, que têm argumento igual a 𝜋 4 , aquele cuja representação geométrica está sobre a parábola 𝑦 = 𝑥² é a) 1 + 𝑖 b) 1 − 𝑖 c) −1 − 𝑖 d) √2 + √2 ⋅ 𝑖 e) −√2 + 2 ⋅ 𝑖 16. (Fuvest/1997) Sendo 𝑖 a unidade imaginária (𝑖2 = −1) pergunta-se: quantos números reais a existem para os quais (𝑎 + 𝑖)4 é um número real? a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) infinitos 17. (Fuvest/1996) Dado o número complexo 𝑧 = √3 + 𝑖 qual é o menor valor do inteiro 𝑛 ≥ 1 para o qual 𝑧𝑛 é um número real? a) 2 b) 4 c) 6 d) 8 e) 10 18. (Fuvest/1995) Sabendo que 𝛼 é um número real e que a parte imaginária do número complexo 2 + 𝑖 𝛼 + 2𝑖 Professor Marçal Aula 13: ENEM 64 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br é zero, então 𝛼 é: a) −4. b) −2. c) 1. d) 2. e) 4. 19. (Unesp/1990) O diagrama que melhor representa as raízes cúbicas de −𝑖 é Professor Marçal Aula 13: ENEM 65 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 10. GABARITO DAS QUESTÕES DE VESTIBULARES ANTERIORES 1. B 2. C 3. C 4. C 5. A 6. B 7. A 8. D 9. A 10. D 11. D 12. E 13. A 14. E 15. A 16. C 17. C 18. E 19. B Professor Marçal Aula 13: ENEM 66 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 11. QUESTÕES DE VESTIBULARES ANTERIORES RESOLVIDAS E COMENTADAS 1. (EEAR/2019) A parte real das raízes complexas da equação 𝑥² − 4𝑥 + 13 = 0, é igual a a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 Comentários Muito bem, vamos resolver a equação do segundo grau como faríamos normalmente, com a fórmula de Bhaskara. 𝑥² − 4𝑥 + 13 = 0 ∆= 𝑏2 − 4 ∙ 𝑎 ∙ 𝑐 = (−4)2 − 4 ∙ 1 ∙ 13 = 16 − 52 = −36 𝑥 = −𝑏 ± √∆ 2𝑎 = −(−4) ± √−36 2 ⋅ 1 = 4 ± √−36 2 Agora que encontramos uma raiz quadrada de número negativo, podemos decompô-la em duas raízes, uma positiva e uma negativa de módulo 1, veja. √−36 = √(36) ⋅ (−1) = √36 ⋅ √−1 Como 𝑖 = √−1, temos. √−36 = √(36) ⋅ (−1) = √36 ⋅ √−1 = 6 ⋅ 𝑖 Voltemos à nossa equação. 