Bài 3. PHƯƠNG TRÌNH BẬC HAI VỚI HỆ SỐ THỰC
Học xong bài này các em có thể
- Biết tìm căn bậc hai của một số âm.
- Giải được phương trình bậc hai với hệ số thực, ẩn phức.
- Biết vận dụng định lí Viet.
1. Căn bậc hai của số thực âm
Ví dụ 1. Cho các số phức \(z_1=4,\ z_2=-4,\ z_3=-3\). Hãy tìm các số phức \(w_1\), \(w_2\), \(w_3\) sao cho \[w_1^2=z_1,\ w_2^2=z_2,\ w_3^2=z_3.\]
\(\bullet\quad\) \(w_1=\pm 2\) vì \((2)^2=4\) và \((-2)^2=4\).
\(\bullet\quad\) \(w_2=\pm 2i\) vì \((2i)^2=-4\) và \((-2i)^2=-4\).
\(\bullet\quad\) \(w_3=\pm i\sqrt{3}\) vì \((i\sqrt{3})^2=-3\) và \((-i\sqrt{3})^2=-3\).
Định nghĩa
Căn bậc hai của số phức \(z\) là số phức \(w\) thỏa mãn \(w^2=z\).
Chú ý.
Số \(a\) âm có hai căn bậc hai là \(\pm i\sqrt{|a|}\).
Trong trường hợp tổng quát, để tìm căn bậc hai của số phức \(z=a+bi\) ta làm như sau:
Gọi \(w=x+yi\) là căn bậc hai của \(z\). Khi đó ta có
\[\begin{aligned} w^2=z\Leftrightarrow\ &(x+yi)^2=a+bi\\ \Leftrightarrow\ &x^2+2xyi-y^2=a+bi\\ \Leftrightarrow\ &\left\{\begin{aligned} &x^2-y^2=a\\ &2xy=b\end{aligned}\right. \end{aligned}\]
Giải hệ trên để tìm \((x;y)\). Từ đó tìm được \(w=x+yi\).
Ví dụ 2. Tìm các căn bậc hai của các số \(-1\) và \(-2\).
- Số \(-1\) có hai căn bậc hai là \(\pm i\sqrt{|-1|}=\pm i\).
- Số \(-2\) có hai căn bậc hai là \(\pm i\sqrt{|-2|}=\pm i\sqrt{2}\).
Ví dụ 3. Tìm các căn bậc hai của số phức \(z=-3-4i\).
Gọi \(w=x+yi\) là căn bậc hai của \(z\). Ta có
\[\begin{aligned} w^2=z\Leftrightarrow\ &(x+yi)^2=-3-4i\\ \Leftrightarrow\ &x^2+2xy-y^2=-3-4i\\ \Leftrightarrow\ &\left\{\begin{aligned}& x^2-y^2=-3\\ &2xy=-4\end{aligned}\right.\Leftrightarrow \left\{\begin{aligned}& \left(-\dfrac{2}{y}\right)^2-y^2=-3\\ &x=-\dfrac{2}{y}\end{aligned}\right.\\ \Leftrightarrow\ &\left\{\begin{aligned}& 4-y^4=-3y^2\\ &x=-\dfrac{2}{y}\end{aligned}\right.\Leftrightarrow \left\{\begin{aligned}& y^4-3y^2-4=0\\ &x=-\dfrac{2}{y}\end{aligned}\right.\\ \Leftrightarrow\ &\left\{\begin{aligned}& y^2=4\\ &x=-\dfrac{2}{y}\end{aligned}\right.\Leftrightarrow \left\{\begin{aligned}& y=2\\ &x=-1\end{aligned}\right. \vee\ \left\{\begin{aligned}& y=-2\\ &x=1.\end{aligned}\right. \end{aligned}\]
Vậy số phức \(z=-3-4i\) có hai căn bậc hai là \(w_1=2-i\) và \(w_2=-2+i\).
2. Phương trình bậc hai với hệ số thực
Dạng
Là phương trình có dạng \(az^2+bz+c=0\), trong đó \(a\), \(b\), \(c\) là hệ số thực, \(z\) là ẩn phức.
Xét biệt thức \(\Delta=b^2-4ac\).
\(\bullet\quad\) Nếu \(\Delta = 0\) thì phương trình có nghiệm kép \(z=-\dfrac{b}{2a}\).
