Matemáticas I · Tema 1 · Sección 1.2

Ejercicios resueltos de módulo y conjugado

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.

  • módulo
  • conjugado
  • parte real
  • parte imaginaria
  • propiedades

Ejercicio 1

Dificultad: Básico

Dados z1=5−2iz_1 = 5 - 2i y z2=−3+4iz_2 = -3 + 4i, calcular:

a) ∣z1∣|z_1| y ∣z2∣|z_2|

b) z1‾\overline{z_1} y z2‾\overline{z_2}

c) z1×z1‾z_1 \times \overline{z_1} y z2×z2‾z_2 \times \overline{z_2}

d) ∣z1‾+z2‾∣|\overline{z_1} + \overline{z_2}|

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  1. Paso 1
    Cálculo de módulos

    ∣z1∣=∣5−2i∣=52+(−2)2=25+4=29|z_1| = |5 - 2i| = \sqrt{5^2 + (-2)^2} = \sqrt{25 + 4} = \sqrt{29}

    ∣z2∣=∣−3+4i∣=(−3)2+42=9+16=25=5|z_2| = |-3 + 4i| = \sqrt{(-3)^2 + 4^2} = \sqrt{9 + 16} = \sqrt{25} = 5

  2. Paso 2
    Cálculo de conjugados

    z1‾=5−2i‾=5+2i\overline{z_1} = \overline{5 - 2i} = 5 + 2i

    z2‾=−3+4i‾=−3−4i\overline{z_2} = \overline{-3 + 4i} = -3 - 4i

  3. Paso 3
    Producto de un complejo por su conjugado

    z1×z1‾=(5−2i)(5+2i)=25−4i2=25+4=29=∣z1∣2z_1 \times \overline{z_1} = (5 - 2i)(5 + 2i) = 25 - 4i^2 = 25 + 4 = 29 = |z_1|^2

    z2×z2‾=(−3+4i)(−3−4i)=9−16i2=9+16=25=∣z2∣2z_2 \times \overline{z_2} = (-3 + 4i)(-3 - 4i) = 9 - 16i^2 = 9 + 16 = 25 = |z_2|^2

  4. Paso 4
    Módulo de suma de conjugados

    z1‾+z2‾=(5+2i)+(−3−4i)=2−2i\overline{z_1} + \overline{z_2} = (5 + 2i) + (-3 - 4i) = 2 - 2i

    ∣z1‾+z2‾∣=∣2−2i∣=4+4=8=22|\overline{z_1} + \overline{z_2}| = |2 - 2i| = \sqrt{4 + 4} = \sqrt{8} = 2\sqrt{2}

Ejercicio 2

Dificultad: Intermedio

Para los números complejos z1=1+5iz_1 = 1 + 5i, z2=6−3iz_2 = 6 - 3i y z3=−2−7iz_3 = -2 - 7i, calcular:

a) ∣z1+z2∣|z_1 + z_2| y comparar con ∣z1∣+∣z2∣|z_1| + |z_2|

b) ∣z1z2∣|z_1z_2| y verificar que es igual a ∣z1∣∣z2∣|z_1||z_2|

c) ∣z3‾∣|\overline{z_3}| y comparar con ∣z3∣|z_3|

d) z1z2z3‾\overline{z_1z_2z_3} y verificar que es igual a z1‾z2‾z3‾\overline{z_1}\overline{z_2}\overline{z_3}

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  1. Paso 1
    Desigualdad triangular

    z1+z2=(1+5i)+(6−3i)=7+2iz_1 + z_2 = (1 + 5i) + (6 - 3i) = 7 + 2i

    ∣z1+z2∣=∣7+2i∣=49+4=53≈7.28|z_1 + z_2| = |7 + 2i| = \sqrt{49 + 4} = \sqrt{53} \approx 7.28

    ∣z1∣+∣z2∣=1+25+36+9=26+45=26+35≈5.10+6.71=11.81|z_1| + |z_2| = \sqrt{1 + 25} + \sqrt{36 + 9} = \sqrt{26} + \sqrt{45} = \sqrt{26} + 3\sqrt{5} \approx 5.10 + 6.71 = 11.81

    Se cumple: ∣z1+z2∣≤∣z1∣+∣z2∣|z_1 + z_2| \leq |z_1| + |z_2| ✓

  2. Paso 2
    Propiedad multiplicativa del módulo

    z1z2=(1+5i)(6−3i)=6−3i+30i−15i2=6+27i+15=21+27iz_1z_2 = (1 + 5i)(6 - 3i) = 6 - 3i + 30i - 15i^2 = 6 + 27i + 15 = 21 + 27i

    ∣z1z2∣=∣21+27i∣=441+729=1170=3130|z_1z_2| = |21 + 27i| = \sqrt{441 + 729} = \sqrt{1170} = 3\sqrt{130}