𝑥 = 4 ± √−36 2 == 4 ± 6 ⋅ 𝑖 2 { 𝑥′ = 4 + 6 ⋅ 𝑖 2 = 4 2 + 6 ⋅ 𝑖 2 = 2 + 3 ⋅ 𝑖 ) 𝑥′′ = 4 − 6 ⋅ 𝑖 2 = 4 2 − 6 ⋅ 𝑖 2 = 2 − 3 ⋅ 𝑖 Como o exercício nos pede qual é a parte real das raízes complexas da equação, nossa resposta é 2. Gabarito: b) Professor Marçal Aula 13: ENEM 67 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 2. (Espcex/2019) No plano complexo, temos uma circunferência 𝜆 de raio 2 centrada na origem. Sendo 𝐴𝐵𝐶𝐷 um quadrado inscrito à 𝜆, de acordo com a figura abaixo, podemos afirmar que o número complexo que representa o vértice 𝐵 é 𝑎) − 1 2 + √3 2 𝑖 𝑏) − √3 − 𝑖 𝑐) − 1 + √3𝑖 𝑑) − 1 2 − √3 2 𝑖 𝑒) − √3 2 + 1 2 𝑖 Comentários Para sairmos do ponto 𝐴 e irmos para o ponto 𝐵, sendo ambos vértices de um quadrado, temos que percorrer 90° no sentido anti-horário. Além disso, todos os vértices estão em uma circunferência de raio 2, ou seja, o módulo dos números complexos 𝐴, 𝐵, 𝐶, 𝐷 são todos iguais a 2. Professor Marçal Aula 13: ENEM 68 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Assim, sabemos que |𝐵| = 2 e arg(𝐵) = 120°. Desse modo, podemos escrever o número complexo 𝐵 na forma trigonométrica. 𝐵 = |𝐵| ⋅ (cos(120°) + 𝑖 ⋅ sen(120°)) Da tabela de senos e cossenos, tiramos seno e cosseno de 120°. 𝐵 = 2 ⋅ (− 1 2 + 𝑖 ⋅ √3 2 ) Distribuindo o 2. 𝐵 = 2 ⋅ (− 1 2 + 𝑖 ⋅ √3 2 ) 𝐵 = −2 ⋅ 1 2 + 𝑖 ⋅ 2 ⋅ √3 2 𝐵 = − 2 ⋅ 1 2 + 𝑖 ⋅ 2 ⋅ √3 2 Professor Marçal Aula 13: ENEM 69 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 𝐵 = 1 + 𝑖√3 Ou, se preferir, 𝐵 = 1 + √3 ⋅ 𝑖 Gabarito: c) 3. (Pucsp/2018) Considere os números complexos 𝑧1 = 𝑎 + 𝑏𝑖, 𝑧2 = −𝑏 + 𝑎𝑖 e 𝑧3 = −𝑏 + 3𝑖, com 𝑎 e 𝑏 números inteiros. Sabendo que 𝑧1 + 𝑧2 + 𝑧3 = 0, o valor de ( 𝑧2 𝑧1 ) 3 é igual a a) 1. b) −1. c) −𝑖. d) 𝑖. Comentários Comecemos da soma fornecida pelo enunciado. 𝑧1 + 𝑧2 + 𝑧3 = 0 Substituindo os valores de 𝑧1, 𝑧2 e 𝑧3 na equação. 𝑎 + 𝑏𝑖 − 𝑏 + 𝑎𝑖 − 𝑏 + 3𝑖 = 0 Como estamos tratando de uma equação complexa, vamos escrever o segundo membro, também, na forma complexa. 𝑎 + 𝑏𝑖 − 𝑏 + 𝑎𝑖 − 𝑏 + 3𝑖 = 0 + 0𝑖 Agrupando os valores reais e imaginários. 𝑎 + 𝑏𝑖 − 𝑏 + 𝑎𝑖 − 𝑏 + 3𝑖 = 0 + 0𝑖 𝑎 − 𝑏 − 𝑏 + 𝑏𝑖 + 𝑎𝑖 + 3𝑖 = 0 + 0𝑖 Colocando 𝑖 em evidência para os números imaginários. (𝑎 − 𝑏 − 𝑏) + (𝑏 + 𝑎 + 3)𝑖 = 0 + 0𝑖 Nesse ponto, podemos igualar, entre os dois membros da equação, tanto as partes imaginárias quanto as partes reais, o que leva a um sistema de duas equações e duas incógnitas. { 𝑎 − 𝑏 − 𝑏 = 0 𝑏 + 𝑎 + 3 = 0 → { 𝑎 − 2𝑏 = 0 𝑎 + 𝑏 + 3 = 0 → { 𝑎 = 2𝑏 𝑎 + 𝑏 + 3 = 0 Professor Marçal Aula 13: ENEM 70 