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Bachillerato

Complejos en forma polar: productos y cocientes

Un complejo a+bi es un punto del plano. Podemos localizarlo diciendo cuánto avanzamos por cada eje, o diciendo su distancia al origen y hacia dónde apunta. La forma polar usa esta segunda descripción y hace visibles los giros de una multiplicación.

1. El mismo punto tiene componentes o distancia y dirección

Escribimos z=a+bi, con a,b reales e i²=−1.

El punto es (a,b): a es la parte real y b la parte imaginaria, que es un número real; bi es el término imaginario completo.

Las componentes tienen signo; el módulo mide distancia
El punto y el giro dicen lo mismoRe zIm z120°−33√3r=6z=−3+3√3 i6·cos120° = −36·sin120° = 3√3El módulo es una distancia ≥0.
Plano complejo con igual escala de treinta y cinco unidades de dibujo por unidad real en ambos ejes. El punto menos tres más tres raíz de tres i está en el segundo cuadrante. El triángulo une el origen con su proyección real menos tres y su altura tres raíz de tres. La distancia al origen es seis y el arco desde el semieje real positivo gira ciento veinte grados en sentido antihorario. Las componentes se recuperan como seis coseno de ciento veinte y seis seno de ciento veinte. El signo negativo pertenece a la coordenada real, no a la distancia.
Su módulo r=√(a²+b²) es la distancia al origen.

Si z≠0, un ángulo θ desde el semieje real positivo da su dirección.

Las componentes son a=r cosθ y b=r sinθ.

Abreviamos cosθ+i sinθ como cisθ.

De las componentes a la distancia

Para z=−3+3√3 i.

  1. Punto

    Coordenadas (−3,3√3), segundo cuadrante.

  2. Distancia

    r=√(9+27)=6.
  3. Dirección

    cosθ=−1/2 y sinθ=√3/2: θ=120°.
Resultado

z=6cis120°.

Lo comprobamos

6cos120°=−3 y 6sin120°=3√3.

La parte imaginaria no incluye la unidad i

Leer z=2−5i.

  1. Componentes

    Re z=2 e Im z=−5.
  2. Término

    El término imaginario completo es −5i.

  3. Distancia

    |z|=√(4+25)=√29.
Resultado

El punto del plano es (2,−5).

Lo comprobamos

Una coordenada real −5 puede ser negativa; la distancia √29 no.

2. Una vuelta completa no cambia el punto; cero no fija dirección

Los ángulos θ y θ+360°k representan la misma dirección para cualquier entero k. En radianes se escribe θ+2πk. Coseno y seno repiten sus valores tras una vuelta.

Cuando se pida argumento principal usaremos Arg z en (−180°,180°], o (−π,π]. Es una convención declarada. El cero tiene módulo cero, pero ningún argumento propio: todas las direcciones con radio cero dan el mismo punto.

Dos argumentos para el mismo complejo

Comparar 6cis120° y 6cis(−240°).

  1. Diferencia

    120−(−240)=360°.
  2. Trigonometría

    Coseno y seno coinciden tras esa vuelta.

  3. Principal

    En nuestra convención elegimos 120°.

Resultado

Ambas escrituras representan el mismo número.

Lo comprobamos

No se suman sus módulos por tener ángulos distintos.

El origen no apunta hacia ningún lado

Intentar asignar θ al complejo 0.

  1. Módulo

    r=0.
  2. Fórmula

    0·cisθ=0 para cualquier θ.
  3. Conclusión

    La fórmula no selecciona una dirección propia.

Resultado

Arg 0 queda sin definir.

Lo comprobamos

Decir que su argumento es obligatoriamente cero inventaría una dirección.

3. Los signos de ambas componentes deciden el cuadrante

Calculamos primero r y después buscamos cosθ=a/r y sinθ=b/r. Usar solo b/a no distingue direcciones opuestas: tienen la misma tangente.

Si a=0, esa razón ni siquiera está definida.

En los ejes reconocemos la dirección directamente. Para otros puntos usamos el cuadrante y un ángulo de referencia, o una función de dos coordenadas como atan2 que tiene en cuenta ambos signos.

Una razón positiva también puede estar en el tercer cuadrante

Convertir −2−2i.

  1. Módulo

    √(4+4)=2√2.
  2. Signos

    Ambas componentes son negativas: tercer cuadrante, no el primero.

  3. Argumento

    Un ángulo es 225°; el principal es −135°.

Resultado

−2−2i=2√2 cis(−135°).

Lo comprobamos

Usar 45° produciría 2+2i, el opuesto.

Un punto del eje no requiere dividir componentes

Convertir −3i y −4.

  1. −3i

    Punto (0,−3): módulo 3 y argumento principal −90°.

