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複素数と2次方程式

x² + 1 = 0 のような方程式には実数の解がありません。実数は2乗すると負になることがないからです。そこで、i² = −1 となる新しい数 i を考えます。複素数は z = a + bi と書き、a を実部、b を虚部といいます。足し算・引き算・掛け算は文字式と同じように行い、i² は −1 に置き換えます。割り算は、分母の共役複素数を分子と分母に掛けます。ガウス平面では z = a + bi は点 (a, b) です。共役複素数 a − bi は実軸に関する鏡像で、絶対値 √(a² + b²) は原点からの距離です。D = b² − 4ac < 0 の2次方程式 ax² + bx + c = 0 には、たがいに共役な2つの複素数の解があります。

🎬 ステップ別ストーリー

  1. 2乗して負になる実数はありません。そこで i を作り、i² = −1 と決めます。3Dでは、矢印1が4分の1回転して i になり、もう4分の1回転すると −1 になります。
  2. 複素数 z = a + bi は平面上の1つの点です。実軸を右に a だけ進み、虚軸を上に b だけ進みます。ここでは z = 3 + 2i です。
  3. 足し算では、矢印を先端から次の矢印の根元へつなぎます。実部どうし、虚部どうしを足します。(3 + 2i) + (1 + 3i) = 4 + 5i です。
  4. i を掛けると、矢印は90°回ります。累乗を見てください。i、−1、−i、1 と進み、4回ごとにくり返します。
  5. 共役複素数 z̄ = a − bi は、実軸に関する鏡像です。絶対値 |z| は矢印の長さで、3 + 4i なら 5 です。
  6. 自由に試しましょう。z₁ と z₂ を決めて、足す・引く・掛ける・割るができます。D < 0 の2次方程式を入力して、2つの複素数の解も見られます。

ヒント:3Dをドラッグすると回せます。2本指で拡大・縮小できます。

🤔 よくある疑問をスッキリ解決

i はただの空想の道具で、意味はないの?

いいえ。i は4分の1回転です。3Dでは、1に i を掛けると矢印が90°回って i になり、もう一度回ると −1 に着きます。これがまさに i² = −1 です。

b は実数なのに、なぜ虚部と呼ぶの?

b 自体は実数で、虚軸を上へどれだけ進むかを表しているだけです。3Dでは、z = 3 + 2i は右に3歩、上に2歩です。

複素数どうしで、どちらが大きいと言えないのはなぜ?

平面上の点は1本の直線に並んでいないので、左から右への順序がありません。比べられるのは O からの距離(絶対値)で、ステップ5の輪で見られます。

複素数の足し算がベクトルの足し算に似ているのはなぜ?

実部は一方の軸に沿って、虚部はもう一方の軸に沿って足されるからです。3Dでは、赤い矢印が青い矢印の先端まで動き、緑の矢印が和になります。

i の大きな累乗をすばやく求めるには?

4回の4分の1回転で元に戻るので、4で割った余りだけが大事です。ステップ4で、矢印がちょうど1周するのを見てください。

2次方程式の複素数の解が、なぜペアで出てくるの?

解の公式の ± から p + iq と p − iq ができ、これらは実軸に関する鏡像です。自由に遊ぶモードで x² + 2x + 5 = 0 を解くと、2本の矢印が鏡のように向かい合います。

なぜ複素数が必要なの?

実数を2乗してみましょう。3² = 9、(−3)² = 9、0² = 0。答えが負になることはありません。だから x² = −1、つまり x² + 1 = 0 には実数の解がありません。

そこで数学者は、新しい数を1つ加えました。これを虚数単位といい i と書き、i² = −1 と決めます。すると √(−1) = i、√(−9) = √9 · i = 3i となります。

a、b を実数として z = a + bi と表せる数を複素数といいます。a を実部 Re(z)、b を虚部 Im(z) と呼びます。b = 0 なら実数なので、これまでの数もすべて複素数に含まれます。3Dのステップ1を見てください。i は1を4分の1回転させたものです。

i の累乗

i¹ = i、i² = −1、i³ = i²·i = −i、i⁴ = (i²)² = 1。そのあとは同じ並びのくり返しです。iⁿ を求めるには、n を4で割った余りを使います。i⁴ᵏ = 1、i⁴ᵏ⁺¹ = i、i⁴ᵏ⁺² = −1、i⁴ᵏ⁺³ = −i。例:i¹⁰² は 102 = 4 × 25 + 2 なので、i¹⁰² = −1 です。

注意:√a · √b = √(ab) が成り立つのは、a と b が両方とも負ではないときだけです。たとえば √(−4)·√(−9) = 2i·3i = 6i² = −6 であって、√36 = 6 ではありません。