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Substituindo 𝑎 = 2𝑏 na segunda equação. { 𝑎 = 2𝑏 𝑎 + 𝑏 + 3 = 0 → { 𝑎 = 2𝑏 2𝑏 + 𝑏 + 3 = 0 → { 𝑎 = 2𝑏 3𝑏 + 3 = 0 → { 𝑎 = 2𝑏 3𝑏 = −3 → { 𝑎 = 2𝑏 𝑏 = −1 Substituindo 𝑏 = −1 na primeira equação. { 𝑎 = 2𝑏 𝑏 = −1 → { 𝑎 = 2(−1) 𝑏 = −1 → { 𝑎 = −2 𝑏 = −1 Desse modo, podemos estabelecer os valores de todos os números complexos do enunciado. { 𝑧1 = 𝑎 + 𝑏𝑖 𝑧2 = −𝑏 + 𝑎𝑖 𝑧3 = −𝑏 + 3𝑖 → { 𝑧1 = −2 − 1𝑖 𝑧2 = −(−1) − 2𝑖 𝑧3 = −1 + 3𝑖 → { 𝑧1 = −2 − 𝑖 𝑧2 = 1 − 2𝑖 𝑧3 = −1 + 3𝑖 De posse dos valores dos complexos, podemos partir para a próxima etapa: calcular o valor da expressão ( 𝑧2 𝑧1 ) 3 Substituindo os valores de 𝑧1 e 𝑧2 na expressão. ( 1 − 2𝑖 −2 − 𝑖 ) 3 Primeiro, os parênteses. Para a divisão entre números complexos, usaremos o conjugado do complexo que está no denominador. ( 1 − 2𝑖 −2 − 𝑖 ⋅ −2 + 𝑖 −2 + 𝑖 ) 3 No numerador, produto comum entre complexos. No denominador, produto notável: diferença de dois quadrados. ( (1 − 2𝑖) ⋅ (−2 + 𝑖) (−2)2 − (𝑖)2 ) 3 ( 1 ⋅ (−2) + 1 ⋅ 𝑖 − 2𝑖(−2) − 2𝑖 ⋅ 𝑖 4 − 𝑖² ) 3 Professor Marçal Aula 13: ENEM 71 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br ( −2 + 𝑖 + 4𝑖 − 2𝑖2 4 − 𝑖² ) 3 Como 𝑖2 = −1, temos. ( −2 + 𝑖 + 4𝑖 − 2(−1) 4 − (−1) ) 3 ( −2 + 𝑖 + 4𝑖 + 2 4 + 1 ) 3 ( − 2 + 5𝑖 + 2 5 ) 3 ( 5 𝑖 5 ) 3 (𝑖)3 Com as potências de 𝑖, chegamos à conclusão: (𝑖)3 = 𝑖2 ⋅ 𝑖 = −1 ⋅ 𝑖 = −𝑖 Gabarito: c) 4. (FGV/2017) Seja 𝑍 um número complexo cujo afixo 𝑃 está localizado no 1° quadrante do plano complexo, e sejam 𝐼, 𝐼𝐼, 𝐼𝐼𝐼, 𝐼𝑉 e 𝑉 os afixos de cinco outros números complexos, conforme indica a figura seguinte. Professor Marçal Aula 13: ENEM 72 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Se a circunferência traçada na figura possui raio 1 e está centrada na origem do planocomplexo, então o afixo de 1 𝑍 pode ser a) 𝐼. b) 𝐼𝐼 c) 𝐼𝐼𝐼. d) 𝐼𝑉. e) 𝑉. Comentários Vamos decifrando o enunciado por partes. “Seja 𝑍 um número complexo...” Então, 𝑍 = 𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖 “...cujo afixo 𝑃 está localizado no 1° quadrante do plano complexo...” Se ele está localizado no 1° quadrante, temos 𝑎 > 0 e 𝑏 > 0. “...o afixo de 1 𝑍 pode ser...” Para saber onde estaria o afixo de 1 𝑍 , podemos calculá-lo de maneira literal e, daí, descobrirmos qual seria o seu quadrante. Vamos lá. 1 𝑍 = 1 𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖 Para divisões entre números complexos, complementar. 