  2. −4

    Punto (−4,0): módulo 4 y argumento principal 180°.

  3. Revisar

    Seno y coseno de esos ángulos recuperan las componentes.

Resultado

Los ejes también forman parte del plano complejo.

Lo comprobamos

180° está incluido y −180° excluido en la convención elegida.

4. Multiplicar escala distancias y suma giros

Si z₁=r₁cisθ₁ y z₂=r₂cisθ₂, el producto es r₁r₂cis(θ₁+θ₂).

Al distribuir, la parte real usa cosθ₁cosθ₂−sinθ₁sinθ₂ y la imaginaria sinθ₁cosθ₂+cosθ₁sinθ₂: son las fórmulas del ángulo suma.

El producto puede verse como un giro y comprobarse distribuyendo
Multiplicar por i gira 90°90°2+i−1+2ii(2+i)=2i+i²=−1+2iMismo módulo: √5.La parte real e imaginaria cambian.
Plano complejo a escala de cincuenta unidades de dibujo por unidad real. El vector azul apunta a dos uno y el verde a menos uno dos. Ambos terminan en la circunferencia de radio raíz de cinco. El arco entre sus direcciones mide noventa grados antihorarios. Multiplicar dos más i por i da dos i más i cuadrado, que es menos uno más dos i. Como i tiene módulo uno, la longitud permanece; su argumento de noventa grados añade un cuarto de vuelta. No se intercambian las componentes sin cambiar el signo correspondiente.

Multiplicar por i, de módulo uno y argumento 90°, conserva longitud y gira un cuarto de vuelta antihorario. Si algún factor es cero, el producto es cero y no le asignamos un argumento.

Un giro que también se comprueba con i²

Multiplicar (2+i) por i.

  1. Álgebra

    i(2+i)=2i+i².
  2. Usar i²=−1

    Resultado −1+2i.

  3. Geometría

    (2,1) pasa a (−1,2), mismo módulo √5 y giro de 90°.

Resultado

Multiplicar por i no es solo intercambiar las coordenadas.

Lo comprobamos

La nueva componente real lleva el signo opuesto de la antigua imaginaria.

Producto con ángulos conocidos

Multiplicar (√3+i)(−1+√3 i).

  1. Formas polares

    2cis30° y 2cis120°.

  2. Multiplicar

    4cis150°.

  3. Binómica

    4(−√3/2+i/2)=−2√3+2i.
Resultado

Módulos se multiplican y ángulos se suman.

Lo comprobamos

Distribuir da −√3+3i−i−√3=−2√3+2i.

5. Dividir deshace la escala y resta el giro del divisor

Si el divisor no es cero, (r_1\operatorname{cis}\theta_1)/(r_2\operatorname{cis}\theta_2)=(r_1/r_2)\operatorname{cis}(\theta_1-\theta_2) para numerador no nulo. Si el numerador es cero, el cociente es cero sin argumento.

El inverso de r cisθ es (1/r)cis(−θ). En binómica también se escribe z^{-1}=\overline z/|z|^2, porque multiplicar z por su conjugado da |z|².

Se exige r>0 para dividir.

Un cociente que termina en un eje

Dividir 4cis150° entre 2cis60°.

  1. Módulo

    4/2=2.
  2. Giro

    150°−60°=90°.
  3. Forma binómica

    2cis90°=2i.
Resultado

Dividir resta el ángulo del denominador.

Lo comprobamos

2i·2cis60°=4cis150° recupera el numerador.

El conjugado comprueba el inverso

Hallar 1/(2+i).

  1. Conjugado

    Multiplicamos por 2−i arriba y abajo.

  2. Denominador

    (2+i)(2−i)=4−i²=5.
  3. Resultado

    (2−i)/5.

Resultado

Su módulo es 1/√5 y su giro es el opuesto del divisor.

Lo comprobamos

(2+i)(2−i)/5=5/5=1.

6. En una potencia entera repetimos la escala y el giro

Para n entero positivo, (r\operatorname{cis}\theta)^n=r^n\operatorname{cis}(n\theta). Es la fórmula de De Moivre: resulta de multiplicar n veces. Para n=0 y z≠0 obtenemos uno; para n negativo usamos el inverso y también exigimos z≠0.

Cambiar θ por θ+360°k no altera una potencia entera, porque n veces esa vuelta sigue siendo un número entero de vueltas. Con exponentes no enteros hay que indicar una selección de rama; no se aplica como si diera automáticamente un único valor.

Un cubo sencillo por giro

Calcular (√3+i)³.

  1. Polar

    √3+i=2cis30°.
  2. Elevar

    2³cis90°=8cis90°.
  3. Resultado

    8i.

Resultado

El módulo se eleva y el ángulo se multiplica.

