問題
,は0でない相異なる複素数で,を満たすとする.このとき,0,,の表す複素平面上の3点を結んで得られる三角形はどのような三角形か.(ただし,複素数に対し,はに共役な複素数である.また,複素平面を複素数平面ともいう.)
出典:京都大学 2005年度 前期日程 第2次学力試験 文系 第3問
方針
と置くと,条件は ,すなわち の実部が1であることを表す。したがって と書ける。 なので であり, となる。複素数に を掛ける操作は90度回転なので,点 から見た2辺 と が垂直であることを示せばよい。
解答
とおく。 なので,これは定義できる。また であるから,条件は と書ける。
任意の複素数 について, は実部の2倍である。したがって であり,ある実数 を用いて と書ける。もし なら ,すなわち となり, と が相異なることに反する。よって である。 だから である。したがって を得る。
複素平面上で,点 を頂点として見ると,点 へ向かうベクトルは であり,点 へ向かうベクトルは である。 は を90度回転した複素数であり,実数倍しても向きは同じ直線上にある。したがって と は垂直である。
また なので であり,三角形は退化しない。よって,3点 を結んで得られる三角形は,点 に対応する頂点を直角とする直角三角形である。