TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ĐÀ NẴNG
KHOA TỐN
KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
Tên đề tài:
ỨNG DỤNG CỦA SỐ PHỨC VÀO
GIẢI TOÁN SƠ CẤP
Giảng viên hướng dẫn : ThS. Phan Thị Quản
Sinh viên
: Lê Minh Quân
Lớp
: 14ST
Đà Nẵng, tháng 05 năm 2018
Ứng dụng của số phức vào giải toán sơ cấp
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................................... 2
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................... 3
I.
Lý do chọn đề tài. .............................................................................................................. 3
II. Mục tiêu của đề tài. ............................................................................................................ 3
III. Phương pháp nghiên cứu. .................................................................................................. 3
IV. Bố cục của đề tài. ............................................................................................................... 3
Chương I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................................. 4
I.
Các lý thuyết về số phức. ................................................................................................... 4
II. Các lý thuyết về đại số và giải tích. ................................................................................... 6
Chương II. ỨNG DỤNG SỐ PHỨC TRONG ĐẠI SỐ, LƯỢNG GIÁC, GIẢI TÍCH ............... 8
I.
Các bài tốn về hệ phương trình. ....................................................................................... 8
II. Các bài toán về bất đẳng thức. ......................................................................................... 11
III. Các bài toán về lượng giác. ............................................................................................. 13
IV. Các bài toán về nhị thức Newton. .................................................................................... 16
Chương III. ỨNG DỤNG SỐ PHỨC TRONG HÌNH HỌC...................................................... 30
I.
Các bài tốn về góc và độ dài. ......................................................................................... 30
II. Các bài toán về đường thẳng. .......................................................................................... 36
III. Các bài tốn về đường trịn. ............................................................................................. 38
IV. Các bài toán về tam giác. ................................................................................................. 46
KẾT LUẬN ................................................................................................................................ 51
DANH MỤC TÀI LIỆU ............................................................................................................. 52
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 1
Ứng dụng của số phức vào giải toán sơ cấp
LỜI CẢM ƠN
Em xin cảm ơn các thầy giáo, cô giáo ở khoa Toán – Trường ĐH Sư phạm Đà Nẵng đã cùng với tri thức
và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Con xin cám ơn gia đình đã ở bên cạnh và giúp đỡ con hết lịng, dù cho bất kì điều gì xảy ra.
Em xin gởi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối tới cô Phan Thị Quản đã nhiệt tình hướng dẫn
em hồn thành tốt khóa luận này.
Cuối cùng, xin cám ơn các bạn Phạm Anh Khoa và Trương Minh Hồng đã giúp đỡ mình trong thời gian
học tập cùng nhau và trong thời gian nghiên cứu khóa luận.
Dù em đã cố gắng đầu tư nhiều thời gian, nhưng với trình độ cịn hạn chế, luận văn chắc chắn khơng thể
tránh khỏi sai sót, rất mong được các thầy, cô nhắc nhở để em rút kinh nghiệm về sau.
Em xin chân thành cảm ơn!
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 2
Ứng dụng của số phức vào giải toán sơ cấp
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài.
I.
ố phức lần đầu tiên được nhà toán học Ý R. Bombelli (1526-1573) đưa ra định nghĩa (vào thời
S
điểm đó được gọi là số "khơng thể có" hoặc "số ảo") trong cơng trình Đại số (xuất bản ở Bologne
năm 1572) của ơng. Nhà tốn học Thụy Sĩ L. Euler (1707-1783) sau đó đưa ra ký hiệu i để chỉ
căn bậc hai của 1. Đến năm 1746 nhà toán học Pháp D’Alembert xác định dạng tổng quát a bi
của số phức.
So với những nhánh khác trong Tốn học, số phức xuất hiện có phần muộn hơn. Tuy vậy, khơng chỉ riêng
đối với các cơng trình nghiên cứu về các phương trình đại số, mà sự phát triển của khoa học hiện đại nói
chung cho thấy những ứng dụng không thể thiếu được của số phức. Trong việc giải các bài tốn sơ cấp nói
riêng, bằng số phức, ta có thể sáng tạo ra những phương pháp mới lạ và đầy hấp dẫn. Tuy vậy, ở chương trình
THPT hiện nay, số phức chiếm thời lượng khá ít, chỉ những kiến thức cơ bản được đưa vào giảng dạy và học
tập, dẫn đến việc vận dụng số phức để giải tốn cịn rất hạn chế.
Với các lý do nêu trên đây, tơi đã chọn đề tài khóa luận tốt nghiệp là: “Ứng dụng của số phức vào giải
toán sơ cấp”.
Mục tiêu của đề tài.
II.
Đề tài tập trung vào việc nêu ra các khái niệm quan trọng, phân loại các dạng tốn có thể giải bằng số phức
và các phương pháp giải các dạng toán này.
III.
Phương pháp nghiên cứu.
Nghiên cứu sử dụng duy nhất phương pháp lý luận.
IV.
Bố cục của đề tài.
Chương 1. Cơ sở lý thuyết
Chương 2. Ứng dụng số phức trong Đại số, Lượng giác, Giải tích
Chương 3. Ứng dụng số phức trong Hình học
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 3
Chương I. Cơ sở lý thuyết
Chương I.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các lý thuyết về số phức.
I.
1. Dạng đại số của số phức.
1.1. Đơn vị ảo.
- Ta đưa ra khái niệm số i , gọi là đơn vị ảo, là nghiệm của phương trình x 2 1 0, tức là:
i 2 1
1.2. Dạng đại số và biểu diễn hình học của số phức.
- Mỗi biểu thức có dạng a bi, trong đó a, b
và i là đơn vị ảo, được gọi là một số phức. Dạng biểu
diễn z a bi được gọi là dạng đại số của số phức. Trong đó, a và b lần lượt được gọi là phần thực
và phần ảo của số phức z , kí hiệu lần lượt là Re z và Im z.
