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Bachillerato

Números complejos y sus representaciones

Ningún número real tiene cuadrado negativo. Para resolver ecuaciones como x² = −1 ampliamos los números e introducimos i, con i² = −1. Construiremos a + bi, lo dibujaremos en un plano y veremos cómo sumar, multiplicar, dividir y cambiar a una descripción por longitud y ángulo.

1. Introducimos i para ampliar los reales, no para cambiar sus reglas

El cuadrado de un real es no negativo: 3² y (−3)² valen nueve; 0² vale cero.

Por eso t² = −1 no tiene solución real.

Definimos una unidad i que cumple i² = −1 y trabajamos con números z = a + bi, donde a y b son reales.

a es la parte real y b la parte imaginaria; el término imaginario completo es bi.

Un real también es complejo, con b = 0.
Si a = 0 y b ≠ 0 lo llamamos imaginario puro.

Igualar complejos exige igualar sus dos componentes.

Leer las partes con signo

Para z = 4 − 3i, identifica parte real e imaginaria.

  1. Forma a + bi

    a = 4 y b = −3.
  2. Parte imaginaria

    El número real −3.

  3. Término imaginario

    −3i.

Resultado

Re(z) = 4; Im(z) = −3.

Lo comprobamos

Im(z) no es −3i: ese es el término multiplicado por i.

Un real dentro de los complejos

Escribe −5 y 2i como a + bi.

  1. Real −5

    −5 + 0i.

  2. Imaginario puro 2i

    0 + 2i.

  3. Componentes

    En uno falta componente imaginaria; en otro, real.

Resultado

−5 + 0i y 0 + 2i.

Lo comprobamos

La ampliación incluye a todos los reales, no los elimina.

2. El plano complejo coloca a horizontalmente y b verticalmente

El punto de z = a + bi tiene coordenadas (a; b).

El eje horizontal se llama real y el vertical imaginario. Para 3 + 2i avanzamos tres a la derecha y dos hacia arriba. La altura es dos, no dos i como coordenada real del dibujo.

El conjugado cambia la altura
3+2i3−2iReImConjugar refleja en el eje real
3+2i y 3−2i tienen la misma coordenada real y alturas opuestas. Ambos módulos valen √13.

El módulo |z| es la distancia al origen.

Por Pitágoras, |a + bi| = √(a² + b²).

Es real y no negativo. Solo vale cero cuando a y b son cero. El conjugado z̄ = a − bi refleja el punto en el eje real y conserva el módulo.

Una distancia conocida

Calcula el módulo de 3 + 4i.

  1. Componentes

    Tres y cuatro.

  2. Cuadrados

    3² + 4² = 9 + 16 = 25.
  3. Raíz no negativa

    √25 = 5.
Resultado

|3 + 4i| = 5.

Lo comprobamos

No sumamos tres y cuatro: usamos la distancia del triángulo rectángulo.

Reflejar el punto

Halla el conjugado y módulo de 3 − 2i.

  1. Conjugado

    Se cambia el signo del término imaginario: 3 + 2i.

  2. Módulo original

    √(9 + 4) = √13.
  3. Módulo reflejado

    √(9 + 4), el mismo.

Resultado

Conjugado 3 + 2i; módulo √13.

Lo comprobamos

La reflexión cambia arriba por abajo, conservando la distancia al origen.

3. Sumamos por componentes y reducimos las potencias de i

En una suma agrupamos partes reales por un lado y coeficientes de i por otro. Para restar, cambiamos el signo de todos los términos del segundo paréntesis. La igualdad se comprueba componente a componente.

Multiplicar por i da un cuarto de vuelta positivo
1i−1−i× i1 → i → −1 → −i → 1
En el plano complejo, uno está en el eje real positivo; i en el imaginario positivo; menos uno en el real negativo y menos i en el imaginario negativo. Multiplicar por i rota noventa grados en sentido antihorario y conserva el módulo. Cuatro multiplicaciones devuelven el punto inicial.
Las potencias de i repiten un ciclo: i⁰ = 1, i¹ = i, i² = −1, i³ = −i e i⁴ = 1.

Al volver a multiplicar se repite cada cuatro. Para exponentes enteros no negativos, el resto al dividir entre cuatro indica la posición en ese ciclo.

Restar un paréntesis completo

Calcula (2 − i) − (−1 + 4i).

  1. Quitamos paréntesis

    2 − i + 1 − 4i.

  2. Reales

    2 + 1 = 3.
  3. Imaginarios

    −i − 4i = −5i.
Resultado

3 − 5i.

Lo comprobamos

Sumarle el complejo restado devuelve 2 − i.

Un exponente grande

Calcula i²³.

  1. División entre cuatro

    23 = 4 · 5 + 3.
  2. Ciclos completos

    (i⁴)⁵ = 1.
  3. Resto

    Queda i³ = −i.
Resultado

i²³ = −i.

Lo comprobamos

Multiplicar una vez más produce i²⁴ = 1.

