必修 第二册第七章 复数7.2 复数的四则运算精品教学设计
展开本小节内容选自《普通高中数学必修第二册》人教A版(2019)第七章《复数》的第二节《复数的四则运算》。以下是本章的课时安排:
类比两个多项式相乘,明确复数乘法的运算过程,理解复数的乘法法则.前面我们学习了共轭复数的概念,从结构特点、几何意义和运算关系三个方面对共轭复数进行分析,为复数除法法则的定义做铺垫,类比无理数的分母有理化,理解复数的分母实数化.
1.掌握复数代数形式的乘法和除法运算,培养数学运算的核心素养;
2.理解复数乘法的交换律、结合律和乘法对加法的分配律,会求在复数范围内方程的根,提升数学运算的核心素养。
1.重点:掌握复数的乘法和除法运算;
2.难点:求复数范围内的方程根
(一)新知导入
1. 创设情境,生成问题
两个实数的积、商是一个实数,那么两个复数的积、商是怎样的?怎样规定两个复数的乘除运算,才能使在复数集中的乘法、除法与原实数集中的有关规定相容?复数的加减运算把i看作一个字母,相当于多项式的合并同类项,那么复数乘法是否可以像多项式乘法那样进行呢?
问题 多项式(a+b)(c+d)的运算结果是什么?
提示 (a+b)(c+d)=ac+ad+bc+bd.
2.探索交流,解决问题
【问题1】设z1=a+bi,z2=c+di(a,b,c,d∈R)类比两个多项式相乘,应如何规定两个复数相乘?
[提示]两个复数相乘,类似于两个多项式相乘,只要在所得的结果中把i2换成-1,并且把实部与虚部分别合并即可.即z1z2=(a+bi)(c+di)=ac+bci+adi+bdi2=(ac-bd)+(bc+ad)i.
【问题2】复数的乘法满足交换律和结合律吗?
[提示] 满足.
【问题3】设z=a+bi(a,b∈R),则z的共轭复数eq \x\t(z)等于什么?zeq \x\t(z)是一个怎样的数?
[提示] eq \x\t(z)=a-bi,zeq \x\t(z)=a2+b2是一个实数.
【问题4】一元二次方程x2+1=0在实数范围内有解吗?引入虚数单位i后,方程的解是什么?
[提示] 没有,x=±i.
(二)复数的乘除运算
1.复数的乘法运算
eq \a\vs4\al(复数的乘法可以应用实数运算中的乘法公式,如平方差公式、完全平方公式等)
(1)复数的乘法法则
设z1=a+bi,z2=c+di(a,b,c,d∈R),
则z1·z2=(a+bi)(c+di)
=(ac-bd)+(ad+bc)i.
(2)复数乘法的运算律
对任意复数z1,z2,z3∈C,有
2.复数的除法运算
复数除法的实质就是分母实数化的过程,这与实数的除法有所不同
设z1=a+bi,,z2=c+di(c+di≠0)),则 eq \f(z1,z2)=eq \f(a+bi, c+di)=eq \f((a+bi)(c-di), (c+di)(c-di))=eq \f(ac+bd,c2+d2)+eq \f(bc-ad, c2+d2)i.
复数的除法的实质是分母实数化.若分母为a+bi型,则分子、分母同乘a-bi;若分母为a-bi型,则分子、分母同乘a+bi.
【做一做】1.若复数满足z=i(1-i),则|z|=( )
A.1 B.eq \r(2) C.2 D.eq \r(3)
解析 z=i(1-i)=i-i2=1+i,所以|z|=eq \r(2).
答案 B
2.已知i是虚数单位,则eq \f(3+i,1-i)=( )
A.1-2i B.2-i C.2+i D.1+2i
解析 eq \f(3+i,1-i)=eq \f((3+i)(1+i),(1-i)(1+i))=eq \f(2+4i,2)=1+2i,故选D.
答案 D
3.共轭复数的性质
【探究1】若z=eq \x\t(z),则z是什么数?这个性质有什么作用?
[提示] z=eq \x\t(z)⇔z∈R,利用这个性质可证明一个复数为实数.
【探究2】若z≠0且z+eq \x\t(z)=0,则z是什么数?这个性质有什么作用?
[提示] z≠0且z+eq \x\t(z)=0,则z为纯虚数,利用这个性质可证明一个复数为纯虚数.
【探究3】三个实数|z|,|eq \x\t(z)|,z·eq \x\t(z)具有怎样的关系?
