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Algumas questões sobre variáveis complexas.

 Algumas questões sobre variáveis complexas

  

Questão 1


(2+2i)31+i

1. Calcular (2+2i)3(2 + 2i)^3

Primeiro, podemos simplificar:

2+2i=2(1+i)2 + 2i = 2(1+i)

Logo:

(2+2i)3=[2(1+i)]3=23(1+i)3=8(1+i)3(2 + 2i)^3 = [2(1+i)]^3 = 2^3 (1+i)^3 = 8(1+i)^3

Agora, expandindo (1+i)3(1+i)^3:

(1+i)2=1+2i+i2=1+2i1=2i(1+i)^2 = 1 + 2i + i^2 = 1 + 2i - 1 = 2i (1+i)3=(1+i)(2i)=2i+2i2=2i2=2+2i(1+i)^3 = (1+i)(2i) = 2i + 2i^2 = 2i - 2 = -2 + 2i

Então:

(2+2i)3=8(2+2i)=16+16i(2+2i)^3 = 8(-2 + 2i) = -16 + 16i

2. Divisão por (1+i)(1+i)

16+16i1+i\frac{-16 + 16i}{1+i}

Multiplicamos numerador e denominador pelo conjugado (1i)(1-i):

(16+16i)(1i)(1+i)(1i)=(16+16i)(1i)1i2=(16+16i)(1i)2\frac{(-16+16i)(1-i)}{(1+i)(1-i)} = \frac{(-16+16i)(1-i)}{1 - i^2} = \frac{(-16+16i)(1-i)}{2}

Agora, expandindo o numerador:

(16+16i)(1i)=16(1i)+16i(1i)(-16+16i)(1-i) = -16(1-i) + 16i(1-i) =16+16i+16i16i2= -16 + 16i + 16i -16i^2 =16+32i+16= -16 + 32i + 16 =32i= 32i

Então:

32i2=16i\frac{32i}{2} = 16i

Resultado Final:

(2+2i)31+i=16i\frac{(2 + 2i)^3}{1 + i} = 16i


Questão 2


Qual valor corresponde à distância entre os números z = 1 e w = i?

A distância entre dois números complexos zz e ww é dada por

d(z,w)=zwd(z, w) = |z - w|

Aqui:

z=1ew=iz = 1 \quad \text{e} \quad w = i

Então:

zw=1iz - w = 1 - i

O módulo é:

1i=(1)2+(1)2=1+1=2|1 - i| = \sqrt{(1)^2 + (-1)^2} = \sqrt{1 + 1} = \sqrt{2}

Logo, a distância entre z=1z = 1 e w=iw = i é:

2\sqrt{2}


Questão 3


Qual é o valor da integral tal que é o círculo tal que ?

 Comγtanzdz\displaystyle \oint_{\gamma}\tan z\,dz com γ ⁣:z=2\gamma\colon |z|=2 orientado positivamente.

1 Locais singulares de tanz\tan z

tanz=sinzcosz,\tan z=\frac{\sin z}{\cos z},

portanto os polos são os zeros de cosz\cos z:

zk=π2+kπ,kZ.z_k=\frac{\pi}{2}+k\pi,\quad k\in\mathbb Z.

Numérico: ±π2±1,5708\pm\frac{\pi}{2}\approx\pm1{,}5708 (dentro do disco z<2|z|<2); os próximos ±3π2±4,712\pm\frac{3\pi}{2}\approx\pm4{,}712 estão fora.
Portanto os polos dentro de z=2|z|=2 são z=π/2z=\pi/2 e z=π/2z=-\pi/2.

2 Tipo dos polos

Zeros de cosz\cos z em zkz_k são simples porque cos(z)=sinz\cos'(z)=-\sin z e sin(zk)=±10\sin(z_k)=\pm1\neq0. Logo cada polo é simples.

3 Cálculo da resídua num polo simples

Se f=ghf=\dfrac{g}{h} com h(z0)=0, h(z0)0h(z_0)=0,\ h'(z_0)\neq0, então

Res(f,z0)=g(z0)h(z0).\operatorname{Res}(f,z_0)=\frac{g(z_0)}{h'(z_0)}.

Aqui g(z)=sinz, h(z)=coszg(z)=\sin z,\ h(z)=\cos z. Assim, em z0z_0 qualquer zero simples de cos\cos:

Res(tan,z0)=sinz0cos(z0)=sinz0sinz0=1.\operatorname{Res}(\tan,z_0)=\frac{\sin z_0}{\cos'(z_0)}=\frac{\sin z_0}{-\,\sin z_0}=-1.