4. Multiplicamos con distributiva y al final sustituimos i²

En (a + bi)(c + di) multiplicamos cada término del primer factor por cada término del segundo: ac + adi + bci + bdi².

Como i² = −1, la parte real es ac − bd y la imaginaria (ad + bc)i.

No tratamos i como si valiera uno ni sumamos indiscriminadamente términos reales e imaginarios. La distributiva es la misma que con polinomios; la relación nueva que reduce el resultado es i² = −1.

Cuatro productos pequeños

Calcula (3 + 2i)(1 − i).

  1. Distributiva

    3 − 3i + 2i − 2i².

  2. Reducimos i²

    −2i² = 2.
  3. Agrupamos

    3 + 2 − i = 5 − i.
Resultado

5 − i.

Lo comprobamos

El módulo es √26; también √13 · √2 = √26.

Cuadrar no elimina el término cruzado

Calcula (1 + i)².

  1. Producto completo

    (1 + i)(1 + i) = 1 + i + i + i².
  2. Reducimos

    1 + 2i − 1.

  3. Resultado

    2i.

Resultado

(1 + i)² = 2i.

Lo comprobamos

No es 1 + i²: faltarían los dos términos cruzados.

5. El conjugado permite dividir por un número real no nulo

Multiplicar z = a + bi por su conjugado da a² + b² = |z|².

Los términos imaginarios se cancelan.

Si z ≠ 0, ese número es positivo.

Para dividir por z multiplicamos numerador y denominador por z̄ y luego separamos las componentes.

El divisor cero no admite inverso. La condición es que no sean simultáneamente cero sus dos componentes, no que ambas tengan que ser distintas de cero. Un número real como tres o uno imaginario como 2i pueden ser divisores válidos.

División por un conjugado

Calcula (1 + i)/(1 − i).

  1. Factor igual a uno

    Multiplicamos arriba y abajo por 1 + i.

  2. Numerador

    (1 + i)² = 2i.
  3. Denominador

    (1 − i)(1 + i) = 1 − i² = 2.
  4. Cociente

    2i/2 = i.
Resultado

i.

Lo comprobamos

i(1 − i) = i − i² = 1 + i.

Un inverso con componentes pequeñas

Calcula 1/(2 + i).

  1. Conjugado

    2 − i.

  2. Denominador real

    (2 + i)(2 − i) = 4 + 1 = 5.
  3. Resultado

    (2 − i)/5 = 2/5 − (1/5)i.
Resultado

(2 − i)/5.

Lo comprobamos

Al multiplicar por 2 + i resulta uno.

6. La forma polar usa módulo y dirección

Un complejo no nulo también se describe por r = |z| y un ángulo θ desde el eje real positivo, medido en sentido antihorario.

Escribimos z = r(cos θ + i sen θ).
Las componentes son a = r cos θ y b = r sen θ.

La dirección se repite al añadir una vuelta completa: 360° o 2π radianes. Elegimos una unidad y la conservamos. Para hallar el argumento revisamos el cuadrante con ambas componentes; el cociente b/a por sí solo no distingue ángulos separados media vuelta. El cero no tiene dirección única.

Del punto al ángulo

Escribe 1 + i en forma polar con grados.

  1. Módulo

    √(1² + 1²) = √2.
  2. Dirección

    Primer cuadrante y componentes iguales: 45°.

  3. Forma

    √2(cos45° + i sen45°).

Resultado

r = √2, θ = 45° más vueltas completas.

Lo comprobamos

√2 · √2/2 = 1 en las dos componentes.

El cuadrante importa

Escribe −2 en polar.

  1. Módulo

    Dos.

  2. Dirección

    Eje real negativo: 180°, no cero.

  3. Comprobación

    2 cos180° = −2 y 2 sen180° = 0.
Resultado

2(cos180° + i sen180°).

Lo comprobamos

La razón b/a vale cero, pero no identifica por sí sola cuál de los dos semiejes es.

7. Los productos multiplican módulos y suman ángulos

Al multiplicar dos formas polares, la distributiva y las identidades de suma de ángulos dan r₁r₂[cos(θ₁ + θ₂) + i sen(θ₁ + θ₂)]. En una división por un complejo no nulo se dividen módulos y se restan ángulos.

Por eso multiplicar por i, cuyo módulo es uno y ángulo 90°, da un cuarto de vuelta sin cambiar longitud. Multiplicar por un real positivo estira el módulo y conserva dirección; por uno negativo añade media vuelta además del cambio de longitud.

Producto polar

Un complejo tiene módulo dos y ángulo 30°; otro módulo tres y ángulo 60°. Calcula su producto.

  1. Módulo

    2 · 3 = 6.
  2. Ángulo

    30° + 60° = 90°.
  3. Componentes

    6 cos90° + 6i sen90° = 6i.
Resultado

6i.

Lo comprobamos

Su módulo es seis y su dirección el eje imaginario positivo.

División polar

Divide un complejo de módulo seis y ángulo 150° entre otro de módulo dos y ángulo 30°.

