Matemáticas I · Tema 1 · Sección 1.4

Ejercicios resueltos de potencias y raíces

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.

  • potencias
  • raíces
  • fórmula de De Moivre
  • exponentes
  • cálculo

Ejercicio 1

Dificultad: Básico

Calcular las siguientes potencias:

a) (2+2i)4(2 + 2i)^4

b) (1−i)8(1 - i)^8

c) (−1+3i)6(-1 + \sqrt{3}i)^6

d) (1+i2)12\left(\frac{1 + i}{\sqrt{2}}\right)^{12}

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  1. Paso 1
    Cálculo de (2+2i)4(2 + 2i)^4

    Primero convertir a forma polar: 2+2i=22eiπ/42 + 2i = 2\sqrt{2}e^{i\pi/4}

    (2+2i)4=(22)4ei4π/4=64eiπ=64(−1)=−64(2 + 2i)^4 = (2\sqrt{2})^4 e^{i4\pi/4} = 64e^{i\pi} = 64(-1) = -64

  2. Paso 2
    Cálculo de (1−i)8(1 - i)^8

    1−i=2e−iπ/41 - i = \sqrt{2}e^{-i\pi/4}

    (1−i)8=(2)8e−i8π/4=16e−i2π=16ei0=16(1 - i)^8 = (\sqrt{2})^8 e^{-i8\pi/4} = 16e^{-i2\pi} = 16e^{i0} = 16

  3. Paso 3
    Cálculo de (−1+3i)6(-1 + \sqrt{3}i)^6

    −1+3i=2ei2π/3-1 + \sqrt{3}i = 2e^{i2\pi/3}

    (−1+3i)6=26ei12π/3=64ei4π=64ei0=64(-1 + \sqrt{3}i)^6 = 2^6 e^{i12\pi/3} = 64e^{i4\pi} = 64e^{i0} = 64

  4. Paso 4
    Cálculo de (1+i2)12\left(\frac{1 + i}{\sqrt{2}}\right)^{12}

    1+i2=2eiπ/42=eiπ/4\frac{1 + i}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}e^{i\pi/4}}{\sqrt{2}} = e^{i\pi/4}

    (1+i2)12=(eiπ/4)12=ei3π=eiπ=−1\left(\frac{1 + i}{\sqrt{2}}\right)^{12} = (e^{i\pi/4})^{12} = e^{i3\pi} = e^{i\pi} = -1

Ejercicio 2

Dificultad: Intermedio

Encontrar todas las raíces de las siguientes ecuaciones:

a) z3=8z^3 = 8

b) z4=−16z^4 = -16

c) z6=64iz^6 = 64i

d) z2+z+1=0z^2 + z + 1 = 0

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  1. Paso 1
    Raíces cúbicas de 8

    8=8ei08 = 8e^{i0}

    zk=81/3ei(0+2πk)/3=2ei2πk/3z_k = 8^{1/3}e^{i(0 + 2\pi k)/3} = 2e^{i2\pi k/3} para k=0,1,2k = 0, 1, 2

    z0=2ei0=2z_0 = 2e^{i0} = 2

    z1=2ei2π/3=2(−12+32i)=−1+3iz_1 = 2e^{i2\pi/3} = 2\left(-\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2}i\right) = -1 + \sqrt{3}i

    z2=2ei4π/3=2(−12−32i)=−1−3iz_2 = 2e^{i4\pi/3} = 2\left(-\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2}i\right) = -1 - \sqrt{3}i

  2. Paso 2
    Raíces cuartas de -16

    −16=16eiπ-16 = 16e^{i\pi}

    zk=161/4ei(π+2πk)/4=2eiπ(2k+1)/4z_k = 16^{1/4}e^{i(\pi + 2\pi k)/4} = 2e^{i\pi(2k+1)/4} para k=0,1,2,3k = 0, 1, 2, 3

