Informática · FCA UNAM

Fundamentos de análisis cuantitativo · cheatsheet operaciones polar

Cheatsheet: Números complejos en forma polar

1. Formas de escribir un complejo

FormaNotaciónEjemplo con $z = 1 + i$
Binómica (rectangular)$z = a + bi$$1 + i$
Trigonométrica$z = r(\cos\theta + i\sin\theta)$$\sqrt2\left(\cos\frac{\pi}{4} + i\sin\frac{\pi}{4}\right)$
Polar (cis)$z = r,\operatorname{cis}(\theta)$$\sqrt2,\operatorname{cis}!\left(\frac{\pi}{4}\right)$
Exponencial (Euler)$z = r,e^{i\theta}$$\sqrt2,e^{i\pi/4}$
Abreviada$z = r_\theta$ o $r\angle\theta$$\sqrt2\angle 45^\circ$
$$ \operatorname{cis}(\theta) = \cos\theta + i\sin\theta = e^{i\theta} $$

2. Conversiones

Binómica → polar

$$ r = \sqrt{a^2 + b^2}, \qquad \theta = \tan^{-1}!\left(\frac{b}{a}\right) \ \text{(corregido según el cuadrante)} $$

Polar → binómica

$$ a = r\cos\theta, \qquad b = r\sin\theta $$

Corrección del ángulo por cuadrante

La calculadora da $\tan^{-1}!\left(\frac{b}{a}\right)$ solo entre $-90^\circ$ y $90^\circ$. Sea $\alpha = \tan^{-1}!\left\lvert\frac{b}{a}\right\rvert$ (ángulo de referencia, positivo):

CuadranteSignos$\theta$ en $[0, 2\pi)$
I$a>0,\ b>0$$\theta = \alpha$
II$a<0,\ b>0$$\theta = \pi - \alpha$
III$a<0,\ b<0$$\theta = \pi + \alpha$
IV$a>0,\ b<0$$\theta = 2\pi - \alpha$ (o $-\alpha$)

Sobre los ejes (aquí $\tan^{-1}$ no sirve, se lee directo):

$z$$r$$\theta$Polar
$a > 0$ (real positivo)$a$$0$$a,\operatorname{cis}(0)$
$bi,\ b > 0$$b$$\frac{\pi}{2}$$i = 1,\operatorname{cis}!\left(\frac{\pi}{2}\right)$
$a < 0$ (real negativo)$\lvert a\rvert$$\pi$$-1 = 1,\operatorname{cis}(\pi)$
$bi,\ b < 0$$\lvert b\rvert$$\frac{3\pi}{2}$$-i = 1,\operatorname{cis}!\left(\frac{3\pi}{2}\right)$

Ejemplo: $z = -1 + \sqrt3,i$ (cuadrante II)

$$ r = \sqrt{1 + 3} = 2, \qquad \alpha = \tan^{-1}(\sqrt3) = \frac{\pi}{3}, \qquad \theta = \pi - \frac{\pi}{3} = \frac{2\pi}{3} \quad\Longrightarrow\quad z = 2,\operatorname{cis}!\left(\frac{2\pi}{3}\right) $$

3. Ángulos notables

GradosRadianes$\cos\theta$$\sin\theta$$\operatorname{cis}(\theta)$
$0^\circ$$0$$1$$0$$1$
$30^\circ$$\frac{\pi}{6}$$\frac{\sqrt3}{2}$$\frac12$$\frac{\sqrt3}{2} + \frac12 i$
$45^\circ$$\frac{\pi}{4}$$\frac{\sqrt2}{2}$$\frac{\sqrt2}{2}$$\frac{\sqrt2}{2} + \frac{\sqrt2}{2} i$
$60^\circ$$\frac{\pi}{3}$$\frac12$$\frac{\sqrt3}{2}$$\frac12 + \frac{\sqrt3}{2} i$
$90^\circ$$\frac{\pi}{2}$$0$$1$$i$
$120^\circ$$\frac{2\pi}{3}$$-\frac12$$\frac{\sqrt3}{2}$$-\frac12 + \frac{\sqrt3}{2} i$
$135^\circ$$\frac{3\pi}{4}$$-\frac{\sqrt2}{2}$$\frac{\sqrt2}{2}$$-\frac{\sqrt2}{2} + \frac{\sqrt2}{2} i$
$150^\circ$$\frac{5\pi}{6}$$-\frac{\sqrt3}{2}$$\frac12$$-\frac{\sqrt3}{2} + \frac12 i$
$180^\circ$$\pi$$-1$$0$$-1$
$270^\circ$$\frac{3\pi}{2}$$0$$-1$$-i$
$360^\circ$$2\pi$$1$$0$$1$

Para los cuadrantes III y IV se usan los mismos valores con el signo que corresponda (ej. $\operatorname{cis}\frac{5\pi}{4} = -\frac{\sqrt2}{2} - \frac{\sqrt2}{2}i$).

Conversión: $\ \text{rad} = \text{grados}\cdot\dfrac{\pi}{180}, \qquad \text{grados} = \text{rad}\cdot\dfrac{180}{\pi}$


4. Operaciones (resumen)

Sean $z_1 = r_1,\operatorname{cis}(\theta_1)$ y $z_2 = r_2,\operatorname{cis}(\theta_2)$.