\(\bullet\quad\) Nếu \(\Delta > 0\) thì phương trình có 2 nghiệm thực phân biệt \(z_{1,2}=\dfrac{-b\pm \sqrt{\Delta}}{2a}\).
\(\bullet\quad\) Nếu \(\Delta < 0\) thì phương trình có 2 nghiệm phức phân biệt \(z_{1,2}=\dfrac{-b\pm i\sqrt{|\Delta|}}{2a}\).
Ví dụ 1. Giải phương trình \(z^2+2z+2=0\).
\(\bullet\quad\) \(\Delta' = 1^2-2=-1 < 0.\)
\(\bullet\quad\) Phương trình có hai nghiệm phân biệt \[z_1=-1-i\sqrt{|-1|}=-1-i, \quad z_2=-1+i\sqrt{|-1|}=-1+i.\]
Ví dụ 2. Giải phương trình \(z^2+3z+3=0\). Tính \(z_1^2+z_2^2\) với \(z_1\), \(z_2\) là 2 nghiệm.
\(\bullet\quad\) \(\Delta = 3^2-4\cdot 3=-3 < 0.\)
\(\bullet\quad\) Phương trình có hai nghiệm phân biệt \[z_1=\dfrac{-3-i\sqrt{|-3|}}{2}=-\dfrac{3}{2}-\dfrac{\sqrt{3}}{2}i, \quad z_2=\dfrac{-3+i\sqrt{|-3|}}{2}=-\dfrac{3}{2}+\dfrac{\sqrt{3}}{2}i.\]
\(\bullet\quad\) \(z_1^2+z_2^2=\left(-\dfrac{3}{2}-\dfrac{\sqrt{3}}{2}i\right)^2+\left(-\dfrac{3}{2}+\dfrac{\sqrt{3}}{2}i\right)^2=3\).
Ví dụ 3. Giải phương trình \(z^3+1=0\).
Ta có
\[\begin{aligned} z^3+1=0\Leftrightarrow\ &(z+1)(z^2-z+1)=0\\ \Leftrightarrow\ &\left[\begin{aligned}&z+1=0\\ &z^2-z+1=0\end{aligned}\right.\\ \Leftrightarrow\ &\left[\begin{aligned}&z=-1\\ &z=\dfrac{1}{2}\pm \dfrac{\sqrt{3}}{2}i.\end{aligned}\right.\\ \end{aligned}\]
Chú ý.
Giả sử phương trình \(az^2+bz+c=0\) có hai nghiệm phức (không thuần thực) \[z_1=\dfrac{-b-i\sqrt{|\Delta|}}{2a},\quad z_2=\dfrac{-b+i\sqrt{|\Delta|}}{2a}\]
Khi đó ta có
\(\bullet\quad\) \(z_1\) và \(z_2\) là hai số phức liên hợp. Tức là \(z_1=\overline{z_2}\) và \(z_2=\overline{z_1}\).
\(\bullet\quad\) Định lý Viet: \(\left\{\begin{aligned}& z_1+z_2=-\dfrac{b}{a}\\ &z_1z_2=\dfrac{c}{a}.\end{aligned}\right.\)
\(\bullet\quad\) \(z_1z_2=z_1\overline{z_1}=\overline{z_2}z_2=|z_1|^2=|z_2|^2=\dfrac{c}{a}.\)
\(\bullet\quad\) \(|z_1|=|z_2|=\sqrt{\dfrac{c}{a}}\).
Ví dụ 4. Gọi \(z_1,\ z_2\) là hai nghiệm của phương trình \(z^2-z+1=0\). Tính \(|z_1|,\ |z_2|\) và \(z_1z_2\).
Vì \(\Delta=1^2-4=-3 < 0\) nên phương trình có 2 nghiệm phức.
\(\bullet\quad\) \(|z_1|=|z_2|=\sqrt{\dfrac{c}{a}}=\sqrt{1}=1.\)
\(\bullet\quad\) \(z_1z_2=|z_1|^2=1^2=1\).
Ví dụ 5. Tìm phương trình bậc hai có nghiệm \(z_1=2-3i\).
Cách 1.
\(\bullet\quad\) Do phương trình bậc hai có nghiệm \(z_1=2-3i\) nên có nghiệm thứ hai là \(z_2=2+3i\).