- Tập hợp các số phức kí hiệu là
.
- Các số phức có phần ảo bằng 0 hiển nhiên chính là các số thực. Các số phức có phần thực bằng 0 là
các số ảo.
- Ta thấy rằng: z là số thực z z 0 và z là số ảo z z 0.
- Ta có thể thấy mỗi số phức z a bi được xác định bởi một cặp số thực a; b . Như vậy, trên mặt
phẳng với hệ tọa độ Oxy vng góc, ta có thể gọi điểm M a; b là điểm biểu diễn số phức z a bi.
Độ dài vectơ OM khi đó được gọi là module của số phức z và được kí hiệu là z . Ta có thể thấy:
z OM a 2 b2
- Các điểm trên trục hoành Ox và trục tung Oy lần lượt biểu diễn các số thực và số ảo. Vì lí do đó ta
gọi Ox và Oy tương ứng là trục thực và trục ảo.
1.3. Số phức liên hợp.
- Ta gọi số phức z a bi là số phức liên hợp của số phức z a bi.
- Ta lưu ý rằng Re z
zz
zz
, Im z
.
2
2
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 4
Chương I. Cơ sở lý thuyết
1.4. Số phức bằng nhau.
- Hai số phức là bằng nhau khi và chỉ khi phần thực và phần ảo tương ứng của chúng là bằng nhau. Tức
a a2
là: a1 b1i a2 b2i 1
b1 b2
2. Các phép toán với hai số phức.
- Trong toàn bộ phần này, ta đều cho trước hai số phức z1 a1 b1i và z2 a2 b2i.
- Các phép toán cộng, trừ, nhân, chia với hai số phức được định nghĩa như sau:
2.1. Phép cộng: z1 z2 (a1 a2 ) (b1 b2 )i
2.2. Phép trừ: z1 z2 (a1 a2 ) (b1 b2 )i
2.3. Phép nhân: z1.z2 (a1a2 b1b2 ) (a1b2 a2b1)i
2.4. Phép chia: Khi z2 0, ta có:
z1 a1a2 b1b2 a1b2 a2b1
2
i
z2
a22 b22
a2 b22
3. Dạng lượng giác của số phức. Công thức Moivre.
3.1. Argument của số phức.
- Cho số phức z 0. Gọi M là điểm biểu diễn hình học của z. Số đo (đơn vị radian) của mỗi góc lượng
giác với tia đầu Ox và tia cuối OM được gọi là một argument của z , kí hiệu là arg z. Các argument
của mỗi số phức sai khác nhau lượng k 2.
- Kí hiệu argument nằm trong khoảng ; của z là arg0 z, được gọi là argument chính của z.
3.2. Dạng lượng giác của số phức.
- Với số phức z khác 0 cho trước, ta đều có thể biểu diễn z z cos i sin , trong đó là một
argument của z. Dạng biểu diễn này được gọi là dạng lượng giác của số phức.
3.3. Nhân và chia số phức dưới dạng lượng giác.
- Cho hai số phức khác 0 biểu diễn dưới dạng lượng giác z1 z1 cos 1 i sin 1 và
z1z2 z1 z2 cos 1 2 i sin 1 2
z2 z2 cos2 i sin 2 . Khi đó ta có: z
z1
1
cos 1 2 i sin 1 2
z
z
2
2
3.4. Công thức Moivre.
- Cho số phức z z cos i sin z 0 . Công thức sau được gọi là công thức Moivre:
zn z
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
n
cos n i sin n
Trang 5
Chương I. Cơ sở lý thuyết
3.5. Căn bậc n của số phức.
- Cho số phức z z cos i sin z 0 . Căn bậc n của z được định nghĩa là số phức w sao cho
k 2
k 2
i sin
wn z, là các số phức có dạng: wk n z cos
n
n
k
- Ta có thể thấy mọi số phức khác 0 đều có n căn bậc n phân biệt. Ví dụ, 1 có n căn bậc n gồm
1, cos
n 1 2
n 1 2
2
2
k 2
k 2
i sin ,..., k cos
i sin
,..., n1 cos
i sin
.
n
n
n
n
n
n
Các lý thuyết về đại số và giải tích.
II.
1. Phép chia lấy dư.
- Với hai số nguyên m, n, ta kí hiệu m mod n là số dư trong phép chia m cho n.
2. Nhị thức Newton.
- Với số tự nhiên n bất kì, n 1, công thức sau đây được gọi là nhị thức Newton:
n
x y n Cnk x nk y k
k 0
3. Đạo hàm.
- Cho hàm số f x liên tục trên D . Đạo hàm của f x tại a D, kí hiệu f ' a , là giới hạn sau
(nếu có):
f ' a lim
xa
f x f a
xa
- Hàm số f x được gọi là có đạo hàm trên D nếu nó có đạo hàm tại mọi điểm trên D. Khi đó, hàm số
được định nghĩa như sau:
g:D
x f ' x
được gọi là đạo hàm của hàm số f x trên D, và kí hiệu là f ' x .
4. Nguyên hàm.
- Cho hàm số f x xác định trên D. Hàm số F x được gọi là nguyên hàm của hàm số f x trên D
nếu F ' x f x với mọi x D.
- Ta kí hiệu F x f x dx
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 6
Chương I. Cơ sở lý thuyết
5. Bất đẳng thức.
5.1. Bất đẳng thức Cauchy.
- Cho n số thực a1, a2 ,..., an khơng âm. Khi đó ta ln có:
a1 a2 ... an n
a1a2 ...an
n
- Dấu " " xảy ra khi và chỉ khi a1 a2 ... an .
