Matemáticas I · Tema 1 · Sección 1.3

Ejercicios resueltos de conversión rectangular-polar

4 ejercicios resueltos paso a paso del tema 1 de Matemáticas I (Fundamentos numéricos y números complejos). El enunciado está a la vista y la solución, plegada: intenta cada ejercicio antes de abrirla.

  • forma polar
  • forma rectangular
  • conversión
  • coordenadas
  • ángulo

Ejercicio 1

Dificultad: Básico

Convertir los siguientes números complejos a forma polar:

a) z1=3+3iz_1 = 3 + 3i

b) z2=−4+43iz_2 = -4 + 4\sqrt{3}i

c) z3=−5iz_3 = -5i

d) z4=6z_4 = 6

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  1. Paso 1
    Conversión de z1=3+3iz_1 = 3 + 3i

    r1=32+32=18=32r_1 = \sqrt{3^2 + 3^2} = \sqrt{18} = 3\sqrt{2}

    θ1=arctan⁡(33)=arctan⁡(1)=π4\theta_1 = \arctan\left(\frac{3}{3}\right) = \arctan(1) = \frac{\pi}{4} (primer cuadrante)

    Forma polar: z1=32eiπ/4z_1 = 3\sqrt{2}e^{i\pi/4}

  2. Paso 2
    Conversión de z2=−4+43iz_2 = -4 + 4\sqrt{3}i

    r2=(−4)2+(43)2=16+48=64=8r_2 = \sqrt{(-4)^2 + (4\sqrt{3})^2} = \sqrt{16 + 48} = \sqrt{64} = 8

    θ2=arctan⁡(43−4)+π=arctan⁡(−3)+π=−π3+π=2π3\theta_2 = \arctan\left(\frac{4\sqrt{3}}{-4}\right) + \pi = \arctan(-\sqrt{3}) + \pi = -\frac{\pi}{3} + \pi = \frac{2\pi}{3} (segundo cuadrante)

    Forma polar: z2=8ei2π/3z_2 = 8e^{i2\pi/3}

  3. Paso 3
    Conversión de z3=−5iz_3 = -5i

    r3=02+(−5)2=5r_3 = \sqrt{0^2 + (-5)^2} = 5

    θ3=3π2\theta_3 = \frac{3\pi}{2} (eje imaginario negativo)

    Forma polar: z3=5ei3π/2z_3 = 5e^{i3\pi/2}

  4. Paso 4
    Conversión de z4=6z_4 = 6

    r4=6r_4 = 6

    θ4=0\theta_4 = 0 (eje real positivo)

    Forma polar: z4=6ei0z_4 = 6e^{i0}

Ejercicio 2

Dificultad: Intermedio

Convertir los siguientes números complejos de forma polar a forma rectangular:

a) z1=2eiπ/3z_1 = 2e^{i\pi/3}

b) z2=5ei5π/4z_2 = 5e^{i5\pi/4}

c) z3=3ei2π/3z_3 = 3e^{i2\pi/3}

d) z4=4e−iπ/6z_4 = 4e^{-i\pi/6}

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  1. Paso 1
    Conversión de z1=2eiπ/3z_1 = 2e^{i\pi/3}

    a1=2cos⁡(π3)=2⋅12=1a_1 = 2\cos\left(\frac{\pi}{3}\right) = 2 \cdot \frac{1}{2} = 1

    b1=2sin⁡(π3)=2⋅32=3b_1 = 2\sin\left(\frac{\pi}{3}\right) = 2 \cdot \frac{\sqrt{3}}{2} = \sqrt{3}

    Forma rectangular: z1=1+3iz_1 = 1 + \sqrt{3}i

  2. Paso 2
    Conversión de z2=5ei5π/4z_2 = 5e^{i5\pi/4}

    a2=5cos⁡(5π4)=5⋅(−22)=−522a_2 = 5\cos\left(\frac{5\pi}{4}\right) = 5 \cdot \left(-\frac{\sqrt{2}}{2}\right) = -\frac{5\sqrt{2}}{2}

    b2=5sin⁡(5π4)=5⋅(−22)=−522b_2 = 5\sin\left(\frac{5\pi}{4}\right) = 5 \cdot \left(-\frac{\sqrt{2}}{2}\right) = -\frac{5\sqrt{2}}{2}