    z0=2eiπ/4=2+2iz_0 = 2e^{i\pi/4} = \sqrt{2} + \sqrt{2}i

    z1=2ei3π/4=−2+2iz_1 = 2e^{i3\pi/4} = -\sqrt{2} + \sqrt{2}i

    z2=2ei5π/4=−2−2iz_2 = 2e^{i5\pi/4} = -\sqrt{2} - \sqrt{2}i

    z3=2ei7π/4=2−2iz_3 = 2e^{i7\pi/4} = \sqrt{2} - \sqrt{2}i

  3. Paso 3
    Raíces sextas de 64i64i

    64i=64eiπ/264i = 64e^{i\pi/2}

    zk=641/6ei(π/2+2πk)/6=2eiπ(4k+1)/12z_k = 64^{1/6}e^{i(\pi/2 + 2\pi k)/6} = 2e^{i\pi(4k+1)/12} para k=0,1,2,3,4,5k = 0, 1, 2, 3, 4, 5

    z0=2eiπ/12z_0 = 2e^{i\pi/12}, z1=2ei5π/12z_1 = 2e^{i5\pi/12}, z2=2ei3π/4z_2 = 2e^{i3\pi/4}

    z3=2ei13π/12z_3 = 2e^{i13\pi/12}, z4=2ei17π/12z_4 = 2e^{i17\pi/12}, z5=2ei7π/4z_5 = 2e^{i7\pi/4}

  4. Paso 4
    Ecuación cuadrática z2+z+1=0z^2 + z + 1 = 0

    z=−1±1−42=−1±−32=−1±3i2z = \frac{-1 \pm \sqrt{1 - 4}}{2} = \frac{-1 \pm \sqrt{-3}}{2} = \frac{-1 \pm \sqrt{3}i}{2}

    z1=−12+32i=ei2π/3z_1 = -\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2}i = e^{i2\pi/3}

    z2=−12−32i=ei4π/3z_2 = -\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2}i = e^{i4\pi/3}

Ejercicio 3

Dificultad: Avanzado

Resolver los siguientes problemas:

a) Si z5=32eiπ/3z^5 = 32e^{i\pi/3}, encontrar todas las soluciones

b) Calcular (1+i3)10(1 + i\sqrt{3})^{10}

c) Simplificar (1−i1+i)20\left(\frac{1 - i}{1 + i}\right)^{20}

d) Si w=ei2π/7w = e^{i2\pi/7}, calcular w+w2+w3+w4+w5+w6w + w^2 + w^3 + w^4 + w^5 + w^6

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  1. Paso 1
    Raíces quintas de 32eiπ/332e^{i\pi/3}

    zk=(32)1/5ei(π/3+2πk)/5=2eiπ(6k+1)/15z_k = (32)^{1/5}e^{i(\pi/3 + 2\pi k)/5} = 2e^{i\pi(6k+1)/15} para k=0,1,2,3,4k = 0, 1, 2, 3, 4

    z0=2eiπ/15z_0 = 2e^{i\pi/15}, z1=2ei7π/15z_1 = 2e^{i7\pi/15}, z2=2ei13π/15z_2 = 2e^{i13\pi/15}

    z3=2ei19π/15z_3 = 2e^{i19\pi/15}, z4=2ei25π/15=2ei5π/3z_4 = 2e^{i25\pi/15} = 2e^{i5\pi/3}

  2. Paso 2
    Potencia de (1+i3)10(1 + i\sqrt{3})^{10}

    1+i3=2eiπ/31 + i\sqrt{3} = 2e^{i\pi/3}

    (1+i3)10=210ei10π/3=1024ei(2π+4π/3)=1024ei4π/3=1024(−12−32i)=−512−5123i(1 + i\sqrt{3})^{10} = 2^{10}e^{i10\pi/3} = 1024e^{i(2\pi + 4\pi/3)} = 1024e^{i4\pi/3} = 1024\left(-\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2}i\right) = -512 - 512\sqrt{3}i

  3. Paso 3
    Simplificación de (1−i1+i)20\left(\frac{1 - i}{1 + i}\right)^{20}

    1−i1+i=(1−i)(1−i)(1+i)(1−i)=1−2i+i21−i2=−2i2=−i=e−iπ/2\frac{1 - i}{1 + i} = \frac{(1 - i)(1 - i)}{(1 + i)(1 - i)} = \frac{1 - 2i + i^2}{1 - i^2} = \frac{-2i}{2} = -i = e^{-i\pi/2}