(Verificação: para z0=π/2z_0=\pi/2, sinz0=1,cos(z0)=11\sin z_0=1,\cos'(z_0)=-1\Rightarrow -1. Para z0=π/2z_0=-\pi/2, sinz0=1,cos(z0)=11\sin z_0=-1,\cos'(z_0)=1\Rightarrow -1.)

Cada polo contribui 1-1.

4 Soma das résides e teorema dos resíduos

Soma das résides dentro de γ\gamma: 1+(1)=2-1 + (-1) = -2.

Pelo teorema dos resíduos (orientação positiva):

γtanzdz=2πi(soma das reˊsides)=2πi(2)=4πi.\oint_{\gamma}\tan z\,dz = 2\pi i \cdot (\text{soma das résides}) = 2\pi i \cdot (-2) = -4\pi i.

Resultado final

z=2tanzdz=4πi.\boxed{\displaystyle \oint_{|z|=2}\tan z\,dz = -4\pi i.}

Questão 4


Sejam . Qual das expressões abaixo coincide com ?


Lembrando as formas de Euler:

cosu=eiu+eiu2,sinu=eiueiu2i.\cos u=\frac{e^{iu}+e^{-iu}}{2},\qquad \sin u=\frac{e^{iu}-e^{-iu}}{2i}.

1 Escrevendo cos(zw)\cos(z-w)

cos(zw)=ei(zw)+ei(zw)2=eizeiw+eizeiw2.(*)\cos(z-w)=\frac{e^{\,i(z-w)}+e^{-\,i(z-w)}}{2} =\frac{e^{iz}e^{-iw}+e^{-iz}e^{iw}}{2}. \tag{*}

2 Escrevendo coszcosw+sinzsinw\cos z\cos w+\sin z\sin w em termos exponenciais

Primeiro,

coszcosw=(eiz+eiz)(eiw+eiw)4=ei(z+w)+ei(zw)+ei(zw)+ei(z+w)4.\cos z\cos w=\frac{(e^{iz}+e^{-iz})(e^{iw}+e^{-iw})}{4} =\frac{e^{i(z+w)}+e^{i(z-w)}+e^{-i(z-w)}+e^{-i(z+w)}}{4}.

E

sinzsinw=(eizeiz)(eiweiw)(2i)2=(ei(z+w)ei(zw)ei(zw)+ei(z+w))4.\sin z\sin w=\frac{(e^{iz}-e^{-iz})(e^{iw}-e^{-iw})}{(2i)^2} =\frac{(e^{i(z+w)}-e^{i(z-w)}-e^{-i(z-w)}+e^{-i(z+w)})}{-4}.

Somando os dois termos:

coszcosw+sinzsinw=14(A)14(B),\cos z\cos w+\sin z\sin w =\frac{1}{4}\Big(A\Big)-\frac{1}{4}\Big(B\Big),

onde

A=ei(z+w)+ei(zw)+ei(zw)+ei(z+w),A=e^{i(z+w)}+e^{i(z-w)}+e^{-i(z-w)}+e^{-i(z+w)}, B=ei(z+w)ei(zw)ei(zw)+ei(z+w).B=e^{i(z+w)}-e^{i(z-w)}-e^{-i(z-w)}+e^{-i(z+w)}.

Calculando ABA-B:

AB=2ei(zw)+2ei(zw).A-B = 2e^{i(z-w)}+2e^{-i(z-w)}.

Logo

coszcosw+sinzsinw=14(2ei(zw)+2ei(zw))=ei(zw)+ei(zw)2.\cos z\cos w+\sin z\sin w =\frac{1}{4}\big(2e^{i(z-w)}+2e^{-i(z-w)}\big) =\frac{e^{i(z-w)}+e^{-i(z-w)}}{2}.

Mas isso é exatamente a expressão em ()(*), que é cos(zw)\cos(z-w).

Conclusão

cos(zw)=coszcosw+sinzsinw.\boxed{\cos(z-w)=\cos z\cos w+\sin z\sin w.}


Questão 5


Para qual valor a série abaixo converge?
n=0zn,zn=3n+16n9n.\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} z_n,\quad z_n=\frac{3^n+16^n}{9^n}.