\(\bullet\quad\) Ta có \[\begin{cases}S=z_1+z_2=4\\ P=z_1z_2=2^2+3^2=13.\end{cases}\]
\(\bullet\quad\) Vậy phương trình bậc hai cần tìm là \[z^2-Sz+P=0\Leftrightarrow z^2-4z+13=0.\]
Cách 2.
\(\bullet\quad\) Phương trình bậc hai cần tìm có dạng \(z^2+bz+c=0\).
\(\bullet\quad\) Do \(z_1=2-3i\) là nghiệm nên
\[\begin{aligned} (2-3i)^2+b(2-3i)+c=0\\ \Leftrightarrow\ &4-12i+9i^2+2b-3bi+c=0\\ \Leftrightarrow\ &\begin{cases}4-9+2b+c=0\\ -12-3b=0\end{cases}\\ \Leftrightarrow\ &\begin{cases}c=13\\ b=-4.\end{cases} \end{aligned}\]
\(\bullet\quad\) Vậy phương trình bậc hai cần tìm là \[z^2-4z+13=0.\]
BÀI TẬP
Dạng 1. Giải phương trình bậc hai và tính giá trị của biểu thức liên quan đến các nghiệm
Ví dụ 1. Phương trình \(z^2+z+3=0\) có hai nghiệm \(z_1\), \(z_2\) trên tập hợp số phức. Tính giá trị của biểu thức \(P=z_1^2+z_2^2\).
A. \(P=-5\)
B. \(P=-\displaystyle\frac{21}{2}\)
C. \(P=6\)
D. \(P=7\)
Có \(z^2+z+3=0\Leftrightarrow z=-\displaystyle\frac{1}{2}+i\displaystyle\frac{\sqrt{11}}{2}\ \vee\ z=-\displaystyle\frac{1}{2}-i\displaystyle\frac{\sqrt{11}}{2}.\)
Vậy \(P=\left(-\displaystyle\frac{1}{2}+i\displaystyle\frac{\sqrt{11}}{2}\right)^2+\left(-\displaystyle\frac{1}{2}-i\displaystyle\frac{\sqrt{11}}{2}\right)^2=-5\).
Ví dụ 2. Gọi \(z_0\) là nghiệm phức có phần ảo âm của phương trình \(2z^2 - 6z + 5 = 0\). Tìm \(iz_0\)?
A. \(i\cdot z_0 = - \displaystyle\frac{1}{2} + \displaystyle\frac{3}{2}i\)
B. \(i\cdot z_0 = \displaystyle\frac{1}{2} + \displaystyle\frac{3}{2}i\)
C. \(i\cdot z_0 = - \displaystyle\frac{1}{2} - \displaystyle\frac{3}{2}i\)
D. \(i\cdot z_0 = \displaystyle\frac{1}{2} - \displaystyle\frac{3}{2}i\)
Xét phương trình \[2z^2 - 6z + 5 = 0 \Leftrightarrow z = \displaystyle\frac{3}{2} + \displaystyle\frac{1}{2}i\ \vee\ z = \displaystyle\frac{3}{2} - \displaystyle\frac{1}{2}i \Rightarrow z_0 = \displaystyle\frac{3}{2} - \displaystyle\frac{1}{2}i \Rightarrow i\cdot z_0 = \displaystyle\frac{1}{2} + \displaystyle\frac{3}{2}i.\]
Ví dụ 3. Gọi \(z_1\), \(z_2\) là các nghiệm của phương trình \(z^2-2z + 5 = 0\). Tính \(P = z_1^4 + z_2^4\).
A. \(-14\)
B. \(-14i\)
C. \(14\)
D. \(14i\)
\(\bullet\) Ta có \(z^2 - 2z + 5 = 0 \Leftrightarrow z = 1 + 2i\ \vee\ z = 1 - 2i.\)
\(\bullet\) Do đó \(P = z_1^4 + z_2^4 = (1 + 2i)^4 + (1 - 2i)^4 = -14\).
Ví dụ 4. Gọi \(z_1\) và \(z_2\) là hai nghiệm phức của phương trình \(z^2-6z+11=0\). Tính giá trị của biểu thức \(H=|3z_1|-|z_2|\).