5.2. Bất đẳng thức Bunhiacopxki.
- Cho các số thực a, b, x, y. Khi đó ta ln có: a 2 b2 x 2 y 2 ax by
2
- Dấu " " xảy ra khi và chỉ khi ay bx.
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 7
Chương II. Ứng dụng số phức trong Đại số, Lượng giác, Giải tích
Chương II.
ỨNG DỤNG SỐ PHỨC TRONG ĐẠI SỐ,
LƯỢNG GIÁC, GIẢI TÍCH
Các bài tốn về hệ phương trình.
I.
n
2
k 2 k n 2 k 2 k
y a 1
1 Cn x
k 0
Bài tốn 1. Giải hệ phương trình:
n1
2 k 2 k 1 n2 k 1 2 k 1
y
b 2
1 Cn x
k 0
Phương pháp.
Lấy 2 nhân với i và cộng vào 1 ta được:
n
2
1
k 0
n
2
Cn2 k x n2k y 2k
i2
k 0
k
k
Cn2 k x n2 k y 2 k
n
2
Cn2k x n2k yi
k 0
n1
2
k
1 Cn2k 1x n2k 1 y 2k 1 i a bi
k 0
n
Cnk xnk yi
k 0
k
2k
n1
2
k
i 2 Cn2k 1x n2k 1 y 2k 1i a bi
k 0
n1
2 2 k 1 n2 k 1
Cn x
yi 2k 1 a bi
k 0
a bi x yi a bi x yi là căn bậc n của a bi
n
Ta áp dụng phương pháp tổng quát trên trong một vài trường hợp cụ thể, ví dụ như các hệ có dạng:
x3 3xy 2 a
x 4 6 x 2 y 2 y 4 a
x 2 y 2 a
n 4.
n
2
,
n
3
,
2
3
3
3
2
xy
b
3x y y b
4 x y 4 xy b
Ví dụ: Giải các hệ phương trình sau:
2
2
I x y 3
xy 2
x3 3xy 2 1
II
2
3
3x y y 0
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
x 4 6 x 2 y 2 y 4 16
III
3
3
4 x y 4 xy 0
Trang 8
Chương II. Ứng dụng số phức trong Đại số, Lượng giác, Giải tích
xy 3x 5 y 14 0
IV
2
2
x y 10 x 6 y 16 0
Giải.
x yi 2 i
x 2, y 1
I x 2 y 2 2 xyi 3 4i x yi 2 3 4i
x yi 2 i
x 2, y 1
II x3 3xy 2 3x 2 y y 3 i 1 x yi 3 1
x yi 1
1
x yi
2
x yi 1
2
x 1, y 0
3
1
3
i x , y
2
2
2
3
x 1 , y 3
i
2
2
2
III x 4 6 x 2 y 2 y 4 4 x3 y 4 xy 3 i 16 x yi 4 16
x yi 2 i 2
x 2, y 2
x yi 2 i 2
x 2, y 2
x yi 2 i 2
x 2, y 2
x yi 2 i 2
x 2, y 2
IV x 2 y 2 10 x 6 y 16 2i xy 3x 5 y 14 0
x 2 y 2 2 xyi 10 x 10 yi 6 y 6 xi 16 28i 0
x yi 10 6i x yi 16 28i 0
2
z 6 4i
z 2 10 6i z 16 28i 0
z 4 2i
Trong hệ phương trình IV ta áp dụng cả hai trường hợp n 1 và n 2.
px qy
mx x 2 y 2 a 1
Bài tốn 2. Giải hệ phương trình:
my qx py b 2
x2 y 2
Phương pháp.
Lấy 2 nhân với i cộng vào 1 và lưu ý y xi i x yi , ta được:
mx
px qy
qx py
x yi
my
i
a
bi
m
x
yi
p
qi
a bi
x2 y 2
x2 y 2
x2 y 2
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 9
Chương II. Ứng dụng số phức trong Đại số, Lượng giác, Giải tích
m x yi p qi
1
a bi
x yi
x2 y 2 0 x yi 0
1
Đặt z x yi, ta có: mz p qi a bi mz 2 a bi z p qi 0
z
x yi là nghiệm của phương trình bậc 2 nói trên.
Ví dụ. Giải các hệ phương trình:
6 x 13 y
x
3 1
2
2
x
y
I
y 13x 6 y 3 2
x2 y 2
8
15 x 1 15 x 3 y 5
II
8
1
y 1
3
15 x 3 y
Giải.
I Đặt z x yi, lấy 2 nhân với i cộng vào 1 ta được:
x
6 x 13 y
13x 6 y
x yi
y 2
i 3 3i x yi 6 13i 2
3 3i
2
2
2
2
x y
x
y
x
y
x yi 6 13i
1
3 3i z 2 3 3i z 6 13i 0
x yi
z 1 2i
x 1, y 2
z 4 5i
x 4, y 5
II Đặt
u
5
8
u 3 . u 2 v 2 3 1
5x u, y v u, v 0 , ta được:
1
v 8 . v
2
2
2
3 u v
3
Đặt z u vi, lấy 2 nhân với i cộng vào 1 ta được:
8 u vi
5 1
8 1
5 1
u vi . 2 2
i u vi .
i
3 u v
3 u vi
3 3
3 3
8 1
5 1
z .
i
3 z
3 3
8
2 3 2
5 1
z2
iz 0 z
i
3
3
3
3 3
4
2 3
2 3
x
u
5 x
15
3
3
v 2
y2
y 4
9
3
3
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 10
Chương II. Ứng dụng số phức trong Đại số, Lượng giác, Giải tích
Các bài tốn về bất đẳng thức.