    (1−i1+i)20=(e−iπ/2)20=e−i10π=ei0=1\left(\frac{1 - i}{1 + i}\right)^{20} = (e^{-i\pi/2})^{20} = e^{-i10\pi} = e^{i0} = 1

  4. Paso 4
    Suma de potencias de raíz séptima de la unidad

    Como w=ei2π/7w = e^{i2\pi/7}, tenemos w7=ei2π=1w^7 = e^{i2\pi} = 1, por tanto w7−1=0w^7 - 1 = 0

    (w−1)(w6+w5+w4+w3+w2+w+1)=0(w - 1)(w^6 + w^5 + w^4 + w^3 + w^2 + w + 1) = 0

    Como w≠1w \neq 1, debe cumplirse: w6+w5+w4+w3+w2+w+1=0w^6 + w^5 + w^4 + w^3 + w^2 + w + 1 = 0

    Por tanto: w+w2+w3+w4+w5+w6=−1w + w^2 + w^3 + w^4 + w^5 + w^6 = -1

Ejercicio 4

Dificultad: Experto

Demostrar y aplicar las siguientes identidades:

a) Para n≥1n \geq 1: 1+z+z2+⋯+zn−1=zn−1z−11 + z + z^2 + \cdots + z^{n-1} = \frac{z^n - 1}{z - 1} (si z≠1z \neq 1)

b) Las raíces n-ésimas de la unidad suman cero

c) Aplicar (a) para calcular ∑k=07eikπ/4\sum_{k=0}^{7} e^{ik\pi/4}

d) Verificar (b) numéricamente para las raíces cúbicas de la unidad

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  1. Paso 1
    Demostración de la fórmula de suma geométrica

    Sea S=1+z+z2+⋯+zn−1S = 1 + z + z^2 + \cdots + z^{n-1}

    zS=z+z2+z3+⋯+znzS = z + z^2 + z^3 + \cdots + z^n

    S−zS=1−znS - zS = 1 - z^n

    S(1−z)=1−znS(1 - z) = 1 - z^n

    Si z≠1z \neq 1: S=1−zn1−z=zn−1z−1S = \frac{1 - z^n}{1 - z} = \frac{z^n - 1}{z - 1} ✓

  2. Paso 2
    Las raíces n-ésimas de la unidad

    Las raíces n-ésimas de la unidad son ωk=ei2πk/n\omega_k = e^{i2\pi k/n} para k=0,1,…,n−1k = 0, 1, \ldots, n-1

    ∑k=0n−1ωk=∑k=0n−1ei2πk/n\sum_{k=0}^{n-1} \omega_k = \sum_{k=0}^{n-1} e^{i2\pi k/n}

    Usando la fórmula con z=ei2π/nz = e^{i2\pi/n}:

    ∑k=0n−1zk=zn−1z−1=ei2π−1ei2π/n−1=1−1ei2π/n−1=0\sum_{k=0}^{n-1} z^k = \frac{z^n - 1}{z - 1} = \frac{e^{i2\pi} - 1}{e^{i2\pi/n} - 1} = \frac{1 - 1}{e^{i2\pi/n} - 1} = 0 ✓

  3. Paso 3
    Aplicación para ∑k=07eikπ/4\sum_{k=0}^{7} e^{ik\pi/4}

    ∑k=07eikπ/4=∑k=07(eiπ/4)k\sum_{k=0}^{7} e^{ik\pi/4} = \sum_{k=0}^{7} (e^{i\pi/4})^k

    Con z=eiπ/4z = e^{i\pi/4}: z8=ei2π=1z^8 = e^{i2\pi} = 1

    ∑k=07zk=z8−1z−1=1−1eiπ/4−1=0\sum_{k=0}^{7} z^k = \frac{z^8 - 1}{z - 1} = \frac{1 - 1}{e^{i\pi/4} - 1} = 0

  4. Paso 4
    Verificación numérica para raíces cúbicas de la unidad

    Las raíces cúbicas de la unidad son: 11, ei2π/3=−12+32ie^{i2\pi/3} = -\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2}i, ei4π/3=−12−32ie^{i4\pi/3} = -\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2}i

    Suma: 1+(−12+32i)+(−12−32i)=1−1+0i=01 + \left(-\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2}i\right) + \left(-\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2}i\right) = 1 - 1 + 0i = 0 ✓