1 𝑍 = 1 𝑎 + 𝑏 ⋅ 𝑖 ⋅ 𝑎 − 𝑏 ⋅ 𝑖 𝑎 − 𝑏 ⋅ 𝑖 No numerador, produto normal. No denominador, produto notável. 1 𝑍 = 1 ⋅ (𝑎 − 𝑏 ⋅ 𝑖) 𝑎2 − (𝑏 ⋅ 𝑖)2 1 𝑍 = 𝑎 − 𝑏 ⋅ 𝑖 𝑎2 − 𝑏² ⋅ 𝑖² Sabemos que 𝑖2 = −1, portanto 1 𝑍 = 𝑎 − 𝑏 ⋅ 𝑖 𝑎2 − 𝑏² ⋅ (−1) 1 𝑍 = 𝑎 − 𝑏 ⋅ 𝑖 𝑎2 − 𝑏² ⋅ (−1) 1 𝑍 = 𝑎 − 𝑏 ⋅ 𝑖 𝑎2 + 𝑏² Professor Marçal Aula 13: ENEM 73 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Separando a parte real e a parte imaginária em frações independentes. 1 𝑍 = 𝑎 𝑎2 + 𝑏² − 𝑏 𝑎2 + 𝑏2 ⋅ 𝑖 Agora, analisemos. Sobre o quadrante, podemos perceber que a parte real é positiva, enquanto a parte imaginária é negativa, indicando o quarto quadrante como lugar do afixo de 1 𝑍 . A questão traz dois afixos no terceiro quadrante, 𝐼𝐼𝐼 e 𝑉. Para decidir qual deles é o afixo de 1 𝑍 nessas condições, temos que analisar o módulo de 1 𝑍 , se ele é maior ou menor que o raio da esfera que, neste caso, é igual a 1. Não precisamos, aqui, aplicar a fórmula do módulo, pois podemos analisar diretamente as partes real e imaginária, veja. Na parte real de 1 𝑍 𝑎 𝑎2 + 𝑏² , temos que, qualquer que sejam 𝑎 e 𝑏, positivos como já concluímos, o denominador 𝑎2 + 𝑏² sempre será maior que o próprio número 𝑎, portanto, a fração sempre será de módulo menor que 1, nunca maior. | 𝑎 𝑎2 + 𝑏² | < 1 Além disso, como só temos números positivos, temos que a fração também é positiva, ou seja, maior que zero. 0 < 𝑎 𝑎2 + 𝑏² < 1 A mesma análise é feita para a parte imaginária de 1 𝑍 . Se 𝑎 e 𝑏 são positivos, o denominador 𝑎2 + 𝑏2 também é maior que 𝑏, indicando a fração como de módulo menor que 1. | 𝑏 𝑎2 + 𝑏2 | < 1 Do mesmo modo que a parte imaginária, todos os números envolvidos na fração são positivos, indicando que a fração também é positiva, ou seja, maior que zero. 0 < 𝑏 𝑎2 + 𝑏2 < 1 Se ambas as frações estão entre 0 e 1, nosso número complexo 1 𝑍 só pode estar na parte interna da circunferência. Professor Marçal Aula 13: ENEM 74 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br Dessa forma, concluímos que o número complexo 