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必修二 第七章 复数

人教A版(2019)必修第二册 · 河南高二。
复数在高考中多以选择、填空出现,常与方程、向量、三角结合,核心是把实部与虚部的运算和复平面上的几何意义弄熟。

1 知识点总结

1.1 复数的概念

数系扩充的动因很简单:方程 $x^2=-1$ 在实数范围内无解。引入一个新数 $i$,规定 $i^2=-1$,方程就有解了。数系随之从实数集扩充到复数集,层层包含的关系是 $\mathbb{N}\subset\mathbb{Z}\subset\mathbb{Q}\subset\mathbb{R}\subset\mathbb{C}$。

复数的一般形式写作

$$ z=a+bi\quad(a,b\in\mathbb{R}) $$

其中 $a$ 是实部,记作 $\operatorname{Re}(z)$;$b$ 是虚部,记作 $\operatorname{Im}(z)$。要留意虚部是 $b$ 本身,带着符号,不含 $i$。

按 $b$ 的取值分类:

复数之间没有大小关系,但模是实数,$|z_1|$ 与 $|z_2|$ 可以比较大小,这是把复数压回实数的一条常用路子。

复数相等的充要条件是实部、虚部分别相等:

$$ a+bi=c+di\iff a=c\ \text{且}\ b=d $$

列方程组解未知量就靠这一条。

复数的几何意义:把 $z=a+bi$ 对应到复平面上的点 $Z(a,b)$,也就对应向量 $\overrightarrow{OZ}$,于是

$$ |z|=\sqrt{a^2+b^2} $$

叫做复数的模,就是点 $Z$ 到原点的距离。共轭复数 $\bar z=a-bi$,几何上是关于实轴的对称点。$a,b$ 的符号决定了点 $Z$ 落在哪个象限,由此可以把复数的代数条件翻译成几何条件。

例 1 当实数 $m$ 取何值时,复数 $z=(m^2-1)+(m-1)i$ 是纯虚数?

解:纯虚数要求实部为零且虚部不为零。由

$$ m^2-1=0\ \Rightarrow\ m=\pm1 $$

又 $m-1\ne0$,得 $m\ne1$。两个条件同时成立,只有 $m=-1$。

例 2 复数 $z=(x-1)+(2x-1)i$ 对应的点在复平面第二象限,求实数 $x$ 的取值范围。

解:第二象限的横坐标小于零、纵坐标大于零,即

$$ x-1<0\ \Rightarrow\ x<1,\qquad 2x-1>0\ \Rightarrow\ x>\frac12 $$

取交集得 $\dfrac12<x<1$。

1.2 复数的四则运算

加减法逐项对应:

$$ (a+bi)\pm(c+di)=(a\pm c)+(b\pm d)i $$

乘法按多项式展开,遇到 $i^2$ 换成 $-1$:

$$ (a+bi)(c+di)=ac+adi+bci+bdi^2=(ac-bd)+(ad+bc)i $$

除法分子分母同乘分母的共轭复数,把分母实数化:

$$ \frac{a+bi}{c+di}=\frac{(a+bi)(c-di)}{(c+di)(c-di)}=\frac{(ac+bd)+(bc-ad)i}{c^2+d^2} $$

$i$ 的幂有周期,周期为 $4$:$i^1=i$,$i^2=-1$,$i^3=-i$,$i^4=1$,之后循环。求 $i^n$ 时用 $n$ 除以 $4$ 看余数即可。

关于共轭与模,有几个恒等式常用:

$$ z\bar z=|z|^2,\qquad \overline{z_1+z_2}=\overline{z_1}+\overline{z_2},\qquad \overline{z_1z_2}=\overline{z_1}\,\overline{z_2} $$

其中 $z\bar z=|z|^2$ 是把复数问题转成实数问题的常用工具。

例 3 计算 $\dfrac{1+2i}{1-i}$,并求 $i^{2026}$。

解:分子分母同乘 $1+i$,

$$ \frac{(1+2i)(1+i)}{(1-i)(1+i)}=\frac{1+i+2i+2i^2}{1-i^2}=\frac{-1+3i}{2}=-\frac12+\frac32 i $$

