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09复数★★★★☆
(1) 证明:对于任意实数 tt,复数 z=∣cos⁡t∣+∣sin⁡t∣iz = \sqrt{|\cos t|} + \sqrt{|\sin t|}\mathrm{i} 的模 r=∣z∣r = |z| 适合 r⩽24r \leqslant \sqrt[4]{2}. (2) 当实数 tt 取什么值时,复数 z=∣cos⁡t∣+∣sin⁡t∣iz = \sqrt{|\cos t|} + \sqrt{|\sin t|}\mathrm{i} 的幅角主值 θ\theta 适合 0⩽θ⩽π40 \leqslant \theta \leqslant \frac{\pi}{4}?
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 由复数模的定义,
r2=∣z∣2=∣cos⁡t∣+∣sin⁡t∣r^{2}=|z|^{2}=|\cos t|+|\sin t|
对非负数 u=∣cos⁡t∣u=|\cos t|,v=∣sin⁡t∣v=|\sin t|,由 (u−v)2⩾0(u-v)^{2}\geqslant0 得 u+v⩽2(u2+v2)u+v\leqslant\sqrt{2(u^{2}+v^{2})}. 因为 u2+v2=cos⁡2t+sin⁡2t=1u^{2}+v^{2}=\cos^{2}t+\sin^{2}t=1,所以 r2⩽2r^{2}\leqslant\sqrt{2},即 r⩽24r\leqslant\sqrt[4]{2}. 当且仅当 ∣cos⁡t∣=∣sin⁡t∣|\cos t|=|\sin t| 时取等号. \item zz 的实部和虚部均非负,且不同时为零,因此其幅角主值满足 0⩽θ⩽π20\leqslant\theta\leqslant\frac{\pi}{2}. 在此范围内,
0⩽θ⩽π4  ⟺  ∣sin⁡t∣⩽∣cos⁡t∣  ⟺  ∣sin⁡t∣⩽∣cos⁡t∣0\leqslant\theta\leqslant\frac{\pi}{4}\iff \sqrt{|\sin t|}\leqslant\sqrt{|\cos t|}\iff |\sin t|\leqslant|\cos t|
若 cos⁡t=0\cos t=0,则 ∣sin⁡t∣=1>∣cos⁡t∣=0|\sin t|=1>|\cos t|=0,不满足上述不等式;若 cos⁡t≠0\cos t\neq0,则
∣sin⁡t∣⩽∣cos⁡t∣  ⟺  ∣tan⁡t∣⩽1|\sin t|\leqslant|\cos t|\iff |\tan t|\leqslant1
在每个区间 kπ−π2<t<kπ+π2k\pi-\frac{\pi}{2}<t<k\pi+\frac{\pi}{2} 内,tan⁡t\tan t 严格递增,因此 ∣tan⁡t∣⩽1|\tan t|\leqslant1 等价于 kπ−π4⩽t⩽kπ+π4k\pi-\frac{\pi}{4}\leqslant t\leqslant k\pi+\frac{\pi}{4},k∈Zk\in\mathbf{Z}. \end{enumerate} \end{solution}

1983 · 全国 · 理 · 第 9 题 · 解答题

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