1 Reescrever o termo geral

zn=3n9n+16n9n=(13)n+(169)n.z_n=\frac{3^n}{9^n}+\frac{16^n}{9^n} =\left(\frac{1}{3}\right)^n+\left(\frac{16}{9}\right)^n.

Portanto a série se separa em duas séries geométricas:

n=0zn=n=0(13)n  +  n=0(169)n.\sum_{n=0}^\infty z_n=\sum_{n=0}^\infty\left(\frac{1}{3}\right)^n \;+\; \sum_{n=0}^\infty\left(\frac{16}{9}\right)^n.

2 Analisar cada parcela

  • Primeira série: razão r=13r=\tfrac{1}{3}, com r<1|r|<1. Logo converge e sua soma vale

n=0(13)n=1113=12/3=32.\sum_{n=0}^{\infty}\left(\frac{1}{3}\right)^n=\frac{1}{1-\tfrac{1}{3}}=\frac{1}{2/3}=\frac{3}{2}.

  • Segunda série: razão r=169r=\tfrac{16}{9}. Como r=169>1|r|=\tfrac{16}{9}>1, os termos (169)n\left(\tfrac{16}{9}\right)^n não tendem a zero (pelo contrário, crescem sem limite). Pelo teste necessário para convergência, se os termos gerais não tendem a zero a série diverge. Portanto

n=0(169)ndiverge.\sum_{n=0}^{\infty}\left(\frac{16}{9}\right)^n \quad\text{diverge.}

(Alternativamente, a soma parcial fechada é (16/9)N+11(16/9)1\frac{(16/9)^{N+1}-1}{(16/9)-1}, que tende a ++\infty quando NN\to\infty.)

3 Conclusão

Como a soma total é a soma de duas séries e uma delas diverge, a série n=0zn\sum_{n=0}^\infty z_n não converge.


Questão 6

Qual é a expressão derivada da funçao abaixo?

f:CC,f(z)=z5+3zf: \mathbb{C} \to \mathbb{C}, \quad f(z) = z^5 + 3z

Onde:

  • f:CCf: \mathbb{C} \to \mathbb{C} indica que ff é uma função que leva números complexos (C\mathbb{C}) em números complexos (C\mathbb{C}).

  • f(z)=z5+3zf(z) = z^5 + 3z é a regra da função, ou seja, como cada número complexo zz é transformado.


1 Identificar cada termo

A função tem dois termos:

  1. z5z^5

  2. 3z3z

2 Aplicar a regra da potência

A regra da potência para derivadas diz:

ddzzn=nzn1\frac{d}{dz} z^n = n z^{n-1}

  • Para z5z^5:

ddzz5=5z4\frac{d}{dz} z^5 = 5 z^{4}

3 Aplicar a derivada de uma constante multiplicada por zz

A derivada de czc z, com cc constante, é:

ddz(cz)=c\frac{d}{dz} (c z) = c

  • Para 3z3z:

ddz3z=3\frac{d}{dz} 3z = 3

4 Somar os resultados

Agora somamos as derivadas de cada termo:

f(z)=5z4+3f'(z) = 5z^4 + 3

Questão 7

Classifique o conjunto dado por:

A={(x,y)R2x2+y2=4}A = \{(x,y) \in \mathbb{R}^2 \mid x^2 + y^2 = 4\}


1 Identificar o tipo de conjunto

A equação x2+y2=4x^2 + y^2 = 4 representa:

  • Todos os pontos (x,y)(x, y) no plano tal que a distância à origem é 2.

  • Geometricamente, isso é uma circunferência de raio 2 centrada na origem.

  • Nota: o interior do círculo (x2+y2<4x^2 + y^2 < 4) não está incluído. Só os pontos da borda.


2 Verificar se é fechado

Um conjunto AA é fechado se contém todos os seus pontos de fronteira.

  • A fronteira do círculo de raio 2 é exatamente a circunferência.

  • Como AA inclui todos esses pontos, então A é fechado.


3 Verificar se é aberto

Um conjunto é aberto se todo ponto tem uma vizinhança totalmente contida no conjunto.

  • Pegando qualquer ponto da circunferência, qualquer pequena vizinhança terá pontos fora da circunferência.

  • Portanto, A não é aberto.


4 Verificar se é convexo

Um conjunto é convexo se para quaisquer dois pontos do conjunto, o segmento de reta entre eles está totalmente dentro do conjunto.

  • Pegando dois pontos da circunferência, o segmento de reta entre eles passa pelo interior do círculo.

  • Como o interior não está incluído, o segmento não fica totalmente em AA.

