1.4 1.4.2 Representación gráfica de un complejo

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1.4.2 Representación gráfica de un complejo

1

El plano complejo de Argand-Gauss

Existe una biyección canónica entre el conjunto de los números complejos \(C \) y el plano euclídeo bidimensional \(R^2 \). Cada número complejo en forma binómica \(z = a + bi \) se identifica unívocamente con el par ordenado de coordenadas cartesianas:

$$z = a + bi \longleftrightarrow (a, b) \in R^2 $$

En esta representación geométrica, denominada Plano Complejo o Diagrama de Argand-Gauss:

1

El eje horizontal de abscisas representa la componente real y se denomina Eje Real ($$\text{Re} $$)

2

El eje vertical de ordenadas representa la componente imaginaria y se denomina Eje Imaginario ($$\text{Im} $$)

El número complejo \(z \) puede verse tanto como un punto o afijo \((a, b) \) en el plano, como un vector posicional con origen en \((0, 0) \) y extremo en \((a, b) \)

📝 Ejemplo conceptual:

El número complejo \(z_1 = 3 + 2i \) se sitúa en el primer cuadrante con coordenadas \((3, 2) \). El número \(z_2 = -4 - i \) se sitúa en el tercer cuadrante con coordenadas \((-4, -1) \)

2

Definición y propiedades métricas del módulo

El módulo o longitud de un número complejo \(z = a + bi \), denotado por \(|z| \) o por la letra \(R \), se define como la distancia euclídea euclidiana desde el origen \((0, 0) \) hasta el afijo \((a, b) \):

$$|z| = R = \sqrt{a^2 + b^2} = \sqrt{z \cdot \bar{z}} $$
⚙️ Propiedades: Fundamentales del Módulo
1

Positividad: $$|z| \ge 0 $$, y $$|z| = 0 \iff z = 0 $$

2

Simetría con opuesto y conjugado: $$|z| = |\bar{z}| = |-z| = |-\bar{z}| $$

3

Multiplicatividad: $$|z_1 \cdot z_2| = |z_1| \cdot |z_2| $$

De forma general para \(n \) factores: $$|z_1 \cdot z_2 \cdots z_n| = |z_1| \cdot |z_2| \cdots |z_n| $$

4

Módulo del cociente

$$\left|\frac{z_1}{z_2}\right| = \frac{|z_1|}{|z_2|} \quad (z_2 \ne 0) $$
5

Identidad del conjugado: $$z \cdot \bar{z} = |z|^2 $$

6

Desigualdad Triangular Directa: $$|z_1 + z_2| \le |z_1| + |z_2| $$

7. Desigualdad Triangular Inversa: $$|z_1 - z_2| \ge ||z_1| - |z_2 el módulo de la diferencia es mayor o igual que el valor absoluto de la diferencia de módulos zeta igual a tres menos cuatro i $$:

$$|z| = \sqrt{3^2 + (-4)^2} = \sqrt{9 + 16} = \sqrt{25} = 5 $$
3

Lugares geométricos en el plano complejo

La distancia euclídea entre dos números complejos \(z_1, z_2 \in C \) es exactamente \(d(z_1, z_2) = |z_1 - z_2| \). Esto permite describir conjuntos geométricos con gran elegancia:

1

Circunferencia de centro $$z_0 $$ y radio $$r > 0 $$

$$\{z \in C : |z - z_0| = r\} $$
2

Círculo o Disco cerrado (resp. abierto)

$$|z - z_0| \le r \quad (\text{resp. } |z - z_0| < r) $$
3

Mediatriz del segmento que une $$z_1 $$ y $$z_2 $$

$$\{z \in C : |z - z_1| = |z - z_2|\} $$
4

Semiplanos delimitados por mediatrices

$$|z - z_1| < |z - z_2| $$
📝 Ejemplo 1 Determinación geométrica de una circunferencia en el plano de Argand

Cálculo del centro y del radio de una circunferencia descrita en lenguaje complejo

Determinar e identificar la figura geométrica que describe el conjunto de números complejos \(z \in C \) que satisfacen la ecuación:

$$|z - (3 - 2i)| = 4 $$

y hallar su ecuación cartesiana en coordenadas reales \((x, y) \)

👉 PASO 1

Identificación analítica de la forma canónica de distancia.

La ecuación es de la forma canónica \(|z - z_0| = r \)

Identificamos el centro complejo y el radio:

$$z_0 = 3 - 2i \longleftrightarrow (3, -2) $$
$$r = 4 $$

Geométricamente, representa el lugar de los puntos del plano cuya distancia al centro \((3, -2) \) es exactamente 4 unidades.

👉 PASO 2

Sustitución en coordenadas cartesianas.