Lo comprobamos

El cubo binómico tiene parte real cero e imaginaria ocho.

Un resultado real negativo

Calcular (1−i)⁴.

  1. Polar

    √2 cis(−45°).

  2. Potencia

    (√2)⁴cis(−180°)=4cis(−180°).
  3. Binómica

    −4.

Resultado

El módulo final es 4, aunque el valor sea −4.

Lo comprobamos

(1−i)²=−2i y (−2i)²=−4.

7. Para sumar volvemos a las componentes

(a+bi)+(c+di)=(a+c)+(b+d)i.

No se suman módulos y argumentos para sumar complejos. Los vectores pueden reforzarse o cancelarse.

La desigualdad triangular |z₁+z₂|≤|z₁|+|z₂| expresa que la distancia del resultado no supera la suma de longitudes. Binómica suele facilitar sumas; polar facilita productos, cocientes y potencias.

Las componentes imaginarias se cancelan

Sumar (1+i)+(1−i).

  1. Reales

    1+1=2.
  2. Imaginarias

    1−1=0.
  3. Resultado

    2, cuyo módulo es 2.

Resultado

No da módulo 2√2 aunque cada sumando tenga módulo √2.

Lo comprobamos

Las direcciones no eran iguales.

Puntos opuestos pueden sumar cero

Sumar 3cis60° y 3cis240°.

  1. Direcciones

    Difieren en 180°: son opuestos.

  2. Componentes

    La segunda tiene ambas componentes cambiadas de signo.

  3. Resultado

    La suma es cero, sin argumento propio.

Resultado

No se obtiene módulo seis sumando las longitudes.

Lo comprobamos

Se verifica 0≤3+3 en la desigualdad triangular.

8. Revisamos módulo, cuadrante y unidad angular

Al volver a binómica comprobamos r²=a²+b² y los signos del cuadrante. En un producto o cociente, el módulo también debe coincidir con el producto o razón de módulos iniciales.

No se suman grados con radianes sin convertir. Una diferencia de una vuelta conserva el complejo; una media vuelta cambia al opuesto si el módulo es el mismo. Las aproximaciones se señalan como tales.

Misma dirección frente a dirección opuesta

Comparar 3cis20°, 3cis380° y 3cis200°.

  1. Una vuelta

    380°−20°=360°: los dos primeros coinciden.
  2. Media vuelta

    200°−20°=180°: el tercero es el opuesto.
  3. Módulo

    Los tres tienen módulo 3.

Resultado

Coincidir en módulo no basta para coincidir como número.

Lo comprobamos

El giro comprueba lo que la longitud sola no determina.

Una cuenta en dos unidades compatibles

Multiplicar 2cis(π/3) por 3cis30°.

  1. Convertir

    π/3 rad=60°.
  2. Producto

    Módulo 6 y ángulo 60°+30°=90°.
  3. Resultado

    6i.

Resultado

Primero se usa una sola unidad angular.

Lo comprobamos

No se suma π/3+30 como si los números ya midieran lo mismo.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Producto polar

z₁ tiene módulo 2 y argumento 30°; z₂ módulo 3 y argumento 60°. Halla el producto en binómica.

  1. Datos

    r₁=2, θ₁=30°; r₂=3, θ₂=60°.
  2. Módulo

    2·3=6.
  3. Giro

    30°+60°=90°.
  4. Polar

    6cis90°.

  5. Binómica

    6cos90°+6i sin90°=6i.
  6. Revisar

    Parte real cero, módulo seis y dirección del eje imaginario positivo.

Resultado

6i.

Lo comprobamos

Su parte real es 0 y módulo 6.

EJEMPLO RESUELTO 2

Cociente polar

z₁ tiene módulo 8 y argumento 150°; z₂ módulo 2 y argumento 30°. Describe z₁/z₂.

  1. Divisor

    Su módulo 2 no es cero.

  2. Módulo

    8/2=4.
  3. Giro

    150°−30°=120°.
  4. Polar

    4cis120°.

  5. Binómica

    4(−1/2+i√3/2)=−2+2√3 i.
  6. Revisar

    √(4+12)=4; signos de segundo cuadrante y argumento 120°.
Resultado

Módulo 4, argumento 120°; −2+2√3 i.

Lo comprobamos

El módulo de esa forma binómica es √(4+12)=4.

Los símbolos que hemos usado

z=a+bi
Forma binómica, con a,b reales e i²=−1.
r=|z|
Módulo no negativo, igual a √(a²+b²).
θ
Un argumento de z≠0, medido en grados o radianes.
cis θ
Abreviatura de cos θ+i sin θ.
Arg z
Argumento principal elegido en un intervalo de una vuelta.
z̄=a−bi
Conjugado de z, reflejado respecto al eje real.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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