  1. Divisor

    Módulo dos: no nulo.

  2. Módulo del cociente

    6/2 = 3.
  3. Ángulo

    150° − 30° = 120°.
Resultado

3(cos120° + i sen120°) = −3/2 + (3√3/2)i.

Lo comprobamos

El punto está en el segundo cuadrante, coherente con el ángulo.

8. Las potencias repiten el giro; las raíces deben recuperar todas las direcciones

Para un entero n ≥ 1, elevar r(cos θ + i sen θ) a n da rⁿ(cos nθ + i sen nθ). Es la fórmula de De Moivre. Los ángulos se pueden reducir por vueltas completas sin cambiar el número.

Para resolver wⁿ = z con z no nulo, escribimos z con módulo r y argumento θ. Las n raíces distintas tienen módulo ⁿ√r y ángulos (θ + 360°k)/n para k = 0, …, n − 1. Añadir las vueltas antes de dividir evita perder raíces.

Si z = 0, la única raíz es cero.

Una potencia por giro

Calcula (1 + i)⁴.

  1. Polar

    Módulo √2, ángulo 45°.

  2. Potencia

    Módulo (√2)⁴ = 4; ángulo 180°.
  3. Volvemos

    4(cos180° + i sen180°) = −4.
Resultado

−4.

Lo comprobamos

Por binómica: (1 + i)² = 2i y (2i)² = −4.

Dos raíces, no una sola

Resuelve w² = −9 en ℂ.

  1. Número dado

    Módulo nueve y ángulo 180°.

  2. Raíces

    Módulo tres; ángulos 90° y 270°.

  3. Binómica

    3i y −3i.

Resultado

w = 3i o w = −3i.

Lo comprobamos

Ambos cuadrados son −9. Elegir una raíz principal es otra tarea y no sustituye resolver todas las soluciones.

9. Comprobamos componentes, módulo y denominadores

Las operaciones se pueden verificar de varias maneras. Una división se comprueba multiplicando por el divisor.

Un producto debe cumplir |zw| = |z||w|.

Un argumento se comprueba con seno y coseno y con el cuadrante, no solo con una tangente.

Los complejos no tienen un orden compatible con las operaciones como el de los reales. No decimos que i sea positivo o negativo. El módulo sí es un real no negativo y permite hablar de distancias entre complejos: la distancia de z a w es |z − w|.

Una distancia en el plano

Halla la distancia entre 1 + i y 4 + 5i.

  1. Diferencia

    (4 + 5i) − (1 + i) = 3 + 4i.
  2. Módulo

    √(3² + 4²) = 5.
  3. Interpretación

    Tres horizontalmente y cuatro verticalmente.

Resultado

Distancia cinco.

Lo comprobamos

Se conserva la geometría de Pitágoras en las componentes.

No toda comprobación aislada identifica el número

Un producto tiene módulo cinco. ¿Basta para afirmar que el resultado es cinco?

  1. Posibilidades

    Cinco, menos cinco y cinco i tienen todos módulo cinco.

  2. Información perdida

    El módulo no determina dirección.

  3. Comprobación necesaria

    También hay que revisar componentes o argumento.

Resultado

No: el módulo es una comprobación parcial.

Lo comprobamos

Diferentes puntos de una misma circunferencia comparten distancia al origen.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Producto

Calcula (2+i)(3−2i).

  1. Distributiva

    (2 + i)(3 − 2i) = 6 − 4i + 3i − 2i².
  2. Relación nueva

    i² = −1, así que −2i² = 2.
  3. Agrupamos

    6 + 2 − i = 8 − i.
  4. Módulo

    |8 − i| = √65; coincide con √5 · √13 de los factores.
Resultado

8−i.

Lo comprobamos

El módulo del producto es √5·√13=√65, igual al de 8−i.

EJEMPLO RESUELTO 2

División

Calcula 1/(1+i).

  1. Divisor no nulo

    1 + i tiene módulo √2.

  2. Conjugado

    Multiplicamos arriba y abajo por 1 − i.

  3. Denominador

    (1 + i)(1 − i) = 1 − i² = 2.
  4. Resultado

    (1 − i)/2.

  5. Verificamos

    [(1 − i)/2](1 + i) = 2/2 = 1.
Resultado

(1−i)/2.

Lo comprobamos

((1−i)/2)(1+i)=1.

Los símbolos que hemos usado

i
Unidad imaginaria definida por i²=−1.
z=a+bi
Complejo en forma binómica, con a y b reales.
Re(z)=a, Im(z)=b
Parte real y parte imaginaria; ambas son números reales.
z̄=a−bi
Conjugado de z, reflejado respecto del eje real.
|z|=√(a²+b²)
Módulo: distancia del punto (a,b) al origen.
r
Módulo usado en la forma polar.
θ
Argumento: dirección del radio desde el eje real positivo.
z=r(cos θ+i sen θ)
Forma trigonométrica o polar de un complejo no nulo.

Ahora te toca a ti.

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

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