    Forma rectangular: z2=−522−522iz_2 = -\frac{5\sqrt{2}}{2} - \frac{5\sqrt{2}}{2}i

  3. Paso 3
    Conversión de z3=3ei2π/3z_3 = 3e^{i2\pi/3}

    a3=3cos⁡(2π3)=3⋅(−12)=−32a_3 = 3\cos\left(\frac{2\pi}{3}\right) = 3 \cdot \left(-\frac{1}{2}\right) = -\frac{3}{2}

    b3=3sin⁡(2π3)=3⋅32=332b_3 = 3\sin\left(\frac{2\pi}{3}\right) = 3 \cdot \frac{\sqrt{3}}{2} = \frac{3\sqrt{3}}{2}

    Forma rectangular: z3=−32+332iz_3 = -\frac{3}{2} + \frac{3\sqrt{3}}{2}i

  4. Paso 4
    Conversión de z4=4e−iπ/6z_4 = 4e^{-i\pi/6}

    a4=4cos⁡(−π6)=4⋅32=23a_4 = 4\cos\left(-\frac{\pi}{6}\right) = 4 \cdot \frac{\sqrt{3}}{2} = 2\sqrt{3}

    b4=4sin⁡(−π6)=4⋅(−12)=−2b_4 = 4\sin\left(-\frac{\pi}{6}\right) = 4 \cdot \left(-\frac{1}{2}\right) = -2

    Forma rectangular: z4=23−2iz_4 = 2\sqrt{3} - 2i

Ejercicio 3

Dificultad: Avanzado

Dados z1=1−3iz_1 = 1 - \sqrt{3}i y z2=2+2iz_2 = \sqrt{2} + \sqrt{2}i:

a) Convertir ambos a forma polar

b) Calcular z1z2z_1z_2 usando la forma polar

c) Calcular z1z2\frac{z_1}{z_2} usando la forma polar

d) Verificar los resultados convirtiendo a forma rectangular

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  1. Paso 1
    Conversión a forma polar

    Para z1=1−3iz_1 = 1 - \sqrt{3}i:

    r1=12+(−3)2=1+3=2r_1 = \sqrt{1^2 + (-\sqrt{3})^2} = \sqrt{1 + 3} = 2

    θ1=arctan⁡(−31)=−π3\theta_1 = \arctan\left(\frac{-\sqrt{3}}{1}\right) = -\frac{\pi}{3} (cuarto cuadrante)

    z1=2e−iπ/3z_1 = 2e^{-i\pi/3}

    Para z2=2+2iz_2 = \sqrt{2} + \sqrt{2}i:

    r2=(2)2+(2)2=2+2=2r_2 = \sqrt{(\sqrt{2})^2 + (\sqrt{2})^2} = \sqrt{2 + 2} = 2

    θ2=arctan⁡(22)=arctan⁡(1)=π4\theta_2 = \arctan\left(\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{2}}\right) = \arctan(1) = \frac{\pi}{4} (primer cuadrante)

    z2=2eiπ/4z_2 = 2e^{i\pi/4}

  2. Paso 2
    Multiplicación en forma polar

    z1z2=2e−iπ/3⋅2eiπ/4=4ei(−π/3+π/4)=4ei(−π/12)=4e−iπ/12z_1z_2 = 2e^{-i\pi/3} \cdot 2e^{i\pi/4} = 4e^{i(-\pi/3 + \pi/4)} = 4e^{i(-\pi/12)} = 4e^{-i\pi/12}

  3. Paso 3
    División en forma polar

    z1z2=2e−iπ/32eiπ/4=ei(−π/3−π/4)=ei(−7π/12)\frac{z_1}{z_2} = \frac{2e^{-i\pi/3}}{2e^{i\pi/4}} = e^{i(-\pi/3 - \pi/4)} = e^{i(-7\pi/12)}

  4. Paso 4
    Verificación en forma rectangular

    z1z2=(1−3i)(2+2i)=2+2i−6i−6i2=2+6+i(2−6)z_1z_2 = (1 - \sqrt{3}i)(\sqrt{2} + \sqrt{2}i) = \sqrt{2} + \sqrt{2}i - \sqrt{6}i - \sqrt{6}i^2 = \sqrt{2} + \sqrt{6} + i(\sqrt{2} - \sqrt{6})

    Conversión del resultado polar: 4e−iπ/12=4[cos⁡(−π/12)+isin⁡(−π/12)]4e^{-i\pi/12} = 4[\cos(-\pi/12) + i\sin(-\pi/12)]

    =4[6+24−i6−24]=6+2−i(6−2)= 4\left[\frac{\sqrt{6} + \sqrt{2}}{4} - i\frac{\sqrt{6} - \sqrt{2}}{4}\right] = \sqrt{6} + \sqrt{2} - i(\sqrt{6} - \sqrt{2}) ✓

    z1z2=1−3i2+2i⋅2−2i2−2i=(2−6)−i(6+2)4\frac{z_1}{z_2} = \frac{1 - \sqrt{3}i}{\sqrt{2} + \sqrt{2}i} \cdot \frac{\sqrt{2} - \sqrt{2}i}{\sqrt{2} - \sqrt{2}i} = \frac{(\sqrt{2} - \sqrt{6}) - i(\sqrt{6} + \sqrt{2})}{4}