A. \(H=22\)
B. \(H=11\)
C. \(H=2\sqrt{11}\)
D. \(H=\sqrt{11}\)
Ta có \[z^2-6z+11=0\Leftrightarrow z_1=3+\sqrt{2}i\ \vee\ z_2=3-\sqrt{2}i.\]
Mà \(|z_1|=|z_2|\) nên \[H=|3z_1|-|z_2|=3|z_1|-|z_1|=2|z_1|=2\left|3+\sqrt{2}i\right|=2\sqrt{11}.\]
Ví dụ 5. Gọi \(z_1\) và \(z_2\) là các nghiệm phức của phương trình \(z^2-2z+5=0\). Giá trị của biểu thức \(z_1^4+z_2^4\) bằng
A. \(14\)
B. \(-7\)
C. \(-14\)
D. \(7\)
\(z^2-2z+5=0 \quad (1)\).
\(\Delta_{(1)}^{'}=-4=4i^2\).
Vậy \(2\) nghiệm phức của \((1)\) là \(z_1=1+2i\) và \(z_2=1-2i.\)
\(z_1^4+z_2^4=(1+2i)^4+(1-2i)^4=-14\).
Ví dụ 6. Cho \(z_1,z_2\) là hai nghiệm phức của phương trình \(2z^2+1=0\), trong đó số phức \(z_1\) có phần ảo âm. Tính \(z_1+3z_2\).
A. \(z_1+3z_2=\sqrt{2}i\)
B. \(z_1+3z_2=-\sqrt{2}\)
C. \(z_1+3z_2=-\sqrt{2}i\)
D. \(z_1+3z_2=\sqrt{2}\)
Phương trình tương đương với \(z^2=-\displaystyle\frac{1}{2} =\displaystyle\frac{i^2}{2} \Leftrightarrow z_1= -\displaystyle\frac{1}{\sqrt{2}}i \ \vee\ z_2=\displaystyle\frac{1}{\sqrt{2}}i\).
Từ giả thiết ta có \(z_1= -\displaystyle\frac{1}{\sqrt{2}}i\), \(z_2=\displaystyle\frac{1}{\sqrt{2}}i\).
Suy ra \(z_1+3z_2=\sqrt{2}i\).
Ví dụ 7. Gọi \(z_1\), \(z_2\) là hai nghiệm phức của phương trình \(2z^2+\sqrt{3}z+3=0\). Khi đó \(\displaystyle\frac{z_1}{z_2}+\displaystyle\frac{z_2}{z_1}\) bằng
A. \(\displaystyle\frac{3}{2}i\)
B. \(-\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}+\displaystyle\frac{3}{2}i\)
C. \(-\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\)
D. \(-\displaystyle\frac{3}{2}\)
Theo định lí vi-ét ta có \(\begin{cases} z_1+z_2=-\displaystyle\frac{ \sqrt{3}}{2}\\ z_1z_2=\displaystyle\frac{3}{2}.\end{cases}\)
Ta có
\[\begin{aligned} &\displaystyle\frac{z_1}{z_2}+\displaystyle\frac{z_2}{z_1} = \displaystyle\frac{z_1^2+z_2^2}{z_1z_2}=\displaystyle\frac{(z_1+z_2)^2-2z_1z_2}{z_1z_2} =\displaystyle\frac{\left(-\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\right)^2-2\cdot\displaystyle\frac{3}{2}}{\displaystyle\frac{3}{2}}=-\displaystyle\frac{3}{2}. \end{aligned}\]
Ví dụ 8. Phương trình \(z^2+2z+10=0\) có hai nghiệm là \(z_1\); \(z_2\). Giá trị của \(\left|z_1-z_2\right|\) là
A. \(4\)
B. \(3\)
C. \(6\)
D. \(2\)
Ta có \(z^2+2z+10=0 \Leftrightarrow (z+1)^2=-9=9i^2 \Leftrightarrow z+1=3i\ \vee\ z+1=-3i\Leftrightarrow z=-1+3i\ \vee\ z=-1-3i.\)
Do vai trò của \(z_1\), \(z_2\) như nhau nên ta giả sử \(z_1=-1+3i\), \(z_2=-1-3i\).
Vậy \(\left|z_1-z_2\right|=\left|6i\right|=6.\)
Ví dụ 9. Gọi \(z_1\), \(z_2\) là hai nghiệm của phương trình \(z^2+2z+10=0\). Tính giá trị của biểu thức \(A=|z_1|^2+|z_2|^2\).
A. \(A=2\sqrt{10}\)
B. \(A=20\)
C.\(A=10\)
D. \(A=\sqrt{10}\)
Phương trình có hai nghiệm là \(z_1=-1-3i\), \(z_2=-1+3i\).