複素数の計算

(z₁ + z₂)² = z₁² + 2z₁z₂ + z₂² のような公式も、複素数でそのまま使えます。

共役複素数と絶対値

z = a + bi の共役複素数は z̄ = a − bi です(虚部の符号を変えます)。絶対値は |z| = √(a² + b²) です。よく使う関係:z · z̄ = |z|²、|z₁z₂| = |z₁||z₂|、|z₁/z₂| = |z₁|/|z₂|、conj(z₁ + z₂) = z̄₁ + z̄₂、conj(z₁z₂) = z̄₁ z̄₂。

虚数でない複素数どうしには「大きい・小さい」はありません。2 + i > 1 + 3i には意味がないのです。比べられるのは絶対値だけです。

ガウス平面

垂直に交わる2本の軸を引きます。横軸が実軸、縦軸が虚軸です。複素数 z = a + bi は点 (a, b) で表します。この図をガウス平面(複素数平面)といいます。

解が複素数になる2次方程式

a、b、c が実数の ax² + bx + c = 0 の解は、x = (−b ± √D)/2a です。ただし D = b² − 4ac。

例:x² + 2x + 5 = 0。D = 4 − 20 = −16、√D = 4i、x = (−2 ± 4i)/2 = −1 ± 2i。自由に遊ぶモードで試してみましょう。

試験のポイント

インドの11年生の試験では、代数は約25点分です。この章からは、i の累乗(1点)、商を a + bi の形に直す問題(2〜3点)、絶対値・共役・逆数(2点)、D < 0 の2次方程式(2〜3点)が出ると考えましょう。最終的な答えは必ず a + bi の形で書きます。

重要な公式と用語

例題

1. i⁵⁷ と i⁻³ を求めなさい。

57 = 4 × 14 + 1 なので、i⁵⁷ = i¹ = i。i⁻³ = 1/i³ = 1/(−i) = −1/i。分子と分母に i を掛けると −i/i² = −i/(−1) = i。よって i⁻³ = i。

2. (5 − 3i) + (−2 + 7i) と (5 − 3i) − (−2 + 7i) を計算しなさい。

和:実部 5 + (−2) = 3、虚部 −3 + 7 = 4 なので 3 + 4i。差:実部 5 − (−2) = 7、虚部 −3 − 7 = −10 なので 7 − 10i。

3. (2 + 3i)(4 − i) を計算しなさい。

2·4 + 2·(−i) + 3i·4 + 3i·(−i) = 8 − 2i + 12i − 3i²。i² = −1 を代入して 8 + 3 + 10i = 11 + 10i。

4. z = 3 − 4i の絶対値、共役複素数、乗法の逆数を求めなさい。

|z| = √(9 + 16) = 5。z̄ = 3 + 4i。z⁻¹ = z̄/|z|² = (3 + 4i)/25 = 3/25 + (4/25)i。検算:(3 − 4i)(3 + 4i)/25 = 25/25 = 1。

5. (1 + 2i)/(3 − i) を a + bi の形で表しなさい。

分子と分母に 3 + i を掛けます。分母:9 + 1 = 10。分子:(1 + 2i)(3 + i) = 3 + i + 6i + 2i² = 1 + 7i。答え:1/10 + (7/10)i。

6. 2x² − 2x + 1 = 0 を解きなさい。

a = 2、b = −2、c = 1。D = 4 − 8 = −4 < 0 なので √D = 2i。x = (2 ± 2i)/4 = 1/2 ± (1/2)i。解 1/2 + i/2 と 1/2 − i/2 は共役です。

7. (x + 2y) + i(2x − y) = 5 + 5i を満たす実数 x、y を求めなさい。

複素数が等しいなら、実部どうし・虚部どうしが等しくなります。x + 2y = 5 と 2x − y = 5。2つ目から y = 2x − 5。すると x + 4x − 10 = 5 より x = 3、y = 1。

8. (a + ib)/(c + id) = x + iy のとき、(a² + b²)/(c² + d²) = x² + y² を示しなさい。

両辺の絶対値をとります。|a + ib|/|c + id| = |x + iy|。つまり √(a² + b²)/√(c² + d²) = √(x² + y²)。両辺を2乗すると求める式になります。

よくある間違い

練習クイズ

1. i² は:
2. −2 + 5i の共役複素数は:
3. |6 − 8i| =
4. i¹⁰³ は:
5. x² + 9 = 0 の解は:

練習:自分で答えてみよう

答えを入力するか選んで、「チェック」を押そう。困ったらヒントを見てね。解答は答えたあとに表示されます。

よくある質問

ガウス平面はインドの11年生(CBSE 2026-27)の範囲に入っていますか?

はい。この章には、複素数の必要性、代数的な性質、ガウス平面が挙げられています。極形式は現在の範囲に入っていないため、このレッスンでは a + bi の形、絶対値、共役に集中します。

虚数単位 i の値は何ですか?

i は2乗すると −1 になる数で、i = √(−1) です。実数ではありません。累乗はくり返しになり、i、−1、−i、1 と続きます。

複素数どうしの割り算はどうやりますか?

分母の共役複素数を分子と分母に掛けます。分母が実数 c² + d² になるので、あとは答えを a + bi の形に分けます。

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