II.
- Trong tập số phức khơng có quan hệ so sánh, ta chỉ so sánh được module giữa chúng.
Bài toán 3. Chứng minh rằng:
n
zk
k 1
n
zk , n
*.
k 1
Giải.
z x y i
Bất đẳng thức hiển nhiên đúng với n 1. Với n 2, ta đặt 1 1 1 .
z2 x2 y2i
Khi đó: z1 z2
2
x12 y12 x22 y22
2
x12 x22 y12 y22 2
x12 y12 x22 y22
x12 x22 y12 y22 2
x1x2 y1 y2 2
(Bất đẳng thức Bunhiacopxki)
x12 x22 y12 y22 2 x1x2 y1 y2
x12 x22 y12 y22 2 x1x2 y1 y2
x1 x2 y1 y2 z1 z2
2
2
2
Như vậy bất đẳng thức cũng đúng với n 2.
Ta giả sử bất đẳng thức đúng với n a. Với n a 1, ta có:
a 1
zk
k 1
a
zk za1
k 1
a
zk
k 1
za 1 (Bất đẳng thức đúng với 2 số phức)
a
a 1
k 1
k 1
zk za1 zk (Bất đẳng thức đúng với a số phức)
Ta suy ra bất đẳng thức luôn đúng với n *. Dấu " " xảy ra khi các số phức zk , k 1, n đều có
chung một module nào đó.
- Phương pháp chung để giải các bài toán bất đẳng thức bằng số phức là chọn các số phức z1, z2 ,... thích
hợp và áp dụng bất đẳng thức trong Bài toán 3 nói trên.
Ví dụ. Chứng minh các bất đẳng thức sau:
1.
9 x2 12 x 5 9 x 2 12 x 13 4 2
2.
x2 4 xy 13 y 2 2 x 2 4 xy 4 y 2 5x 2 2 xy 29 y 2
3.
x2 xy y 2 y 2 yz z 2 x 2 xz z 2
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 11
Chương II. Ứng dụng số phức trong Đại số, Lượng giác, Giải tích
4.
x2 xy y 2 y 2 yz z 2 z 2 zx x 2 3 x y z
5.
4cos2 x cos2 y sin 2 x y 4sin 2 x sin 2 y sin 2 x y 2
6.
x2
1
x
2
y2
1
y
2
z2
1
z2
82 với x, y, z 0, x y z 1.
Giải.
1. Đặt z1 3x 2 i, z2 2 3x 3i z1 z2 4 4i
Ta có: z1 z2 z1 z2 9 x 2 12 x 5 9 x 2 12 x 13 4 2
2. Đặt z1 x 2 y 3 yi, z2 x x 2 y i z1 z2 2 x 2 y x 5 y i
Ta có: z1 z2 z1 z2 x 2 4 xy 13 y 2 2 x 2 4 xy 4 y 2 5x 2 2 xy 29 y 2
3. Đặt z1
1
3
1
3
1
3
x z i
x y
xi, z2 y z
zi z1 z2 x z
2
2
2
2
2
2
Ta có: z1 z2 z1 z2 x 2 xy y 2 y 2 yz z 2 x 2 xz z 2
4. Đặt z1 x
1
3
1
3
1
3
y
yi, z2 y z
zi, z3 z x
xi
2
2
2
2
2
2
z1 z2 z3
3
3
x y z x y z i
2
2
Ta có: z1 z2 z3 z1 z2 z3
x2 xy y 2 y 2 yz z 2 z 2 zx x 2 3 x y z
5. Đặt z1 2cos x cos y sin x y i, z1 2sin x sin y sin x y i
z1 z2 2 cos x cos y sin x sin y 2sin x y i 2cos x y 2sin x y i
Ta có: z1 z2 z1 z2
4cos2 x cos2 y sin 2 x y 4sin 2 x sin 2 y sin 2 x y 4cos2 x y 4sin 2 x y
cos2 x y sin 2 x y 2
1
1
1
1 1 1
6. Đặt z1 x i, z2 y i, z3 z i z1 z2 z3 x y z i
x
y
z
x y z
Ta có: z1 z2 z3 z1 z2 z3
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 12
Chương II. Ứng dụng số phức trong Đại số, Lượng giác, Giải tích
x
2
1
y
2
x2
1
y2
z
1
2
z2
x y z
2
1 1 1
x y z
2
Sử dụng bất đẳng thức Cauchy cho 3 số dương, ta có:
x y z
1 1 1
1
1 1 1
9
33 xyz .33
9
xyz
x y z x yz
x y z
III.
x y z
2
2
1 1 1
x y z
x y z
2
2
9
1 81 82
x yz
Các bài toán về lượng giác.
- Các bài toán lượng giác một cách tự nhiên gợi cho chúng ta đến việc dùng dạng lượng giác của số phức.
Bài toán 4. Tính tốn các đẳng thức chứa sin
2
2
n * .
và cos
n
n
Phương pháp.
Đặt z cos
2
2
i sin , ta suy ra các đẳng thức sau:
n
n
z n/2 1 z n/2 1 0
1.
n
n
z 1
z 1 0
Giải các phương trình trên tìm z , suy ra được giá trị của sin
2
2
và cos .
n
n
2
2
2
k 1
k
z k 2cos k
z cos k
i sin k
n
n
n
z
2.
1 z k cos k 2 i sin k 2 cos k 2 i sin k 2 z k 1 2i sin k 2
n
n
n
n
n
zk
zk
Ví dụ. Tính:
1. sin
5
2. cos
3. A cos cos cos
7
7
7
5
4. B cos
cos cos cos cos
11
11
11
11
11
Giải.