  • Então, A não é convexo.


5 Verificar se é compacto

Um conjunto é compacto se é fechado e limitado:

  • AA é fechado (Passo 2).

  • AA é limitado, pois todos os pontos têm x2|x|\le 2 e y2|y|\le 2.

  • Logo, A é compacto.

Questão 8

Qual é o valor do modulo do numero abaixo?:

z=43iz = 4 - 3i


1 Lembrar a fórmula do módulo

Para um número complexo z=a+biz = a + bi:

z=a2+b2|z| = \sqrt{a^2 + b^2}

Aqui:

  • a=4a = 4 (parte real)

  • b=3b = -3 (parte imaginária)

2 Substituir os valores na fórmula

43i=42+(3)2|4 - 3i| = \sqrt{4^2 + (-3)^2}

3 Elevar ao quadrado

42=16,(3)2=94^2 = 16, \quad (-3)^2 = 9 43i=16+9|4 - 3i| = \sqrt{16 + 9}

4 Somar

16+9=2516 + 9 = 25 43i=25|4 - 3i| = \sqrt{25}

5 Raiz quadrada

43i=5|4 - 3i| = 5

Questão 9

Qual o valor da soma:


(43i)+(2+5i)(4 - 3i) + (-2 + 5i)


1 Separar parte real e parte imaginária

  • Partes reais: 44 e 2-2

  • Partes imaginárias: 3i-3i e 5i5i

 2 Somar as partes reais

4+(2)=24 + (-2) = 2

3 Somar as partes imaginárias

3i+5i=2i-3i + 5i = 2i

4 Escrever o resultado

(43i)+(2+5i)=2+2i(4 - 3i) + (-2 + 5i) = 2 + 2i

Questão 10


Qual é o conjunto solução da equação:

lnz=0\ln z = 0

1 Relembrar a definição do logaritmo complexo

Para números complexos, o logaritmo natural é definido como:

lnz=lnz+iarg(z)\ln z = \ln|z| + i \arg(z)

Onde:

  • z|z| é o módulo de zz

  • arg(z)\arg(z) é o argumento de zz (ângulo com o eixo real positivo)

2 Igualar a zero

lnz=0    lnz+iarg(z)=0\ln z = 0 \implies \ln|z| + i \arg(z) = 0

Um número complexo é zero se e somente se:

  • Parte real = 0 → lnz=0\ln|z| = 0

  • Parte imaginária = 0 → arg(z)=0\arg(z) = 0


3 Resolver a parte real

lnz=0    z=e0=1\ln|z| = 0 \implies |z| = e^0 = 1

Então o módulo de zz é 1.


4 Resolver a parte imaginária

arg(z)=0    z estaˊ sobre o eixo real positivo\arg(z) = 0 \implies z \text{ está sobre o eixo real positivo}


5 Escrever o conjunto solução

Como o módulo é 1 e o argumento é 0:

z=1z = 1



Até a proxima ;)




    recomendação de leituras e estudos:

Livros introdutórios

  • “Elementary Complex Analysis” – Marsden & Hoffman
    Ótimo para começar com números complexos, operações, forma trigonométrica e exponencial. Explica muito bem a ideia de módulo, argumento e logaritmo complexo.

  • “Complex Numbers and Geometry” – Liang-shin Hahn
    Foca na interpretação geométrica dos números complexos e suas aplicações, ótimo pra fixar a parte visual.

  • “Complex Variables and Applications” – Churchill & Brown
    Um clássico universitário. Começa do básico, cobre funções de variável complexa, séries de Laurent, integração no plano complexo. Ideal se você quiser ir além do módulo, soma e exponencial.

Livros intermediários / avançados

  • “Visual Complex Analysis” – Tristan Needham
    Muito bom, visual e intuitivo. Mostra os números complexos como algo geométrico, com figuras, rotações e transformações. Ótimo pra entender conceitos que o cálculo tradicional não mostra.

  • “Complex Analysis” – Elias Stein & Rami Shakarchi
    Mais formal e teórico, cobre propriedades profundas de funções complexas, integrais e séries. Ideal se você quiser avançar pra análise complexa.

Recursos online

  • MIT OpenCourseWare – Complex Variables
    Tem vídeo aulas gratuitas, bem didático e com exercícios resolvidos.

  • Khan Academy – Números Complexos
    Introdução leve, ótima pra revisar operações, módulo, argumento, forma trigonométrica e exponencial.


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