题目
已知z=(sqrt(2))/(2)(1-i),则z^100+z^50+1的值为() A. -i B. i C. 1 D. -1
已知$z=\frac{\sqrt{2}}{2}(1-i)$,则$z^{100}+z^{50}+1$的值为()
A. -i
B. i
C. 1
D. -1
A. -i
B. i
C. 1
D. -1
题目解答
答案
将 $ z = \frac{\sqrt{2}}{2}(1 - i) $ 转化为极坐标形式,得 $ z = \cos\left(-\frac{\pi}{4}\right) + i\sin\left(-\frac{\pi}{4}\right) $。
由德莫弗定理,$ z^n = \cos\left(-\frac{n\pi}{4}\right) + i\sin\left(-\frac{n\pi}{4}\right) $。
计算得:
- $ z^{100} = \cos\left(-25\pi\right) + i\sin\left(-25\pi\right) = -1 $,
- $ z^{50} = \cos\left(-\frac{25\pi}{2}\right) + i\sin\left(-\frac{25\pi}{2}\right) = -i $。
因此,$ z^{100} + z^{50} + 1 = -1 + (-i) + 1 = -i $。
答案:$\boxed{-i}$
解析
考查要点:本题主要考查复数的极坐标形式、德·摩根定理的应用,以及复数幂运算的周期性规律。
解题核心思路:
- 将复数转化为极坐标形式,确定模和辐角;
- 利用德·摩根定理简化高次幂的计算;
- 利用周期性规律(如单位根性质)快速计算大指数幂;
- 代数运算求和并化简。
破题关键点:
- 识别模为1,简化计算;
- 确定辐角为$-\frac{\pi}{4}$,便于应用德·摩根定理;
- 利用周期性(每8次幂循环)快速计算$z^{100}$和$z^{50}$。
步骤1:将$z$转化为极坐标形式
复数$z = \frac{\sqrt{2}}{2}(1 - i)$的实部为$\frac{\sqrt{2}}{2}$,虚部为$-\frac{\sqrt{2}}{2}$:
- 模:$r = \sqrt{\left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right)^2 + \left(-\frac{\sqrt{2}}{2}\right)^2} = \sqrt{\frac{1}{2} + \frac{1}{2}} = 1$;
- 辐角:$\theta = \arctan\left(\frac{-\frac{\sqrt{2}}{2}}{\frac{\sqrt{2}}{2}}\right) = \arctan(-1) = -\frac{\pi}{4}$。
因此,$z$的极坐标形式为:
$z = \cos\left(-\frac{\pi}{4}\right) + i\sin\left(-\frac{\pi}{4}\right).$
步骤2:应用德·摩根定理计算幂次
根据德·摩根定理,$z^n = \cos\left(-\frac{n\pi}{4}\right) + i\sin\left(-\frac{n\pi}{4}\right)$:
- 计算$z^{100}$:
$z^{100} = \cos\left(-25\pi\right) + i\sin\left(-25\pi\right) = \cos(-\pi) + i\sin(-\pi) = -1.$ - 计算$z^{50}$:
$z^{50} = \cos\left(-\frac{25\pi}{2}\right) + i\sin\left(-\frac{25\pi}{2}\right) = \cos\left(-\frac{\pi}{2}\right) + i\sin\left(-\frac{\pi}{2}\right) = -i.$
步骤3:求和并化简
$z^{100} + z^{50} + 1 = (-1) + (-i) + 1 = -i.$