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复数轨迹与模的最值

拓展更新于 2026-09-29

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把复数模看作平面距离,可以将圆、圆锥曲线和距离最值统一处理。求轨迹时不仅要给出必要不等式,还要证明边界与内部各点确实能够达到。

距离式对应的轨迹及退化

设复数 a≠ba\ne b,d=∣a−b∣d=|a-b|。∣z−a∣=r|z-a|=r 在 r>0r>0 时为圆,r=0r=0 时为单点,r<0r<0 时为空集;∣z−a∣=∣z−b∣|z-a|=|z-b| 为线段两端点的中垂线。

∣z−a∣+∣z−b∣=L|z-a|+|z-b|=L 在 L>dL>d 时为椭圆,L=dL=d 时为线段,L<dL<d 时无解。

∣∣z−a∣−∣z−b∣∣=L\bigl||z-a|-|z-b|\bigr|=L 在 0<L<d0<L<d 时为双曲线的两支。若没有外层绝对值而写 ∣z−a∣−∣z−b∣=L>0|z-a|-|z-b|=L>0,只保留离 aa 更远的那一支。L=0L=0 为中垂线,L=dL=d 为外侧两条射线,L>dL>d 或 L<0L<0 时无解。两焦点重合时须另行处理,不能继续称为非退化双曲线。

定点到圆的距离范围

设 r≥0r\ge0。若 ∣z−a∣=r|z-a|=r,则对定点 bb,

∣∣a−b∣−r∣≤∣z−b∣≤∣a−b∣+r.\bigl||a-b|-r\bigr|\le|z-b|\le|a-b|+r.

上界来自三角不等式,下界来自反三角不等式。当 a≠ba\ne b 时,沿圆心与定点连线选择圆上的近端或远端即可取等;a=ba=b 时距离恒为 rr。

当 r=0r=0 时,轨迹只有 z=az=a,距离范围退化为单个值 ∣a−b∣|a-b|。当 r>0r>0 时,所有中间距离也能取到:在圆上连续转动 zz,距离连续地从最小值变到最大值。因此不仅得到上下界,还确定了完整值域。

两圆上点之和与差形成圆环

设 ∣z1−a∣=r|z_1-a|=r、∣z2−b∣=s|z_2-b|=s,r,s>0r,s>0。令 w=z1−z2w=z_1-z_2,则

∣r−s∣≤∣w−(a−b)∣≤r+s.|r-s|\le|w-(a-b)|\le r+s.

反之,任意 ρ∈[∣r−s∣,r+s]\rho\in[|r-s|,r+s] 都能由两个长为 r,sr,s 的向量之差的长度取得,因为其平方为 r2+s2−2rscos⁡θr^2+s^2-2rs\cos\theta。再把两个向量同时旋转,就能得到该长度的任意方向。因此轨迹恰为闭圆环,圆心为 a−ba-b;r=sr=s 时是闭圆盘。

对和 z1+z2z_1+z_2,圆心改为 a+ba+b,半径范围相同。差轨迹的面积为 π[(r+s)2−(r−s)2]=4πrs\pi[(r+s)^2-(r-s)^2]=4\pi rs。

例如 ∣z1−3i∣=2,∣z2−8∣=1|z_1-3i|=2,|z_2-8|=1 时,差的轨迹圆心为 −8+3i-8+3i,内外半径分别为 1,31,3,面积为 8π8\pi。

纯虚分式条件与排除点

设 z≠−1z\ne-1。将 (z−1)/(z+1)(z-1)/(z+1) 的分子分母同乘 zˉ+1\bar z+1,可得其实部为

∣z∣2−1∣z+1∣2.\frac{|z|^2-1}{|z+1|^2}.

所以该分式的实部为零,当且仅当 ∣z∣=1|z|=1 且 z≠−1z\ne-1。若题目要求“纯虚数”并按高中常用定义排除零,还须 z≠1z\ne1。

在单位圆上令 z=x+iyz=x+iy,x2+y2=1x^2+y^2=1。展开得

∣z2+z+3∣2=12x2+8x+5=12(x+1/3)2+11/3.|z^2+z+3|^2=12x^2+8x+5=12(x+1/3)^2+11/3.

因 x=−1/3x=-1/3 可取且对应的 zz 不是 ±1\pm1,最小值为 33/3\sqrt{33}/3。从轨迹转为实变量最值后,应检查取等点未被原分母或纯虚条件排除。

根式和构造向量及取等

对于实数 x,yx,y,考虑三个根式之和

F=4y2−12y+10+18x2−18x+5+18x2+4y2−12xy+6x−4y+1.F=\sqrt{4y^2-12y+10}+\sqrt{18x^2-18x+5} +\sqrt{18x^2+4y^2-12xy+6x-4y+1}.

将它们分别写为向量 (2y−3,1)(2y-3,1)、(1−3x,2−3x)(1-3x,2-3x)、(3x−2y+1,3x)(3x-2y+1,3x) 的长度,三个向量之和恒为 (−1,3)(-1,3),故 F≥10F\ge\sqrt{10}。

三角不等式取等要求各非零向量同向。第一向量与 (−1,3)(-1,3) 同向迫使 y=4/3y=4/3,第二向量同向迫使 x=5/12x=5/12。此时三个向量分别为 (−1,3)(-1,3) 的 1/3,1/4,5/121/3,1/4,5/12 倍,系数均正,故确实同时取等。

因此最小值为 10\sqrt{10},唯一取到点为 (5/12,4/3)(5/12,4/3)。构造向量时符号不只影响模,更影响能否形成固定向量和;原资料的第三个虚部分量符号不能直接照搬。

利用复数模处理根式与不等式的条件

把 a2+b2\sqrt{a^2+b^2} 写作 ∣a+bi∣|a+bi|,可将根式比较转为复数模长比较:

∣z1∣+∣z2∣≥∣z1±z2∣≥∣∣z1∣−∣z2∣∣.|z_1|+|z_2|\ge|z_1\pm z_2|\ge\bigl||z_1|-|z_2|\bigr|.

使用时需依次完成:①构造的实虚部与原根式准确对应;②选择加减使中间模便于计算;③检查取等条件能否在原变量定义域内实现。只得到界而等号无法实现时,不能称为最值。

加号上界取等要求两复数同向或有零;减号上界要求反向或有零;下界条件反过来。若变量受限,同向这一代数条件还须与变量范围联立核对。各不等式及取等的证明由共轭展开模平方给出,见复数运算完整规则。

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