Sea \(z = x + yi \) con \(x, y \in R \). Sustituimos en la ecuación:

$$|(x + yi) - (3 - 2i)| = 4 \implies |(x - 3) + (y + 2)i| = 4 $$
👉 PASO 3

Desarrollo del módulo y ecuación de la circunferencia.

Por definición de módulo:

$$\sqrt{(x - 3)^2 + (y + 2)^2} = 4 $$

Elevando ambos miembros al cuadrado:

$$(x - 3)^2 + (y + 2)^2 = 16 $$

Desarrollando los binomios:

$$x^2 - 6x + 9 + y^2 + 4y + 4 = 16 \implies x^2 + y^2 - 6x + 4y - 3 = 0 $$
✅ Conclusión

El conjunto de puntos es una circunferencia en el plano complejo de centro \(z_0 = 3 - 2i \) y radio \(r = 4 \), con ecuación cartesiana \((x - 3)^2 + (y + 2)^2 = 16 \)

📝 Ejemplo 2 Determinación de la recta mediatriz entre dos afijos complejos

Cálculo analítico del lugar geométrico de puntos equidistantes en el plano complejo

Determinar el lugar geométrico del conjunto de números complejos \(z \in C \) que satisfacen la condición de equidistancia:

$$|z - 1| = |z + 2i| $$
👉 PASO 1

Interpretación geométrica de equidistancia.

Reescribimos la ecuación en términos de distancias entre afijos:

$$|z - (1 + 0i)| = |z - (0 - 2i)| $$

Los puntos de referencia son \(P_1 = (1, 0) \) y \(P_2 = (0, -2) \)

El lugar geométrico de todos los puntos que equidistan de dos puntos fijos es exactamente la recta mediatriz del segmento que los une.

👉 PASO 2

Sustitución en coordenadas cartesianas.

Sea \(z = x + yi \). Sustituyendo:

$$|(x - 1) + yi| = |x + (y + 2)i| $$

Calculamos los módulos:

$$\sqrt{(x - 1)^2 + y^2} = \sqrt{x^2 + (y + 2)^2} $$

Elevamos ambos miembros al cuadrado:

$$(x - 1)^2 + y^2 = x^2 + (y + 2)^2 $$
👉 PASO 3

Expansión algebraica y simplificación lineal.

Desarrollamos los cuadrados de binomio:

$$x^2 - 2x + 1 + y^2 = x^2 + y^2 + 4y + 4 $$

Cancelamos los términos cuadráticos \(x^2 + y^2 \) en ambos lados:

$$-2x + 1 = 4y + 4 $$

Reagrupamos en la ecuación general de una recta:

$$2x + 4y + 3 = 0 \implies y = -\frac{1}{2}x - \frac{3}{4} $$
✅ Conclusión

El lugar geométrico es la recta mediatriz del segmento que une \((1, 0) \) y \((0, -2) \), con ecuación continua \(2x + 4y + 3 = 0 \)

📝 Ejemplo 3 Cálculo del módulo de un cociente de polinomios complejos sin expandir

Aplicación de las propiedades multiplicativas del módulo para simplificar expresiones complejas

Calcular el módulo exacto del número complejo:

$$z = \frac{(1 + 2i)^4 \cdot (3 - i)^2}{(2 - 2i)^3 \cdot (\sqrt{5} + 2i)} $$
👉 PASO 1

Aplicación de las propiedades de multiplicatividad y cociente.

Por las propiedades 3 y 4 del módulo, no es necesario desarrollar las potencias binómicas:

$$|z| = \frac{|(1 + 2i)^4| \cdot |(3 - i)^2|}{|(2 - 2i)^3| \cdot |\sqrt{5} + 2i|} = \frac{|1 + 2i|^4 \cdot |3 - i|^2}{|2 - 2i|^3 \cdot |\sqrt{5} + 2i|} $$
👉 PASO 2

Cálculo individual de los módulos de cada factor base.

Calculamos los módulos de los cuatro términos base:

- $$|1 + 2i| = \sqrt{1^2 + 2^2} = \sqrt{1 + 4} = \sqrt{5} $$

- $$|3 - i| = \sqrt{3^2 + (-1)^2} = \sqrt{9 + 1} = \sqrt{10} $$

- $$|2 - 2i| = \sqrt{2^2 + (-2)^2} = \sqrt{4 + 4} = \sqrt{8} = 2\sqrt{2} $$

- $$|\sqrt{5} + 2i| = \sqrt{(\sqrt{5})^2 + 2^2} = \sqrt{5 + 4} = \sqrt{9} = 3 $$

👉 PASO 3

Sustitución y cálculo algebraico de las potencias.