[提示] 设z=a+bi,则eq \x\t(z)=a-bi,所以|z|=eq \r(a2+b2),|eq \x\t(z)|=eq \r(a2+-b2)=eq \r(a2+b2),z·eq \x\t(z)=(a+bi)(a-bi)=a2-(bi)2=a2+b2,所以|z|2=|eq \x\t(z)|2=z·eq \x\t(z).
(三)典型例题
1.复数的乘法运算
例1.计算下列各题:
(1)(1-i)(1+i)+(-1+i);
(2)(2-i)(-1+5i)(3-4i)+2i.
解 (1)(1-i)(1+i)+(-1+i)=1-i2-1+i=1+i.
(2)(2-i)(-1+5i)(3-4i)+2i
=(-2+10i+i-5i2)(3-4i)+2i
=(3+11i)(3-4i)+2i
=(9-12i+33i-44i2)+2i
=53+21i+2i=53+23i.
【类题通法】1.两个复数相乘,类似于两个多项式相乘,只要把已得结果中的i2换成-1,并且把实部与虚部分别合并即可.
2.复数代数形式的乘法运算常用公式
(1)(a+bi)2=a2-b2+2abi(a,b∈R).
(2)(a+bi)(a-bi)=a2+b2(a,b∈R).
(3)(1±i)2=±2i.
【巩固练习1】若复数(1-i)(a+i)在复平面内对应的点在第二象限,则实数a的取值范围是( )
A.(-∞,1) B.(-∞,-1)
C.(1,+∞) D.(-1,+∞)
解析 因为z=(1-i)(a+i)=a+1+(1-a)i,
所以它在复平面内对应的点为(a+1,1-a),
又此点在第二象限,所以eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(a+1<0,,1-a>0,))解得a<-1.
答案 B
2.复数的除法运算
例2. (1)eq \f(3+i,1+i)=( )
A.1+2i B.1-2i
C.2+i D.2-i
(2)若复数z满足z(2-i)=11+7i(i为虚数单位),则z为( )
A.3+5i B.3-5i
C.-3+5i D.-3-5i
解析 (1)eq \f(3+i,1+i)=eq \f((3+i)(1-i),(1+i)(1-i))=eq \f(4-2i,2)=2-i.
(2)∵z(2-i)=11+7i,
∴z=eq \f(11+7i,2-i)=eq \f((11+7i)(2+i),(2-i)(2+i))=eq \f(15+25i,5)=3+5i.
答案 (1)D (2)A
【类题通法】(1)进行复数的运算时,除了应用四则运算法则之外,对于一些简单算式要知道其结果,这样可简化运算过程.例如,eq \f(1,i)=-i,(1+i)2=2i,(1-i)2=-2i,eq \f(1+i,1-i)=i,eq \f(1-i,1+i)=-i,a+bi=i(b-ai),eq \f(a+bi,b-ai)=i等.
(2)运算方法要灵活,有时要巧妙运用相应实数系中的乘法公式.
【巩固练习2】 (1)在复平面内,复数eq \f(5i,2-i)的对应点位于( )
A.第一象限 B.第二象限
C.第三象限 D.第四象限
(2)计算:eq \f((1+i)(4+3i),(2-i)(1-i))=________.
解析 (1)eq \f(5i,2-i)=eq \f(5i(2+i),(2-i)(2+i))=eq \f(5i(2+i),5)=-1+2i,对应的点的坐标为(-1,2),位于第二象限.
(2)法一 eq \f((1+i)(4+3i),(2-i)(1-i))=eq \f(1+7i,1-3i)=eq \f((1+7i)(1+3i),10)
=-2+i.
法二 eq \f((1+i)(4+3i),(2-i)(1-i))=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1+i,1-i)))eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(4+3i,2-i)))
=eq \f(i(4+3i)(2+i),5)=eq \f((-3+4i)(2+i),5)
=eq \f(-10+5i,5)=-2+i.
答案 (1)B (2)-2+i
3.复数范围内解方程
例3.在复数范围内解下列方程.
(1)x2+5=0;
(2)x2+4x+6=0.
解 (1)因为x2+5=0,所以x2=-5,又因为(eq \r(5)i)2=(-eq \r(5)i)2=-5,
所以x=±eq \r(5)i,所以方程x2+5=0的根为±eq \r(5)i.
(2)法一:因为x2+4x+6=0,所以(x+2)2=-2,
因为(eq \r(2)i)2=(-eq \r(2)i)2=-2,所以x+2=eq \r(2)i或x+2=-eq \r(2)i,
即x=-2+eq \r(2)i或x=-2-eq \r(2)i,所以方程x2+4x+6=0的根为x=-2±eq \r(2)i.
法二:由x2+4x+6=0知Δ=42-4×6=-8<0,所以方程x2+4x+6=0无实数根.