Suy ra \(A=|z_1|^2+|z_2|^2=20\).
Ví dụ 10. Gọi \(z_1,~z_2\) là hai nghiệm phức của phương trình \(z^2-5z+7=0\). Giá trị của biểu thức \(|z_1-z_2|\) là
A. \(\sqrt{3}i\)
B. \(-\sqrt{3}i\)
C. \(\sqrt{3}\)
D. \(\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\)
Ta có \(z^2-5z+7=0\Leftrightarrow z=\displaystyle\frac{5}{2}+\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}i\ \vee\ z=\displaystyle\frac{5}{2}-\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}i.\)
Không mất tính tổng quát, giả sử \(z_1=\displaystyle\frac{5}{2}+\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}i,~z_2=\displaystyle\frac{5}{2}-\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}i\) khi đó \(|z_1-z_2|=\left|\sqrt{3}i\right|=\sqrt{3}\).
Ví dụ 11. Gọi \( z_1, z_2 \) là hai nghiệm phức của phương trình \( z^2 + 2z +5 =0 \), trong đó \( z_1 \) có phần ảo dương. Số phức liên hợp của số phức \( z_1 + 2 z_2 \) là
A.\( -3 + 2i \)
B. \( 3 - 2i \)
C.\( 2 + i \)
D.\( 2 - i \)
Ta có \( z^2 + 2z + 5 = 0 \Leftrightarrow z = -1 - 2i \ \vee\ z = - 1 + 2i \Rightarrow z_1 = - 1 + 2i,\ z_2 = -1 - 2i \Rightarrow \overline{z_1 + 2 z_2} = -3 + 2i \).
Ví dụ 12. Kí hiệu \(z_1\), \(z_2\) là hai nghiệm phức của phương trình \(z^2+4z+5=0\). Giá trị của \(\left|z_1\right|^2+\left|z_2\right|^2\) bằng
A. \(10\)
B.\(6\)
C. \(20\)
D. \(14\)
Ta có \(\Delta =16-20=-4\), do đó phương trình có hai nghiệm phức \(z_1=-2+i\ \vee\ z_2=-2-i.\)
Vậy \(\left|z_1\right|^2+\left|z_2\right|^2=10\).
Ví dụ 13. Kí hiệu \(z_1\), \(z_2\) là hai nghiệm của phương trình \(z^2-4z+5=0\). Giá trị của \(|z_1|^2+|z_2|^2\) bằng
A. \(6\)
B. \(10\)
C\(2\sqrt{5}\).
D.\(4\)
Ta có \(z^2-4z+5=0\Leftrightarrow z=2+i \ \vee\ z=2-i.\)
Khi đó \(z_1=2+i\), \(z_2=2-i\) và \(|z_1|^2=|z_2|^2=5\).
Vậy \(|z_1|^2+|z_2|^2=5+5=10\).
Ví dụ 14. Gọi \(z_1\), \(z_2\) là hai nghiệm phức của phương trình \(2z^2+\sqrt{3}z+3=0\). Giá trị của biểu thức \(T=z^2_1+z^2_2\) bằng
A. \(T=\displaystyle\frac{3}{18}\)
B. \(T=-\displaystyle\frac{9}{8}\)
C.\(T=3\)
D. \(T=-\displaystyle\frac{9}{4}\).
Ta có \(z^2+\sqrt{3}z+3=0\Leftrightarrow z_1=-\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{4}+\displaystyle\frac{\sqrt{21}}{4}i\ \vee\ z_2=-\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{4}-\displaystyle\frac{\sqrt{21}}{4}i.\)
Suy ra \(T=\left(-\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{4}+\displaystyle\frac{\sqrt{21}}{4}i\right)^2+\left(-\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{4}-\displaystyle\frac{\sqrt{21}}{4}i\right)^2=-\displaystyle\frac{9}{4}\)
Ví dụ 15. Kí hiệu \(z_1\), \(z_2\) là hai nghiệm phức của phương trình \(z^2+2z+11=0\). Khi đó giá trị của biểu thức \(A=\left |z_1 \right |^2+\left |z_2 \right |^2\) bằng
A. \(2\sqrt{11}\)
B. \(22\)
C. \(11\)
D. \(24\)
Phương trình \(z^2+2z+11=0\) có nghiệm \(z_1=-1+\sqrt{10}i\), \(z_2=-1-\sqrt{10}i\).