因为 $2026=4\times506+2$,所以 $i^{2026}=i^2=-1$。

例 4 已知 $(x+y)+(x-y)i=3+i$($x,y\in\mathbb{R}$),求 $x,y$。

解:由复数相等的充要条件,实部、虚部分别相等,

$$ \begin{cases}x+y=3\\x-y=1\end{cases} $$

解得 $x=2$,$y=1$。

1.3 复数的三角表示(带 * 号)

任一非零复数 $z=a+bi$ 都能写成三角形式

$$ z=r(\cos\theta+i\sin\theta) $$

其中 $r=|z|$ 是模,$\theta$ 是以 $x$ 轴正半轴为始边、向量 $\overrightarrow{OZ}$ 为终边的角,叫辐角,规定 $[0,2\pi)$ 内的那个为辐角主值。

这套形式下乘除很简洁:模相乘除,辐角相加减。

$$ z_1z_2=r_1r_2\big[\cos(\theta_1+\theta_2)+i\sin(\theta_1+\theta_2)\big] $$

$$ \frac{z_1}{z_2}=\frac{r_1}{r_2}\big[\cos(\theta_1-\theta_2)+i\sin(\theta_1-\theta_2)\big] $$

这部分高考要求不高,会做简单的模、辐角换算即可。

例 5 把 $z=1+\sqrt3 i$ 化成三角形式。

解:模

$$ r=\sqrt{1^2+(\sqrt3)^2}=2 $$

由 $\cos\theta=\dfrac12$,$\sin\theta=\dfrac{\sqrt3}{2}$,且 $z$ 对应的点在第一象限,得 $\theta=\dfrac{\pi}{3}$。所以

$$ z=2\left(\cos\frac{\pi}{3}+i\sin\frac{\pi}{3}\right) $$

2 易错题总结

易错点 常见错法 正确做法 原因
虚部的取值 把 $2-3i$ 的虚部写成 $3i$ 虚部是 $-3$,不含 $i$,还要带符号 定义里虚部是一个实数
纯虚数的条件 只令实部为 $0$ 就判定是纯虚数 虚部也要 $\ne0$,否则可能得到 $0$ 纯虚数排除了实数 $0$
虚数比较大小 对两个虚数用 $>$ 或 $<$ 排序 虚数不能比较大小,只有实数才可以 有序性在复数域不成立
复数相等的条件 由 $a+bi=0$ 推出 $a=0$ 或 $b=0$ 必须 $a=0$ 且 $b=0$ 同时成立 实部、虚部是两个独立条件
共轭与实数的混同 认为 $\bar z=z$ 对任何 $z$ 都成立 $\bar z=z$ 只在 $z$ 为实数时成立 共轭要把虚部变号
模的计算 把 $|a+bi|$ 写成 $a^2+b^2$ 是 $\sqrt{a^2+b^2}$,别忘开方 模表示距离,一定是非负数

2.1 易错典型题

题 已知 $z=\dfrac{a+i}{1-i}$($a\in\mathbb{R}$)是纯虚数,求 $a$。

错法:只看分子,认为分子是纯虚数就令 $a=0$。分母没处理,结果不对。

正解:先把分母实数化,

$$ z=\frac{(a+i)(1+i)}{(1-i)(1+i)}=\frac{a+ai+i+i^2}{2}=\frac{(a-1)+(a+1)i}{2} $$

写成 $\dfrac{a-1}{2}+\dfrac{a+1}{2}i$。纯虚数要求

$$ \frac{a-1}{2}=0\ \Rightarrow\ a=1,\qquad \frac{a+1}{2}\ne0\ \Rightarrow\ a\ne-1 $$

所以 $a=1$。

要点:判断一个复数的类型,先化成 $a+bi$ 的标准形式,再按实部、虚部的条件讨论。分母含 $i$ 时先有理化。

最后更新:2026-10-01