在复数范围内,设方程x2+4x+6=0的根为x=a+bi(a,b∈R且b≠0),
则(a+bi)2+4(a+bi)+6=0,所以a2+2abi-b2+4a+4bi+6=0,
整理得(a2-b2+4a+6)+(2ab+4b)i=0,所以eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(a2-b2+4a+6=0,,2ab+4b=0,))
又因为b≠0,所以eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(a2-b2+4a+6=0,,2a+4=0,))解得a=-2,b=±eq \r(2).
所以x=-2±eq \r(2)i,即方程x2+4x+6=0的根为x=-2±eq \r(2)i.
【类题通法】在复数范围内,实系数一元二次方程ax2+bx+c=0(a≠0)的求解方法
(1)求根公式法
①当Δ≥0时,x=eq \f(-b±\r(b2-4ac),2a).
②当Δ<0时,x=eq \f(-b±\r(-(b2-4ac))i,2a).
(2)利用复数相等的定义求解
设方程的根为x=m+ni(m,n∈R),将此代入方程ax2+bx+c=0(a≠0),化简后利用复数相等的定义求解.
【巩固练习3】已知3+2i是关于x的方程2x2+px+q=0的一个根,求实数p,q的值.
解 因为3+2i是方程2x2+px+q=0的根,
所以2(3+2i)2+p(3+2i)+q=0,即2(9+12i-4)+(3p+2pi)+q=0,
整理得(10+3p+q)+(24+2p)i=0,
所以eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(10+3p+q=0,,24+2p=0,))解得eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(p=-12,,q=26.))
(四)操作演练 素养提升
1.设a是实数,且eq \f(a,1+i)+eq \f(1+i,2)是实数,则a等于( )
A.eq \f(1,2) B.1 C.eq \f(3,2) D.2
2.(1+i)(2-i)=( )
A.-3-i B.-3+i C.3-i D.3+i
3.设复数z1=2-i,z2=1-3i,则复数eq \f(i,z1)+eq \f(\(z,\s\up6(-))2,5)的虚部等于________.
4.已知复数z满足:z·eq \(z,\s\up6(-))+2zi=8+6i,求复数z的实部与虚部的和.
答案:1.B 2.D 3.1 4.4
【设计意图】通过练习巩固本节所学知识,通过学生解决问题的能力,感悟其中蕴含的数学思想,增强学生的应用意识。
(五)课堂小结,反思感悟
1.知识总结:
2.学生反思:
(1)通过这节课,你学到了什么知识?
(2)在解决问题时,用到了哪些数学思想?
【设计意图】
通过总结,让学生进一步巩固本节所学内容,提高概括能力,提高学生的数学运算能力和逻辑推理能力。
完成教材:第80页 练习 第1,2,3,4题
第80页 习题7.2 第3,4,6,7题
第七章 复数
课时内容
7.1复数的概念
7.2复数的四则运算
7.3 复数的三角表示
所在位置
教材第68页
教材第75页
教材第83页
新教材
内容
分析
本节内容是数系的扩充和复数的概念,基于之前所学的数系的发展历程,由一元二次方程的根的问题导入,将数学扩充到复数范围,并研究复数的概念,为复数的运算打好基础。
上一节我们把实数集扩充到了复数集,引入新数集后,就要研究其中的数之间的运算,即复数的加、减、乘、除运算及其几何意义。
前面我们研究了复数及其四则运算,本节内容是复数的三角表示,是复数与三角函数的结合,是对复数的拓展延伸,这样更有利于我们对复数的研究。
核心素养培养
了解数系的扩充过程,理解复数的概念和复数相等的充要条件,培养学生数学抽象和数学运算的核心素养。
通过实例,明确复数的四则运算法则,发展数学运算素养.经历复数四则运算的几何意义的形成过程,提高直观想象的核心素养,发展逻辑推理素养.
通过复数的几何意义,了解复数的三角表示,发展学生的数学抽象的核心素养;通过了解复数的辐角及辐角的主值的含义,培养学生的直观想象的核心素养。
教学主线
复数的概念、复数的运算
交换律
z1·z2=z2·z1
结合律
(z1·z2)·z3=z1·(z2·z3)
乘法对加法的分配律
z1(z2+z3)=z1z2+z1z3
数学必修 第二册7.2 复数的四则运算教案设计: 这是一份数学必修 第二册7.2 复数的四则运算教案设计,共3页。
高中数学人教A版 (2019)必修 第二册7.2 复数的四则运算教学设计: 这是一份高中数学人教A版 (2019)必修 第二册7.2 复数的四则运算教学设计,共3页。
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