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miércoles, 14 de febrero de 2024

Un ejercicio para hallar la forma exponencial de un número complejo

Sea el número complejo z=\dfrac{2+i}{3-i} Me propongo expresarlo de la forma z=|z|\cdot e^{i\,\theta} donde \theta es el ángulo polar y |z| denota el módulo de dicho número complejo

Podemos calcular el módulo |z| de varias maneras. Una de ellas consiste en manejar el cociente con el que se define dicho número para expresarlo en forma binómica, z=a+ib, con a,b\in \mathbb{R}, y, a continuación, hallar su módulo: |z|=\sqrt{a^2+b^2}. Procedo de esta manera:
  z=\dfrac{2+i}{3-i}. Multiplicando y dividiendo por el complejo conjugado del denominador:
    =\dfrac{2+i}{3-i}\dfrac{3+i}{3+i}
      =\dfrac{(2+i)(3+i)}{(3-i)(3+i)}
        =\dfrac{6+(3+2)i+i^2}{(3^2+3i-3i-i^2}
          =\dfrac{6+5i+-(1)}{(3^2-(-1)}
            =\dfrac{5+5i}{10}
              =\dfrac{5(1+i)}{10}
                =\dfrac{1}{2}\cdot (1+i) \quad (1)
Entonces,
  |z|=|\dfrac{1}{2}|\cdot |1+1\cdot i|
    =\dfrac{1}{2}\cdot \sqrt{1^2+1^2}
      =\dfrac{1}{\sqrt{2}}
        =\dfrac{\sqrt{2}}{2}
De (1) podemos deducir ya el ángulo polar de z, para el que tomamos el argumento principal del mismo, \theta =\text{Arg}(z), con 0\le \text{Arg}(z) \le 2\pi:
  \theta=\text{Arg}(z):=\arctan\left(\dfrac{\mathcal{Im}(z)}{\mathcal{Re}(z)}\right), y teniendo en cuenta que \text{Arg}\left(\dfrac{1}{2}\,(1+i)\right)=\text{Arg}(1+i), se tiene que, como \mathcal{Re}(1+i)=1 y \mathcal{Im}(1+i)=1, \theta=\text{arctan}\left(\dfrac{1}{1}\right)=\text{arctan}(1). Por otra parte, el afijo de z se encuentra en el primer cuadrante del plano de Argand (o plano complejo), pues \mathcal{Re}(z)\gt 0 y \mathcal{Im}(z)\gt 0, luego \theta=\dfrac{\pi}{4}. Nota: Recordemos que los ángulos los expresamos en radianes.
En consecuencia, ya podemos escribir el número complejo en forma exponencial: \displaystyle z=\dfrac{\sqrt{2}}{2}\cdot e^{i\,\frac{\pi}{4}}

Observación:

También podemos calcular el módulo de z de la siguiente manera:
  |z|=\left|\dfrac{2+i}{3-i}\right|
      =\dfrac{\left|2+i\right|}{\left|3-i\right|}
        =\dfrac{\sqrt{2^2+1^2}}{\sqrt{3^2+(-1)^2}}
          =\dfrac{\sqrt{5}}{\sqrt{10}}
            =\dfrac{\sqrt{5}}{\sqrt{5\cdot 2}}
              =\dfrac{\sqrt{5}}{\sqrt{5}\cdot \sqrt{2}}
                =\dfrac{1}{\sqrt{2}}
                  =\dfrac{\sqrt{2}}{2}

\diamond

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