1 𝑍 está no quarto quadrante pelo sinal de negativo na parte imaginária e que ele está dentro da circunferência, por suas frações representarem números entre 0 e 1 para suas partes imaginária e real. O único afixo nessas condições é o de número 𝐼𝐼𝐼. Gabarito: c) 5. (Mackenzie/2017) Se 2 + 𝑖 𝛽 + 2𝑖 tem parte imaginária igual a zero, então o número real 𝛽 é igual a a) 4 b) 2 c) 1 d) -2 e) -4 Comentários Vamos, então, trabalhar com o número complexo proposto. 2 + 𝑖 𝛽 + 2𝑖 O enunciado informou que nosso número complexo tem parte imaginária igual a zero, então, simbolizemos essa informação na forma de equação. 2 + 𝑖 𝛽 + 2𝑖 = 𝑎 + 0 ⋅ 𝑖 Para divisões entre números complexos? Conjugado. Multiplicando pelo conjugado do denominador. 2 + 𝑖 𝛽 + 2𝑖 ⋅ 𝛽 − 2𝑖 𝛽 − 2𝑖 = 𝑎 + 0 ⋅ 𝑖 No numerador, produto normal. No denominador, produto notável. (2 + 𝑖) ⋅ (𝛽 − 2𝑖) 𝛽2 − (2𝑖)² = 𝑎 + 0 ⋅ 𝑖 (2 + 𝑖) ⋅ (𝛽 − 2𝑖) 𝛽2 − 2²𝑖² = 𝑎 + 0 ⋅ 𝑖 2 ⋅ 𝛽 − 2 ⋅ 2𝑖 + 𝑖 ⋅ 𝛽 − 𝑖 ⋅ 2𝑖 𝛽2 − 4𝑖² = 𝑎 + 0 ⋅ 𝑖 Professor Marçal Aula 13: ENEM 75 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 2 ⋅ 𝛽 − 4𝑖 + 𝛽𝑖 − 2𝑖² 𝛽2 − 4𝑖² = 𝑎 + 0 ⋅ 𝑖 Como 𝑖2 = −1, temos. 2 ⋅ 𝛽 − 4𝑖 + 𝛽𝑖 − 2 ⋅ (−1) 𝛽2 − 4 ⋅ (−1) = 𝑎 + 0 ⋅ 𝑖 2 ⋅ 𝛽 − 4𝑖 + 𝛽𝑖 − 2 ⋅ (−1) 𝛽2 − 4 ⋅ (−1) = 𝑎 + 0 ⋅ 𝑖 2 ⋅ 𝛽 − 4𝑖 + 𝛽𝑖 + 2 𝛽2 + 4 = 𝑎 + 0 ⋅ 𝑖 Separando as partes real e imaginária no primeiro membro da equação. 2 ⋅ 𝛽 + 2 − 4𝑖 + 𝛽𝑖 𝛽2 + 4 = 𝑎 + 0 ⋅ 𝑖 Separando as partes real e imaginária em frações independentes. 2 ⋅ 𝛽 + 2 𝛽2 + 4 + −4𝑖 + 𝛽𝑖 𝛽2 + 4 = 𝑎 + 0 ⋅ 𝑖 Colocando 𝑖 em evidência no primeiro membro da equação e reescrevendo. 2 ⋅ 𝛽 + 2 𝛽2 + 4 + −4 + 𝛽 𝛽2 + 4 ⋅ 𝑖 = 𝑎 + 0 ⋅ 𝑖 2 ⋅ 𝛽 + 2 𝛽2 + 4 + 𝛽 − 4 𝛽2 + 4 ⋅ 𝑖 = 𝑎 + 0 ⋅ 𝑖 Com uma equação complexa e os dois membros apresentando as partes real e imaginária separadas, podemos igualá-las de forma independente. Tenhamos em mente que o enunciado nos pediu o valor de 𝛽. Se trabalharmos igualando as partes reais da equação, teríamos que trabalhar, também, com o valor da incógnita 𝑎, o que não é solicitado no exercício. Se trabalharmos igualando as partes imaginárias, não precisamos passar pela incógnita 𝑎 e acabamos por economizar algum tempo. Dessa forma, optaremos por igualar as partes imaginárias dos dois membros da equação. 