1. Ta thấy rằng sin
0,cos 0.
5
5
Đặt z cos i sin z 5 1 z 5 1 0 z 1 z 4 z 3 z 2 z 1 0
5
5
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 13
Chương II. Ứng dụng số phức trong Đại số, Lượng giác, Giải tích
z 4 z 3 z 2 z 1 0 (rõ ràng z 1 0)
z 4 z3 z 2 z 1
z
2
0 ( z 0) z 2
1
z 1 0 1
z
z
1
2
1
Đặt u z 2cos 0
z
5
1 u 2 u 1 0 u 1 5 cos 1 5 sin 10 2 5
2
5
4
5
4
2. Ta thấy rằng cos
Đặt z cos
0.
5
i sin
z 5 1 z 5 1 0 z 1 z 4 z 3 z 2 z 1 0
5
5
z 4 z 3 z 2 z 1 0 (rõ ràng z 1 0)
z 4 z3 z 2 z 1
z2
0 ( z 0) z 2
1
z
1 0 1
z
z2
1
1
1
1
Đặt u z 2cos
0 u2 z2 2 2 z2 2 u2 2
z
5
z
z
1 u 2 u 1 0 u 1 5 cos 1 5
2
5
4
3. Đặt z cos i sin z 7 1 z 7 1 0 z 1 z 6 z 5 z 4 z 3 z 2 z 1 0
7
7
z 6 z5 z 4 z3 z 2 z 1 0 (rõ ràng z 1 0)
z 6 z5 z 4 z3 z 2 z 1
z
Ta thấy: A
3
0 ( z 0) z 3
1
1
z2 2 z 1
z
z
z
1
3
1
1 3 1 5 1
z z 3 z 5
2
z
z
z
1
1 3 1 z 7 z 2 1
1
1 1
1
z z 3 2 7 z z 3 3 2 z 2
2
z
z
z z
z 2
z z
2
4. Đặt z cos
i sin z11 1 z11 1 0
11
11
z 1 z10 z 9 z8 z 7 z 6 z 5 z 4 z 3 z 2 z 1 0
z10 z 9 z8 z 7 z 6 z 5 z 4 z 3 z 2 z 1 0
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 14
Chương II. Ứng dụng số phức trong Đại số, Lượng giác, Giải tích
1 1
1
1
1
2 3 4 5 0
z z
z
z
z
1
1
1
1
1
z5 5 z 4 4 z3 3 z 2 2 z 1 0
z
z
z
z
z
z5 z 4 z3 z 2 z 1
11
z 7 3 1 z 9 z11
1
5 1 z
z 5 7 11 z 3 11 9 z 1 0
z
z z
z
z z
z
1
1
1
1
1
z9 9 z 7 7 z5 5 z3 3 z 1 0
z
z
z
z
z
9
2cos 2cos 2cos 2cos 2cos 1 0
11
11
11
11
11
1
B
2
Bài toán 5. Biểu diễn cos nx,sin nx theo cos x,sin x.
Phương pháp.
n
Ta nhận xét rằng: cos x i sin x cos nx i sin nx
n
Cnk cosnk x i sin x
k
cos nx i sin nx
k 0
Đồng nhất phần thực và phần ảo ở 2 vế, ta thu được biểu diễn cần tìm.
Ví dụ. Biểu diễn cos3x theo cos x, sin 3x theo sin x.
Giải.
3
Ta có: cos x i sin x cos3x i sin 3x
cos3 x 3cos 2 x.i sin x 3cos x i sin x i sin x cos3x i sin 3x
2
3
cos3 x 3cos x sin 2 x 3cos 2 x sin x sin 3 x i cos3 x i sin 3x
cos3x cos3 x 3cos x sin 2 x cos3 x 3cos x 1 cos 2 x 4cos3 x 3cos x
sin 3x 3cos 2 x sin x sin 3 x 3 1 sin 2 x sin x sin 3 x 3sin x 4sin 3 x
Bài toán 6. Biểu diễn cosn x,sin n x thành các đẳng thức chỉ chứa cos kx,sin kx, k 1, n.
Phương pháp.
1
1
Ta nhận xét rằng: cos x z với z cos x i sin x, suy ra:
2
z
n
cosn x
1
1
1 n k n 2 k
1
z
C
z
n
z
2n
2n k 0
2n
Vì cosn x là số thực nên cosn x
1
2
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
n
n
Cnk cos n 2k x i sin n 2k x
k 0
n
Cnk cos n 2k x
k 0
Trang 15
Chương II. Ứng dụng số phức trong Đại số, Lượng giác, Giải tích
n
1
1
1
1
1 n k k n 2 k
Tương tự, sin x z sin n x
z
1 Cn z
2i
z
z
2i n
2i n k 0
1 n k k
1 Cn cos n 2k x i sin n 2k x
n
2i k 0
1 n k k
Tương tự, vì sin x là số thực nên sin x
1 Cn cos x n 2k x nếu n là số chẵn và
2i n k 0
n
sin n x
n
i
2i
n
n
1
k 0
k
Cnk sin x n 2k x nếu n là số lẻ.
Ví dụ. Biểu diễn cos5 x,sin 5 x thành các đẳng thức chỉ chứa cos kx,sin kx,, k 1,5.
Giải.