OperaciónFórmulaRegla
Producto$z_1 z_2 = r_1 r_2,\operatorname{cis}(\theta_1 + \theta_2)$módulos se multiplican, ángulos se suman
Cociente$\dfrac{z_1}{z_2} = \dfrac{r_1}{r_2},\operatorname{cis}(\theta_1 - \theta_2),\ z_2 \ne 0$módulos se dividen, ángulos se restan
Potencia (De Moivre)$z^n = r^n,\operatorname{cis}(n\theta)$módulo a la $n$, ángulo por $n$
Raíces $n$-ésimas$w_k = \sqrt[n]{r},\operatorname{cis}!\left(\dfrac{\theta + 2k\pi}{n}\right)$, $k = 0,\dots,n-1$raíz del módulo, ángulo entre $n$ (+ vueltas)
Conjugado$\overline{z} = r,\operatorname{cis}(-\theta)$mismo módulo, ángulo negado
Inverso$z^{-1} = \dfrac{1}{z} = \dfrac{1}{r},\operatorname{cis}(-\theta)$módulo invertido, ángulo negado
Suma / restapasar a binómica: $(a_1 + a_2) + (b_1 + b_2)i$no hay fórmula polar sencilla

Útiles: $\ z\cdot\overline{z} = r^2 = \lvert z\rvert^2, \qquad \lvert z_1 z_2\rvert = \lvert z_1\rvert,\lvert z_2\rvert, \qquad \operatorname{cis}(\theta + 2\pi) = \operatorname{cis}(\theta)$


5. Ejemplos rápidos

Sean $z_1 = 2,\operatorname{cis}!\left(\frac{\pi}{3}\right)$ y $z_2 = 4,\operatorname{cis}!\left(\frac{\pi}{6}\right)$.

Producto:

$$ z_1 z_2 = (2\cdot4),\operatorname{cis}!\left(\frac{\pi}{3} + \frac{\pi}{6}\right) = 8,\operatorname{cis}!\left(\frac{\pi}{2}\right) = 8i $$

Cociente:

$$ \frac{z_1}{z_2} = \frac{2}{4},\operatorname{cis}!\left(\frac{\pi}{3} - \frac{\pi}{6}\right) = \frac12,\operatorname{cis}!\left(\frac{\pi}{6}\right) = \frac{\sqrt3}{4} + \frac14 i $$

Potencia: $(1+i)^8$, con $1 + i = \sqrt2,\operatorname{cis}!\left(\frac{\pi}{4}\right)$

$$ (1+i)^8 = (\sqrt2)^8,\operatorname{cis}!\left(8\cdot\frac{\pi}{4}\right) = 16,\operatorname{cis}(2\pi) = 16 $$

Raíces: raíces cúbicas de $8i$, con $8i = 8,\operatorname{cis}!\left(\frac{\pi}{2}\right)$

$$ \begin{aligned} w_0 &= \sqrt[3]{8},\operatorname{cis}!\left(\frac{\pi/2}{3}\right) = 2,\operatorname{cis}!\left(\frac{\pi}{6}\right) = \sqrt3 + i \[4pt] w_1 &= 2,\operatorname{cis}!\left(\frac{\pi/2 + 2\pi}{3}\right) = 2,\operatorname{cis}!\left(\frac{5\pi}{6}\right) = -\sqrt3 + i \[4pt] w_2 &= 2,\operatorname{cis}!\left(\frac{\pi/2 + 4\pi}{3}\right) = 2,\operatorname{cis}!\left(\frac{3\pi}{2}\right) = -2i \end{aligned} $$

6. Raíces: lo que hay que saber

$n$SeparaciónFigura
2$\pi = 180^\circ$dos puntos opuestos
3$\frac{2\pi}{3} = 120^\circ$triángulo equilátero
4$\frac{\pi}{2} = 90^\circ$cuadrado
6$\frac{\pi}{3} = 60^\circ$hexágono

Raíces de la unidad ($z^n = 1$, o sea $r = 1$, $\theta = 0$):

$$ w_k = \operatorname{cis}!\left(\frac{2k\pi}{n}\right), \qquad k = 0, 1, \dots, n-1 $$

7. Potencias de $i$

$$ i^1 = i, \qquad i^2 = -1, \qquad i^3 = -i, \qquad i^4 = 1 $$

Se repiten cada 4: $\ i^n = i^{,n \bmod 4}$. Ejemplo: $i^{23} = i^{3} = -i$ (porque $23 = 4\cdot5 + 3$).

En polar es inmediato: $\ i^n = \operatorname{cis}!\left(n\cdot\frac{\pi}{2}\right)$.


8. Errores comunes

  1. No corregir el cuadrante del ángulo: $\tan^{-1}!\left(\frac{1}{-1}\right) = -\frac{\pi}{4}$, pero $-1 + i$ está en el cuadrante II, su ángulo es $\frac{3\pi}{4}$.
  2. Elevar mal el módulo: $\left(\sqrt{13}\right)^{10} = 13^{5}$, no $\sqrt[5]{13}$.
  3. Calculadora en grados cuando el ángulo está en radianes (o al revés).
  4. Olvidar el $2k\pi$ en las raíces: con solo $\frac{\theta}{n}$ sale una raíz, no las $n$.
  5. Sumar en polar: $r_1\operatorname{cis}\theta_1 + r_2\operatorname{cis}\theta_2 \ne (r_1 + r_2)\operatorname{cis}(\theta_1 + \theta_2)$. Para sumar, pasa a binómica.
  6. Módulo negativo: $r$ nunca es negativo; $-3,\operatorname{cis}(\theta)$ se reescribe como $3,\operatorname{cis}(\theta + \pi)$.