Sustituimos los módulos en la expresión general:

$$|1 + 2i|^4 = (\sqrt{5})^4 = 5^2 = 25 $$
$$|3 - i|^2 = (\sqrt{10})^2 = 10 $$
$$|2 - 2i|^3 = (\sqrt{8})^3 = 8^{3/2} = 8\sqrt{8} = 8 \cdot 2\sqrt{2} = 16\sqrt{2} $$

Numerador: \(25 \cdot 10 = 250 \)

Denominador: \(16\sqrt{2} \cdot 3 = 48\sqrt{2} \)

Calculamos el cociente racionalizando:

$$|z| = \frac{250}{48\sqrt{2}} = \frac{125}{24\sqrt{2}} = \frac{125\sqrt{2}}{24 \cdot 2} = \frac{125\sqrt{2}}{48} $$
✅ Conclusión

El módulo exacto del número complejo es \(|z| = \frac{125\sqrt{2}}{48} \approx 3{,}683 \)

📝 Ejemplo 4 Región anular (corona circular) delimitada por desigualdades de módulo

Determinación de dominios del plano complejo descritos por doble cota modular

Describir geométricamente y representar algebraicamente en coordenadas cartesianas el conjunto de números complejos:

$$A = \{z \in C : 1 \le |z - 2 + i| < 3\} $$
👉 PASO 1

Identificación del centro y de los radios extremos.

Reescribimos la doble desigualdad en la forma canónica de distancia al centro:

$$1 \le |z - (2 - i)| < 3 $$

El centro de referencia es el punto complejo \(z_0 = 2 - i \longleftrightarrow (2, -1) \)

Radio interior: \(r_1 = 1 \)

Radio exterior: \(r_2 = 3 \)

👉 PASO 2

Interpretación geométrica de las cotas simultáneas.

1. La condición \(|z - (2 - i)| \ge 1 \) representa el exterior y el borde de la circunferencia de centro \((2, -1) \) y radio 1.

2. La condición \(|z - (2 - i)| < 3 \) representa el interior estricto (sin borde) de la circunferencia de centro \((2, -1) \) y radio

3.

La intersección de ambas condiciones define una corona circular o anillo plano.

👉 PASO 3

Expresión en coordenadas cartesianas.

Sea \(z = x + yi \). La distancia al cuadrado satisface:

$$1^2 \le (x - 2)^2 + (y + 1)^2 < 3^2 $$
$$1 \le (x - 2)^2 + (y + 1)^2 < 9 $$
✅ Conclusión

El conjunto representa una corona circular cerrada en su frontera interior de radio 1 y abierta en su frontera exterior de radio 3, centrada en el punto \((2, -1) \)

📝 Ejemplo 5 Acotación de módulos extremos mediante la desigualdad triangular inversa

Determinación del valor máximo y mínimo del módulo de z más una constante sobre un conjunto acotado

Sabiendo que un número complejo \(z \in C \) satisface la condición de acotación \(|z| \le 2 \), hallar las cotas máxima y mínima posibles para el módulo de la expresión \(|z - (5 + 12i)| \)

👉 PASO 1

Definición del punto de referencia y cálculo de su módulo.

Sea el complejo constante \(w = 5 + 12i \)

Calculamos su módulo:

$$|w| = |5 + 12i| = \sqrt{5^2 + 12^2} = \sqrt{25 + 144} = \sqrt{169} = 13 $$

Queremos acotar la distancia \(|z - w| \)

👉 PASO 2

Aplicación de la desigualdad triangular para la cota superior.

Por la desigualdad triangular directa:

$$|z - w| = |z + (-w)| \le |z| + |-w| = |z| + |w| $$

Como \(|z| \le 2 \) y \(|w| = 13 \):

$$|z - w| \le 2 + 13 = 15 $$

Esta cota máxima 15 se alcanza cuando \(z \) está alineado con \(w \) en sentido diametralmente opuesto:

$$z_{\max} = -2 \cdot \frac{w}{|w|} = -2 \cdot \frac{5 + 12i}{13} = -\frac{10}{13} - \frac{24}{13}i $$, con \(|z_{\max}| = 2 \)
👉 PASO 3

Aplicación de la desigualdad triangular inversa para la cota inferior.

Por la desigualdad triangular inversa:

$$|z - w| \ge ||w| - |z el módulo de la diferencia es mayor o igual que la diferencia de módulos $$

Como \(|w| = 13 \) y \(|z| \le 2 \):

$$|z - w| \ge 13 - |z| \ge 13 - 2 = 11 $$

Esta cota mínima 11 se alcanza cuando \(z \) está alineado con \(w \) en el mismo sentido:

$$z_{\min} = 2 \cdot \frac{w}{|w|} = 2 \cdot \frac{5 + 12i}{13} = \frac{10}{13} + \frac{24}{13}i $$, con \(|z_{\min}| = 2 \)
✅ Conclusión

Para todo complejo con \(|z| \le 2 \), el valor mínimo posible de \(|z - (5 + 12i)| \) es 11 y el valor máximo posible es 15, cumpliéndose \(11 \le |z - (5 + 12i)| \le 15 \)