Khi đó, \[A=\left |-1+\sqrt{10}i \right |^2+\left |-1-\sqrt{10}i \right |^2=2\left(1+10\right) =22.\]
Ví dụ 16. Kí hiệu \(z_1,~z_2\) là hai nghiệm phức của phương trình \(z^2-2z+7=0\). Giá trị của \(|z_1|+|z_2|\) bằng
A. \(2\sqrt{7}\)
B. \(\sqrt{7}\)
C. \(14\)
D. \(10\)
Ta có \(z^2-3z+5=0\Leftrightarrow z=1+\sqrt{6}i\ \vee\ z=1-\sqrt{6}i.\)
Suy ra \(|z_1|=|z_2|=\sqrt{7}\). Do đó \(|z_1|+|z_2|=2\sqrt{7}\).
Ví dụ 17. Gọi \(z_0\) là nghiệm phức có phần ảo dương của phương trình \(z^2 + 2z + 10 = 0\). Tính \(iz_0\).
A. \(iz_0 = 3 - i\)
B. \(iz_0 = -3i + 1\)
C. \(iz_0 = -3 - i\)
D. \(iz_0 = 3i - 1\)
Ta có \(z^2 + 2z + 10 = 0 \Leftrightarrow z = -1 + 3i \ \vee\ z = -1 - 3i.\)
Suy ra \(z_0 = -1 + 3i\). Do đó \(iz_0 = i(-1 + 3i) = -3 - i\).
Ví dụ 18.Kí hiệu \(z_1\), \(z_2\) là hai nghiệm phức của phương trình \(z^2 - 3z + 5=0\). Giá trị của \(\left|z_1\cdot z_2\right|\) bằng
A. \(5\)
B. \(-\displaystyle\frac{1}{2}\)
C. \(\displaystyle\frac{1}{2}\)
D. \(3\)
Ta có \(\left|z_1\cdot z_2\right|=\dfrac{c}{a}= \left|5\right|=5\).
Ví dụ 19. Gọi \(z_1,z_2\) là hai nghiệm phức của phương trình \(z^2-4z+5=0\). Giá trị của biểu thức \(|z_1^2|+|z_2^2|\) bằng
A. \(6-8i\)
B. \(20 \)
C. \(6\)
D. \(10\)
Ta có \(\Delta' = 4-5=-1=i^2\).
Phương trình có hai nghiệm phức \(z_1=2+i,z_2=2-i\).
Vậy \(|z_1^2|+|z_2^2|=10\).
Ví dụ 20. Kí hiệu \(z_1\) và \(z_2\) là hai nghiệm phức của phương trình \(z^2 - z + 1 = 0\). Giá trị của \(|z_1| + |z_2|\) bằng
A. \(3\)
B. \(1\)
C. \(2\)
D. \(\sqrt{2}\)
Phương trình \(z^2 - z + 1 = 0\) có hai nghiệm là \(z= \displaystyle\frac{1}{2} - \displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}i \ \vee\ z = \displaystyle\frac{1}{2} + \displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}i.\)
Vậy \(|z_1| = |z_2| = 1 \Rightarrow |z_1| + |z_2| = 2\).
Ví dụ 21. Gọi \(z_1, z_2\) là hai nghiệm phức của phương trình \(z^2 + 2z + 5 = 0\), trong đó \(z_1\) có phần ảo dương. Tìm số phức liên hợp của số phức \(z_1 + 2z_2\).
A. \(- 3 + 2i\)
B. \(3 - 2i\)
C. \(2 + i\)
D. \(2 - i\)
ét phương trình \(z^2 + 2z + 5 = 0 \Leftrightarrow \left(z + 1\right)^2 = - 4 \Leftrightarrow z_1 = - 1 + 2i\ \vee\ z_2 = - 1 - 2i\)
Khi đó \(w = z_1 + 2z_2 = - 3 - 2i \Rightarrow\) số phức liên hợp là \(\overline{w} = - 3 + 2i\).
Ví dụ 22. Gọi \(z_1\) và \(z_2\) lần lượt là hai nghiệm của phương trình \(z^2-4z+5=0\). Giá trị của biểu thức \(P=\left(z_1-2z_2\right)\overline{z}_2-4z_1\) bằng
A. \(-10\)
B. \(10\)
C. \(-5\)
D. \(-15\)
Ta có \(P=z_1\cdot\overline{z}_2-2z_2\cdot\overline{z}_2-4z_1=(z_1)^2-2|z_2|^2-4z_1=(z_1)^2-2|z_1|^2-4z_1\).