Đặt z cos x i sin x. Ta có:
5
1
1
1 5
1 5
cos x 5 z 5 C5k z 52k 5 C5k cos 5 2k x i sin 5 2k x
z
2
2 k 0
2 k 0
5
1
5
1
C k cos 5 2k x cos5 x 5cos3 x 10cos x 10cos x 5cos 3 x cos 5 x
5 5
32
2 k 0
1
cos5 x 5cos3 x 10cos x
16
Ta cũng có:
5
1 5
1
1
k
sin x 5 z 5 1 C5k z 52k
z
2 k 0
2
5
5
1
5
2
1
k 0
k
C5k cos 5 2k x i sin 5 2k x
5
i
1
k
C5k sin 5 2k x
2i k 0
1
sin 5 x 5sin 3 x 10sin x 10sin x 5sin 3 x sin 5 x
32
1
sin 5 x 5sin 3 x 10sin x
16
IV.
5
Các bài toán về nhị thức Newton.
- Phương pháp giải tổng quát của các bài toán này đều là khai triển x y , biến đổi và sử dụng thêm
n
phép lấy đạo hàm và tích phân nếu cần thiết. Sau đó thay x, y bởi các số phức thích hợp, kết hợp với cơng
thức Moivre để tìm lũy thừa của dạng lượng giác.
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 16
Chương II. Ứng dụng số phức trong Đại số, Lượng giác, Giải tích
1. Khai triển.
- Ta lưu ý về các lũy thừa của i :
1. i 0 1, i1 i, i 2 1, i3 i.
2. i n i r , với r n mod 4.
Bài toán 7. Với a, b , n *, tính các tổng sau:
1. A
n
2
1
k 0
2. B
n1
2
k 0
k
Cn2k a n2k b 2k
1k Cn2k 1a n2k 1b2 k 1
Phương pháp.
Trong khai triển x y
n
a bi n
n
Cnk a nk bi
n
Cnk x nk y k , thay
x a, y bi, ta được:
k 0
k
k 0
n
2
Cn2k a n2k bi
2k
n1
2
k 0
n
2
i
2 k
k 0
n
2
1
k 0
k
k 0
Cn2k a n2k b2k
Cn2k a n2k b 2k
Cn2k 1a n2k 1 bi
2 k 1
n1
2
2 k 2 k 1 n2 k 1 2 k 1
i
Cn a
b
i
k 0
n1
2
k
1 Cn2k 1a n2k 1b 2k 1 i
k 0
A Bi
Mặt khác, ta chuyển z a bi về dạng lượng giác và áp dụng công thức Moivre, thu được:
n
n
a bi n a 2 b2 cos i sin a 2 b2 cos n i sin n
a b
2
2
n
2 2n
cos n a b sin n i
n
2
2
A a b cos n
Suy ra:
n
B a 2 b 2 sin n
Ví dụ:
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 17
Chương II. Ứng dụng số phức trong Đại số, Lượng giác, Giải tích
1
3
5
93
1. C93
C93
C93
... C93
12 12
93
sin 93 246
4
Trong ví dụ này, ta thấy a 1, b 1, n 93.
0
2
4
6
2018
2. C2018
3C2018
32 C2018
33 C2018
... 31009 C2018
2
4
0
2
4
C2018
3 C2018
3 C2018
... 3
1 3
2
2
2018
2018 2018
C2018
cos 2018 22017
3
Trong ví dụ này, ta thấy a 1, b 3, n 2018.
Bài tốn 8. Tính tổng
A Cn0
Cnk
Cn2k
n
k
... Cn k .
Phương pháp.
Như đã biết, 1 có k căn bậc k phân biệt tạo thành tập hợp 1, , 2 ,..., k 1
Ta lưu ý rằng t k 1 với t . Ta sẽ chứng minh 3 mệnh đề sau là đúng:
k
t
1 1 2 ... k 1 0
2 1 m 2 ... k 1 k nếu m k
m
m
3 1 m 2 ... k 1 0 nếu m k
m
m
Vì 1 0, ta có ngay: 1 1 1 2 ... k 1 0
k 1 0 k 1
Rõ ràng vì là căn bậc k của 1 nên k 1 , suy ra 1 là đúng.
Nếu m k , rõ ràng m 2 ... k 1 1, suy ra 2 là đúng.
m
m
Nếu m k , ta có: 1 m 2 ... k 1 1m m m ... m
m
2
m
1 m
1
k
m
1 k
1 m
k 1
(vì m k m 1 1 m 0)
m
1 1m
1 m
0
n
Đối với bài 4, ta xét khai triển 1 x Cn0 xCn1 x 2Cn2 ... x nCnn
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 18
Chương II. Ứng dụng số phức trong Đại số, Lượng giác, Giải tích
Thay x lần lượt bởi các phần tử tập 1, , 2 ,..., k 1. Ta thu được các đẳng thức:
1 1n C 0 C1 C 2 ... C n
n
n
n
n
n
1 C 0 C1 2C 2 ... nC n
n
n
n
n
...
k 1 n
0
k 1 1
k 1 2 2
k 1 n n
1 Cn Cn Cn ... Cn
k 1
n
n
t
t
1 t kCn0 1 t 2 ... k 1 Cnt
t 0
t 1
Sử dụng 1 , 2 , 3 , ta sẽ có
k 1
n
t n
1
k Cn0 Cnk Cn2k ...Cn k
k
t 0
k 1
Suy ra A
1 t
kA
n
t 0
k
0
3
3k
99
Ví dụ. Tính A C100
C100
... C100
... C100
.
Giải.
Ta thấy ở đây k 3.