    =2−64−i6+24= \frac{\sqrt{2} - \sqrt{6}}{4} - i\frac{\sqrt{6} + \sqrt{2}}{4}

    Conversión del resultado polar: e−i7π/12=cos⁡(−7π/12)−isin⁡(7π/12)e^{-i7\pi/12} = \cos(-7\pi/12) - i\sin(7\pi/12) ✓

Ejercicio 4

Dificultad: Experto

Para los números complejos w1=reiαw_1 = re^{i\alpha} y w2=seiβw_2 = se^{i\beta}:

a) Demostrar que ∣w1w2∣=∣w1∣∣w2∣|w_1w_2| = |w_1||w_2| y arg⁡(w1w2)=arg⁡(w1)+arg⁡(w2)\arg(w_1w_2) = \arg(w_1) + \arg(w_2)

b) Aplicar con w1=3eiπ/6w_1 = 3e^{i\pi/6} y w2=2eiπ/4w_2 = 2e^{i\pi/4}

c) Calcular (w1w2)3(w_1w_2)^3 y w13w23w_1^3w_2^3, verificar que son iguales

d) Encontrar todas las raíces cuadradas de w1w2w_1w_2

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  1. Paso 1
    Demostración de propiedades del producto

    w1w2=reiα⋅seiβ=rsei(α+β)w_1w_2 = re^{i\alpha} \cdot se^{i\beta} = rse^{i(\alpha + \beta)}

    ∣w1w2∣=∣rsei(α+β)∣=rs=∣reiα∣∣seiβ∣=∣w1∣∣w2∣|w_1w_2| = |rse^{i(\alpha + \beta)}| = rs = |re^{i\alpha}||se^{i\beta}| = |w_1||w_2| ✓

    arg⁡(w1w2)=α+β=arg⁡(w1)+arg⁡(w2)\arg(w_1w_2) = \alpha + \beta = \arg(w_1) + \arg(w_2) ✓

  2. Paso 2
    Aplicación numérica

    w1=3eiπ/6w_1 = 3e^{i\pi/6}, w2=2eiπ/4w_2 = 2e^{i\pi/4}

    w1w2=3⋅2⋅ei(π/6+π/4)=6ei5π/12w_1w_2 = 3 \cdot 2 \cdot e^{i(\pi/6 + \pi/4)} = 6e^{i5\pi/12}

    Verificación: ∣w1w2∣=6|w_1w_2| = 6, ∣w1∣∣w2∣=3⋅2=6|w_1||w_2| = 3 \cdot 2 = 6 ✓

    arg⁡(w1w2)=5π12\arg(w_1w_2) = \frac{5\pi}{12}, arg⁡(w1)+arg⁡(w2)=π6+π4=5π12\arg(w_1) + \arg(w_2) = \frac{\pi}{6} + \frac{\pi}{4} = \frac{5\pi}{12} ✓

  3. Paso 3
    Potencias del producto

    (w1w2)3=(6ei5π/12)3=216ei15π/12=216ei5π/4(w_1w_2)^3 = (6e^{i5\pi/12})^3 = 216e^{i15\pi/12} = 216e^{i5\pi/4}

    w13w23=(3eiπ/6)3(2eiπ/4)3=27eiπ/2⋅8ei3π/4=216ei5π/4w_1^3w_2^3 = (3e^{i\pi/6})^3(2e^{i\pi/4})^3 = 27e^{i\pi/2} \cdot 8e^{i3\pi/4} = 216e^{i5\pi/4} ✓

  4. Paso 4
    Raíces cuadradas

    w1w2=6ei5π/12w_1w_2 = 6e^{i5\pi/12}

    Las raíces cuadradas son: 6ei5π/24\sqrt{6}e^{i5\pi/24} y 6ei(5π/24+π)=6ei29π/24\sqrt{6}e^{i(5\pi/24 + \pi)} = \sqrt{6}e^{i29\pi/24}

    Verificación: (6ei5π/24)2=6ei5π/12(\sqrt{6}e^{i5\pi/24})^2 = 6e^{i5\pi/12} ✓

    (6ei29π/24)2=6ei29π/12=6ei(24π+5π)/12=6ei5π/12(\sqrt{6}e^{i29\pi/24})^2 = 6e^{i29\pi/12} = 6e^{i(24\pi + 5\pi)/12} = 6e^{i5\pi/12} ✓