Giải phương trình đã cho, thu được hai nghiệm là \(2\pm \mathrm{i}\).
Nếu \(z_1=2-\mathrm{i}\) thì \(P=(2-\mathrm{i})^2-2(2^2+1^2)-4(2-\mathrm{i})=4-4\mathrm{i}+\mathrm{i}^2-10-8+4\mathrm{i}=-15\).
Nếu \(z_1=2+\mathrm{i}\) thì \(P=(2+\mathrm{i})^2-2(2^2+1^2)-4(2+\mathrm{i})=4+4\mathrm{i}+\mathrm{i}^2-10-8-4\mathrm{i}=-15\).
Vậy \(P=-15\).
Ví dụ 23. Kí hiệu \(z_1\), \(z_2\) là các nghiệm của phương trình \(z^2+2z+10=0\). Giá trị của \(\displaystyle\frac{\left| z_1 \right|}{\left| z_2 \right|}\) bằng
A. \(1\)
B. \(4\)
C. \(\sqrt{10}\)
D. \(2\)
Do \(\Delta'=-9 < 0\) nên \(z_1\) và \(z_2\) là các số phức và \(z_1=\overline{z_2}\), do đó \(\displaystyle\frac{\left| z_1 \right|}{\left| z_2 \right|}=1\).
Ví dụ 24. Gọi \(z_{1}\), \(z_{2}\) là các nghiệm của phương trình \(z^{2}+4z+9=0\), số phức \(z_{1} \overline{z_{2}} + \overline{z_{1}} z_{2}\) bằng
A. \( 2i \)
B. \( 10i \)
C. \( -2 \)
D. \( 10 \)
Ta có \(z^{2}+4z+9 =0 \Leftrightarrow z=-2-\sqrt{5}i,\ z = -2 + \sqrt{5}i.\)
Do \(z_{1} \overline{z_{2}} + \overline{z_{1}} z_{2} \) đối xứng nên ta chọn \(z_{1} = -2-\sqrt{5}i\) và \(z_{2}=-2+\sqrt{5}i\).
\(\Rightarrow z_{1} \overline{z_{2}} + \overline{z_{1}} z_{2} = \left(-2-\sqrt{5}i\right)^{2} + \left(-2+\sqrt{5}i\right)^{2} = -2\).
Ví dụ 25. Ký hiệu \(z_1,z_2\) là hai nghiệm phức của phương trình \(z^2-4z+6=0\). Giá trị của \(|z_1| + |z_2|\) bằng
A. \(\sqrt{6}\)
B. \(2\sqrt{6}\)
C. \(12\)
D. \(4\)
Ta có \(z^2-4z+6=0 \Leftrightarrow z= 2 + \sqrt{2} i \ \vee\ z= 2 - \sqrt{2} i .\)
Do đó \(|z_1| + |z_2| = \sqrt{6} +\sqrt{6} =2\sqrt{6}\).
Ví dụ 26. Kí hiệu \(z_1\) là nghiệm phức có phần ảo âm của phương trình \(4z^2-16z+17=0\). Trên mặt phẳng tọa độ, điểm nào dưới đây là điểm biểu diễn số phức \(w=(1+2i)z_1-\displaystyle\frac{3}{2}i\)?
A. \(M(-2;1)\)
B. \(M(3;-2)\)
C. \(M(3;2)\)
D. \(M(2;1)\)
Ta có \(z_1=2-\displaystyle\frac{1}{2}i \Rightarrow w=(1+2i)\left(2-\displaystyle\frac{1}{2}i\right)-\displaystyle\frac{3}{2}i=3+2i \Rightarrow M(3;2)\).
Ví dụ 27. Gọi \(z_1,z_2\) là hai nghiệm phức của phương trình \(z^2-5z+7=0\). Tính \(P=|z_1|^2+|z_2|^2\).