    ∣z1∣∣z2∣=26⋅35=3130|z_1||z_2| = \sqrt{26} \cdot 3\sqrt{5} = 3\sqrt{130} ✓

  3. Paso 3
    Módulo del conjugado

    z3‾=−2−7i‾=−2+7i\overline{z_3} = \overline{-2 - 7i} = -2 + 7i

    ∣z3‾∣=∣−2+7i∣=4+49=53|\overline{z_3}| = |-2 + 7i| = \sqrt{4 + 49} = \sqrt{53}

    ∣z3∣=∣−2−7i∣=4+49=53|z_3| = |-2 - 7i| = \sqrt{4 + 49} = \sqrt{53}

    Se cumple: ∣z3‾∣=∣z3∣|\overline{z_3}| = |z_3| ✓

  4. Paso 4
    Conjugado del producto

    z1z2z3=(21+27i)(−2−7i)=−42−147i−54i−189i2=−42−201i+189=147−201iz_1z_2z_3 = (21 + 27i)(-2 - 7i) = -42 - 147i - 54i - 189i^2 = -42 - 201i + 189 = 147 - 201i

    z1z2z3‾=147−201i‾=147+201i\overline{z_1z_2z_3} = \overline{147 - 201i} = 147 + 201i

    z1‾z2‾z3‾=(1−5i)(6+3i)(−2+7i)\overline{z_1}\overline{z_2}\overline{z_3} = (1 - 5i)(6 + 3i)(-2 + 7i)

    =(6+3i−30i−15i2)(−2+7i)=(21−27i)(−2+7i)=−42+147i+54i−189i2=147+201i= (6 + 3i - 30i - 15i^2)(-2 + 7i) = (21 - 27i)(-2 + 7i) = -42 + 147i + 54i - 189i^2 = 147 + 201i ✓

Ejercicio 3

Dificultad: Avanzado

Sean u=3+4iu = 3 + 4i, v=5−12iv = 5 - 12i y w=7+24iw = 7 + 24i. Determinar:

a) El número complejo zz tal que ∣z∣=1|z| = 1 y zu‾=uz\overline{u} = u

b) Si ∣v∣=13|v| = 13, calcular el valor de v+v‾∣v∣\frac{v + \overline{v}}{|v|}

c) Para ww, verificar que ∣w∣2=ww‾|w|^2 = w\overline{w}

d) El argumento de uv\frac{u}{v} expresado en radianes

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  1. Paso 1
    Búsqueda del complejo unitario

    Para que zu‾=uz\overline{u} = u, necesitamos z=uu‾z = \frac{u}{\overline{u}}

    u‾=3−4i\overline{u} = 3 - 4i, por tanto z=3+4i3−4i=(3+4i)(3+4i)(3−4i)(3+4i)=9+24i+16i29+16=−7+24i25z = \frac{3 + 4i}{3 - 4i} = \frac{(3 + 4i)(3 + 4i)}{(3 - 4i)(3 + 4i)} = \frac{9 + 24i + 16i^2}{9 + 16} = \frac{-7 + 24i}{25}

    Verificamos: ∣z∣=∣−7+24i25∣=49+57625=2525=1|z| = \left|\frac{-7 + 24i}{25}\right| = \frac{\sqrt{49 + 576}}{25} = \frac{25}{25} = 1 ✓

  2. Paso 2
    Parte real normalizada

    v+v‾=(5−12i)+(5+12i)=10v + \overline{v} = (5 - 12i) + (5 + 12i) = 10

    v+v‾∣v∣=1013\frac{v + \overline{v}}{|v|} = \frac{10}{13}

  3. Paso 3
    Verificación de la propiedad fundamental

    ∣w∣2=∣7+24i∣2=72+242=49+576=625|w|^2 = |7 + 24i|^2 = 7^2 + 24^2 = 49 + 576 = 625

    ww‾=(7+24i)(7−24i)=49−576i2=49+576=625w\overline{w} = (7 + 24i)(7 - 24i) = 49 - 576i^2 = 49 + 576 = 625 ✓

  4. Paso 4
    Argumento del cociente

    uv=3+4i5−12i⋅5+12i5+12i=(3+4i)(5+12i)25+144=15+36i+20i+48i2169=−33+56i169\frac{u}{v} = \frac{3 + 4i}{5 - 12i} \cdot \frac{5 + 12i}{5 + 12i} = \frac{(3 + 4i)(5 + 12i)}{25 + 144} = \frac{15 + 36i + 20i + 48i^2}{169} = \frac{-33 + 56i}{169}

    arg⁡(uv)=arctan⁡(56−33)+π=arctan⁡(−5633)+π\arg\left(\frac{u}{v}\right) = \arctan\left(\frac{56}{-33}\right) + \pi = \arctan\left(-\frac{56}{33}\right) + \pi (segundo cuadrante)

    =π−arctan⁡(5633)≈π−1.038≈2.103= \pi - \arctan\left(\frac{56}{33}\right) \approx \pi - 1.038 \approx 2.103 rad