𝛽 − 4 𝛽2 + 4 = 0 Multiplicando os dois membros da equação por 𝛽2 + 4. Professor Marçal Aula 13: ENEM 76 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br (𝛽2 + 4) ⋅ 𝛽 − 4 𝛽2 + 4 = 0. (𝛽2 + 4) (𝛽2 + 4) ⋅ 𝛽 − 4 𝛽2 + 4 = 0 𝛽 − 4 = 0 Somando 4 a ambos os membros da equação. 𝛽 − 4 + 4 = 0 + 4 𝛽 − 4 + 4 = 0 + 4 𝛽 = 4 Gabarito: a) 6. (Unicamp/2016) Considere o número complexo 𝑧 = 1 + 𝑎𝑖 𝑎 − 𝑖 , onde 𝑎 é um número real e 𝑖 é a unidade imaginária, isto é, 𝑖2 = −1. O valor de 𝑧2016 é igual a a) 2016. b) 1. c) 1 + 2016𝑖. d) 𝑖. Comentários Antes de fazermos a potência de 𝑧, vamos efetuar a divisão proposta. Para divisões entre números complexos: conjugado. Multiplicando o segundo membro pelo conjugado do denominador. 𝑧 = 1 + 𝑎𝑖 𝑎 − 𝑖 ⋅ 𝑎 + 𝑖 𝑎 + 𝑖 No numerador, produto comum. No denominador, produto notável. 𝑧 = (1 + 𝑎𝑖) ⋅ (𝑎 + 𝑖) 𝑎² − 𝑖² 𝑧 = (1 + 𝑎𝑖) ⋅ (𝑎 + 𝑖) 𝑎² − 𝑖² 𝑧 = 1 ⋅ 𝑎 + 1 ⋅ 𝑖 + 𝑎𝑖 ⋅ 𝑎 + 𝑎𝑖 ⋅ 𝑖 𝑎² − 𝑖² Professor Marçal Aula 13: ENEM 77 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 𝑧 = 𝑎 + 𝑖 + 𝑎²𝑖 + 𝑎𝑖² 𝑎² − 𝑖² Lembre-se: 𝑖2 = −1. 𝑧 = 𝑎 + 𝑖 + 𝑎2𝑖 + 𝑎 ⋅ (−1) 𝑎² − (−1) 𝑧 = 𝑎 + 𝑖 + 𝑎2𝑖 − 𝑎 𝑎2 + 1 𝑧 = 𝑖 + 𝑎2𝑖 𝑎2 + 1 Colocando 𝑖 em evidência no numerador. 𝑧 = (1 + 𝑎2) ⋅ 𝑖 𝑎2 + 1 Reescrevendo o numerador na mesma ordem do denominador. 𝑧 = (1 + 𝑎2) ⋅ 𝑖 𝑎2 + 1 Simplificando. 𝑧 = (𝑎2 + 1) ⋅ 𝑖 𝑎2 + 1 𝑧 = 𝑖 Perceba que, ao simplificar o número complexo 𝑧, nosso trabalho com a potência ficou extremamente reduzido. Elevando ambos os membros da equação a 2016, temos. 𝑧2016 = 𝑖2016 Vimos na teoria que as potências de 𝑖 são cíclicas e se repetem a cada 4 termos. Como 2016 é múltiplo de 4 (2016 = 4 ⋅ 504), temos que 𝑧2016 = 𝑖2016 𝑧2016 = (𝑖4)504 Sabemos que 𝑖4 = 1, então 𝑧2016 = (𝑖4)504 = (1)504 = 1 Gabarito: b) Professor Marçal Aula 13: ENEM 78 102 Aula 13 – Números complexos www.estrategiavestibulares.com.br 7. (Espcex/2016) Se (1 + 𝑖) ⋅ (cos ( 𝜋 12 ) + 𝑖 ⋅ sen ( 𝜋 12 )) = 𝑥 + 𝑦 ⋅ 𝑖 em que i é a unidade imaginária e 𝑥 e 𝑦 são números reais, o valor de √3 ⋅ 𝑥 + 𝑦 é 𝑎) √6 𝑏) √3 𝑐) √2 2 𝑑) 3√6 𝑒) √3 2 Comentários Para conseguirmos os valores de 𝑥 e de 𝑦, precisamos efetuar o produto dos números complexos presentes no primeiro membro da equação.