100
0
1
2
100
xC100
x2C100
... x100C100
Thay x trong khai triển 1 x C100
bởi các căn bậc 3 của đơn vị
1; ; 2, thu được:
1 1100 C 0 C1 C 2 ... C100
100
100
100
100
100
0
1
2 2
100 100
1 C100 C100 C100 ... C100
100
2 2
100 100
0
1
1 2 C100
2C100
2 C100
... 2 C100
2100 1
100
2
100
1 2
100
3A 2
2
Bài toán 9. Tính tổng
100
A Cnt
3 A 2100 2
100
100
3A
1
3 1
3
2100 1
i
i 3A A
2 2
2 2
3
Cnk t
Cn2k t
nt
k t
... Cn k ,
với t k.
Phương pháp.
Ta lưu ý rằng Bài toán 8 là một trường hợp nhỏ của Bài toán 9, ứng với t 0.
n
Thực hiện tương tự như bài toán 8, ta khai triển 1 x Cn0 xCn1 x 2Cn2 ... x nCnn , nhân hai vế với
x k t ta thu được:
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 19
Chương II. Ứng dụng số phức trong Đại số, Lượng giác, Giải tích
x
k t
1 x x
n
k t
Cn0
... x
k
Cnt
... x
r 1k
Cnrk t
...
nt
nt
1k
k t
k
x
Cn k
... x nk t Cnn
Và sau đó thay x lần lượt bởi các phần tử tập 1, , 2 ,..., k 1 , thực hiện tương tự như bài tốn 8.
1
4
3n1
100
Ví dụ. Tính tổng A C100
C100
... C100
... C100
.
Giải.
Ta lưu ý rằng ở đây k 3, t 1.
Ta thay x trong khai triển x2 1 x
100
0
1
2
100
x2C100
x3C100
x4C100
... x102C100
bởi các căn bậc 3 của
đơn vị 1; ; 2 , thu được:
12 1 1100 C 0 C1 C 2 ... C100
100
100
100
100
2
100
2 0
3 1
4 2
102 100
1 C100 C100 C100 ... C100
2
100
2 0
3 1
4 2
102 100
2 1 2 2 C100
2 C100
2 C100
... 2 C100
2100 2 1
100
1 2
100
2100 2 3 A 2100
3 A 2100 2 2
100
100
3A
1
3 1
3
2100 1
i
i 3A A
2 2
2 2
3
2. Đạo hàm.
- Trong phạm vi của luận văn, ta chỉ nghiên cứu các bài toán áp dụng đạo hàm cấp 1. Thực ra các bài toán
áp dụng đạo hàm cấp cao hơn 1 cũng được thực hiện bằng các phương pháp tương tự như các phương pháp
được trình bày dưới đây.
Bài toán 10. Với a, b , n *, tính các tổng sau:
1. A
n
2
1
k
k 0
2. B A
n1
2
k 0
n 2k Cn2k a n2k 1b 2k
1k n 2k 1 Cn2k 1a n2k 2b 2k 1
Phương pháp.
Khai triển: x y
n
n
Cnk x nk y k
k 0
Đạo hàm hai vế theo biến x, ta thu được: n x y
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
n1
n
(n k )Cnk x nk 1 y k
k 0
Trang 20
Chương II. Ứng dụng số phức trong Đại số, Lượng giác, Giải tích
Thay x a, y bi, ta sẽ có đẳng thức:
n1
n a bi
n
(n k )Cnk a nk 1 bi
k
k 0
n
2
n 2k Cn2k a n2k 1 bi
2k
n1
2
k 0
n
2
i2
k
k 0
n
2
1
k
2 k 1
i 2 n 2k 1 Cn2k 1a n2k 2 bi
k 0
n 2k Cn2k a n2k 1b 2k
k
k 0
n 2k Cn2k a n2k 1b 2k
n1
2
k
i 2 n 2k 1 Cn2k 1a n2k 2b2k 1i
k 0
n1
2
k
1 n 2k 1 Cn2k 1a n2k 2b 2k 1 i
k 0
A Bi
Mặt khác, ta chuyển z a bi về dạng lượng giác và áp dụng công thức Moivre, thu được:
n a bi
n1
n a 2 b2 cos i sin
n a b
2
2
n a 2 b2
n1
n1
cos n 1 i sin n 1
n1
n1
cos n 1 n a 2 b 2 sin n 1 i
n1
2
2
cos n 1
A n a b
Suy ra:
n1
B n a 2 b 2 sin n 1
Ví dụ:
1
3
5
99
1. C100
3C100
5C100
... 99C100
100 12 12
99
sin 99 100.249
4
Trong ví dụ này, ta thấy a 1, b 1, n 100.
0 50
2 49
4 48
100
2. 101C101
3 99C101
3 97C101
3 ... C101
100
0
101C101
3
101
2
2
99C101
3
100
3 1
2
98
100
... C101
3
0
cos 100 101.249
6
Trong ví dụ này, ta thấy a 3, b 1, n 101.
Bài toán 11. Với a, b , n , m , tính các tổng sau:
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 21
Chương II. Ứng dụng số phức trong Đại số, Lượng giác, Giải tích
1. A
n
2
1
k 0
2. B
n1
2
k 0
k
n m 2k Cn2k a nm2k 1b 2k
1k n m 2k 1 Cn2k 1a nm2k 2b 2k 1
Ta lưu ý rằng Bài tốn 10 chính là Bài toán 11 trong trường hợp m 0.
Phương pháp.