Ejercicio 4

Dificultad: Experto

Demostrar las siguientes propiedades para números complejos arbitrarios z1=a1+b1iz_1 = a_1 + b_1i y z2=a2+b2iz_2 = a_2 + b_2i:

a) ∣z1+z2∣2+∣z1−z2∣2=2(∣z1∣2+∣z2∣2)|z_1 + z_2|^2 + |z_1 - z_2|^2 = 2(|z_1|^2 + |z_2|^2) (identidad del paralelogramo)

b) Re(z1z2‾)=Re(z1)Re(z2)+Im(z1)Im(z2)\text{Re}(z_1\overline{z_2}) = \text{Re}(z_1)\text{Re}(z_2) + \text{Im}(z_1)\text{Im}(z_2)

c) ∣z1+z2∣2=∣z1∣2+∣z2∣2+2Re(z1z2‾)|z_1 + z_2|^2 = |z_1|^2 + |z_2|^2 + 2\text{Re}(z_1\overline{z_2})

d) Aplicar estas propiedades numéricamente con z1=2+3iz_1 = 2 + 3i y z2=1−4iz_2 = 1 - 4i

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  1. Paso 1
    Demostración de la identidad del paralelogramo

    ∣z1+z2∣2=(a1+a2)2+(b1+b2)2=a12+2a1a2+a22+b12+2b1b2+b22|z_1 + z_2|^2 = (a_1 + a_2)^2 + (b_1 + b_2)^2 = a_1^2 + 2a_1a_2 + a_2^2 + b_1^2 + 2b_1b_2 + b_2^2

    ∣z1−z2∣2=(a1−a2)2+(b1−b2)2=a12−2a1a2+a22+b12−2b1b2+b22|z_1 - z_2|^2 = (a_1 - a_2)^2 + (b_1 - b_2)^2 = a_1^2 - 2a_1a_2 + a_2^2 + b_1^2 - 2b_1b_2 + b_2^2

    ∣z1+z2∣2+∣z1−z2∣2=2a12+2a22+2b12+2b22=2(∣z1∣2+∣z2∣2)|z_1 + z_2|^2 + |z_1 - z_2|^2 = 2a_1^2 + 2a_2^2 + 2b_1^2 + 2b_2^2 = 2(|z_1|^2 + |z_2|^2) ✓

  2. Paso 2
    Parte real del producto por conjugado

    z1z2‾=(a1+b1i)(a2−b2i)=a1a2+b1b2+i(b1a2−a1b2)z_1\overline{z_2} = (a_1 + b_1i)(a_2 - b_2i) = a_1a_2 + b_1b_2 + i(b_1a_2 - a_1b_2)

    Re(z1z2‾)=a1a2+b1b2=Re(z1)Re(z2)+Im(z1)Im(z2)\text{Re}(z_1\overline{z_2}) = a_1a_2 + b_1b_2 = \text{Re}(z_1)\text{Re}(z_2) + \text{Im}(z_1)\text{Im}(z_2) ✓

  3. Paso 3
    Expansión del módulo de la suma

    ∣z1+z2∣2=(z1+z2)(z1+z2)‾=(z1+z2)(z1‾+z2‾)|z_1 + z_2|^2 = (z_1 + z_2)\overline{(z_1 + z_2)} = (z_1 + z_2)(\overline{z_1} + \overline{z_2})

    =z1z1‾+z1z2‾+z2z1‾+z2z2‾= z_1\overline{z_1} + z_1\overline{z_2} + z_2\overline{z_1} + z_2\overline{z_2}

    =∣z1∣2+∣z2∣2+z1z2‾+z1z2‾‾= |z_1|^2 + |z_2|^2 + z_1\overline{z_2} + \overline{z_1\overline{z_2}}

    =∣z1∣2+∣z2∣2+2Re(z1z2‾)= |z_1|^2 + |z_2|^2 + 2\text{Re}(z_1\overline{z_2}) ✓

  4. Paso 4
    Verificación numérica

    Con z1=2+3iz_1 = 2 + 3i y z2=1−4iz_2 = 1 - 4i:

    ∣z1+z2∣2=∣3−i∣2=10|z_1 + z_2|^2 = |3 - i|^2 = 10, ∣z1−z2∣2=∣1+7i∣2=50|z_1 - z_2|^2 = |1 + 7i|^2 = 50

    2(∣z1∣2+∣z2∣2)=2(13+17)=602(|z_1|^2 + |z_2|^2) = 2(13 + 17) = 60

    Verificación: 10+50=6010 + 50 = 60 ✓

    z1z2‾=(2+3i)(1+4i)=2+8i+3i+12i2=−10+11iz_1\overline{z_2} = (2 + 3i)(1 + 4i) = 2 + 8i + 3i + 12i^2 = -10 + 11i

    Re(z1z2‾)=−10=2⋅1+3⋅(−4)=2−12=−10\text{Re}(z_1\overline{z_2}) = -10 = 2 \cdot 1 + 3 \cdot (-4) = 2 - 12 = -10 ✓

    ∣z1+z2∣2=13+17+2(−10)=10|z_1 + z_2|^2 = 13 + 17 + 2(-10) = 10 ✓