Khai triển: x y
n
n
Cnk x nk y k
k 0
n
n
n
Nhân hai vế với x m , được đẳng thức: x m x y x m Cnk x nk y k Cnk x nmk y k
k 0
k 0
Đạo hàm hai vế theo biến x, ta thu được:
mx m1 x y nx m x y
n
n1
n
(n m k )Cnk x nmk 1 y k
k 0
Thay x a, y bi, ta sẽ có đẳng thức:
ma m1 a bi na m a bi
n
n1
n
(n m k )Cnk a nmk 1 bi
k
k 0
n
2
n m 2k Cn2k a nm2k 1 bi
2k
n1
2
k 0
n
2
i2
k
k 0
n
2
1
k
k 0
k 0
n m 2k Cn2k a nm2k 1b 2k
n m 2k Cn2k a nm2k 1b 2k
n m 2k 1 Cn2k 1a nm2k 2 bi 2k 1
n1
2
k
i 2 n m 2k 1 Cn2k 1a nm2k 2b 2k 1i
k 0
n1
2
k
1 n m 2k 1 Cn2k 1a nm2k 2b 2k 1 i
k 0
A Bi
Mặt khác, ta chuyển z a bi về dạng lượng giác và áp dụng công thức Moivre, thu được:
ma m1 a bi na m a bi
n
ma
m1
n1
n
m
2
2
a b cos i sin na a b cos i sin
2
2
n1
n
n1
ma m1 a 2 b2 cos n i sin n na m a 2 b2 cos n 1 i sin n 1
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 22
Chương II. Ứng dụng số phức trong Đại số, Lượng giác, Giải tích
n
n1
ma m1 a 2 b2 cos n na m a 2 b2 cos n 1
n
n1
ma m1 a 2 b2 sin n na m a 2 b2 sin n 1 i
n
n1
m1
a 2 b 2 cos n na m a 2 b 2 cos n 1
A ma
Suy ra:
n
n1
B ma m1 a 2 b 2 sin n na m a 2 b 2 sin n 1
Ví dụ:
0
2
4
76
1. A 3C77
5C77
7C77
... 79C77
1
3
5
1
Ta lưu ý rằng: A 79C77
77C77
75C77
... 3C77
38
1
k
k 0
2 k 1 782 k 2 k 1
79 2k C77
.1
.1
(ta thấy a 1, b 1, m 3)
3.12. 12 12
77
76
sin 77 77.13. 12 12 sin 76 3.238
4
4
1
3
5
77
2. B 4C77
6C77
8C77
... 80C77
0
2
4
76
Ta lưu ý rằng: B 80C77
78C77
76C77
... 4C77
38
1
k
k 0
2 k 792 k 2 k
80 2k C77
.1
.1 (ta thấy a 1, b 1, m 3)
3.12. 12 12
Bài toán 12. Tính tổng
A tCnt
77
76
cos 77 77.13. 12 12 cos 76 80.238
4
4
k
t Cnk t
2k
t Cn2k t
n
n
k t
... k t Cn k , với k là số
k
nguyên tố lớn hơn 2, t k.
Phương pháp.
Lưu ý rằng bài tốn này có phát biểu khá giống Bài toán 9. Phương pháp thực hiện cũng dựa trên Bài
toán 9: từ Bài toán 9 để trở thành Bài toán 12 ta chỉ tiến xa hơn một bước là đạo hàm.
n
Khai triển và đạo hàm hai vế 1 x , ta được:
n 1 x
n1
Cn1 2 xCn2 ... kxk 1Cnk ... rkx rk 1Cnrk ... nx n1Cnn
Nhân 2 vế với x k t 1 suy ra:
nxk t 1 1 x
n1
xk t 1Cn1 2 xk t 2Cn2 ... txk Cnt ... rk t x rk Cnrk t ... nx k t nCnn
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 23
Chương II. Ứng dụng số phức trong Đại số, Lượng giác, Giải tích
Và sau đó thay x lần lượt bởi các phần tử tập 1, , 2 ,..., k 1 , thực hiện tương tự như bài tốn 9.
2
5
3k 2
83
Ví dụ. Tính tổng A 2C84
5C84
... 3k 2 C84
... 83C84
.
Giải.
Ta khai triển và đạo hàm như sau:
0
1
2
84
1 x 84 C84
xC84
x 2C84
... x84C84
1
2
3k 2
84
C84
2 xC84
... 3k 2 x3k 1C84
... 84 x84C84
84 1 x
83
84 x 2 1 x
83
1
2
3k 2
84
x 2C84
2 x3C84
... 3k 2 x3k 3C84
... 84 x86C84
Ta thay x bởi các căn bậc 3 của đơn vị 1; ; 2 , thu được:
84.12 1 183 C1 2C 2 ... 3k 2 C 3k 2 ... 84C 84
84
84
84
84
83
2
2 1
3 2
3 k 3 3 k 2
84
C84 ... 84. 85C84
84. 1 C84 2 C84 ... 3k 2
2
83
2 1
3k 3 3k 2
85 84
84. 2 1 2 2 C84
... 3k 2 2
C84 ... 84. 2 C84
83
83
83
83
84 283 2 1 4 1 2 3 A 84 283 2 2 3 A
84 283 1 1 3 A A 28.283
3. Nguyên hàm.
- Khi lấy nguyên hàm hai vế của một đẳng thức theo biến nào đó, ta lưu ý điều chỉnh hằng số tự do hai vế
sao cho chúng bằng nhau.
Bài toán 13. Với a, b , n *, tính các tổng:
1. A
n
2
1k
k 0
2. A
Cn2k a n2k 1b 2k
n 2k 1
n1
2
1k
k 0
Cn2k 1a n2k b 2k 1
n 2k
Phương pháp.
Khai triển: x y
n
n
Cnk x nk y k .
k 0
Lấy nguyên hàm hai vế theo biến x, ta được:
x y n1
n 1
Cnk x nk 1 y k y n1
n 1
k 0 n k 1
n
Thay x a, y bi, ta sẽ có đẳng thức:
Giảng viên hướng dẫn: Phan Thị Quản
Sinh viên: Lê Minh Quân
Trang 24