A. \(4\sqrt{7}\)
B. \(56\)
C. \(14\)
D. \(2\sqrt{7}\)
Do \(z_1,z_2\) là các nghiệm phức của phương trình \(z^2-5z+7=0\) nên chúng liên hợp với nhau, và
\[|z_1|=|z_2|=\sqrt{|z_1|\cdot|z_2|} =\sqrt{|z_1z_2|}= \sqrt{7}\Rightarrow P=7+7=14.\]
Ví dụ 28. Gọi \(z_{1}\), \(z_{2}\) là 2 nghiệm phức của phương trình \(4z^{2}-8z+5=0\). Giá trị của biểu thức \(\left|z_{1}\right|^2 + \left|z_{2}\right|^2\) là
A. \(\displaystyle\frac{5}{2}\)
B. \(\displaystyle\frac{3}{2}\)
C. \(2\)
D. \(\displaystyle\frac{5}{4}\)
Ta có \(4z^{2}-8z+5=0\) có hai nghiệm là \(z_{1}=1+\displaystyle\frac{1}{2}i\) và \(z_{2}=1-\displaystyle\frac{1}{2}i\) \(\Rightarrow \left|z_{1}\right|^2 + \left|z_{2}\right|^2 = \displaystyle\frac{5}{2}\).
Ví dụ 29. Gọi \(z_1, z_2\) là hai nghiệm của phương trình \(z^2 + 2z+10=0\). Giá trị \(T= |z_1|^2 + |z_2|^2\) bằng
A. \(4\)
B. \(6\)
C. \(10\)
D. \(20\)
Ta có \(z^2+2z+10=0 \Leftrightarrow z=-1+3i\ \vee\ z=-1-3i.\)
Từ đó suy ra \(T = \left(\sqrt{(-1)^2+3^2}\right)^2 + \left(\sqrt{(-1)^2+(-3)^2}\right)^2 = 20\).
Ví dụ 30. Gọi \(z_1\) và \(z_2\) là hai nghiệm phức của phương trình \(4z^2-4z+3=0\). Giá trị của \(\left|z_1\right|+\left|z_2\right|\) bằng
A. \(3\sqrt{2}\)
B. \(2\sqrt{3}\)
C. \(3\)
D. \(\sqrt{3}\)
Ta có \(4z^2-4z+3=0\Leftrightarrow z=\displaystyle\frac{1}{2}+\displaystyle\frac{\sqrt{2}}{2}i\ \vee\ z=\displaystyle\frac{1}{2}-\displaystyle\frac{\sqrt{2}}{2}i.\)
Suy ra \(\left|z_1\right|+\left|z_2\right|=\left|\displaystyle\frac{1}{2}+\displaystyle\frac{\sqrt{2}}{2}i\right|+\left|\displaystyle\frac{1}{2}-\displaystyle\frac{\sqrt{2}}{2}i\right|=\sqrt{3}\).
Ví dụ 31. Gọi \(z_1\), \(z_2\) là hai nghiệm phức của phương trình \(z^2-2z+10=0\), trong đó \(z_1\) có phần ảo âm. Tìm số phức \(w=z_1+2z_2\).
A. \(w=3+3i\)
B. \(w=3-3i\)
C. \(w=-3+3i\)
D. \(w=3\)
Xét phương trình \(z^2-2z+10=0 \Leftrightarrow {z}_{1}=1-3i\ \vee\ {z}_{2}=1+3i.\)
Vậy \(w={z}_{1}+2{z}_{2}=3+3i\).
Ví dụ 32. Gọi \( z_1 \), \( z_2 \) là hai nghiệm phức của phương trình \( z^2+2z+5=0 \). Môđun của số phức \( z_1^2+z_2^2 \) bằng
A. \( 10 \)
B. \( 6 \)
C. \( -6 \)
D. \( 2 \)
Phương trình \( z^2+2z+5=0 \) có hai nghiệm phức \( z_{1,2}=-1\pm 2i \). Do đó \[z_1^2+z_2^2=\left(-1-2i\right)^2+\left(-1+2i\right)^2=6.\]
Ví dụ 33. Kí hiệu \(z_1\), \(z_2\) là hai nghiệm phức của phương trình \(z^2+4=0\). Gọi \(M\), \(N\) lần lượt là các điểm biểu diễn của \(z_1\), \(z_2\) trên mặt phẳng tọa độ. Tính \(T=OM+ON\), với \(O\) là gốc tọa độ.
A. \(T=4\)
B. \(T=2\)
C. \(T=2\sqrt{2}\)
D. \(T=8\)
Ta có \(z^2+4=0\Leftrightarrow z=2i\ \vee\ z=-2i.\)
Suy ra \(M(0;2)\), \(N(0;-2)\) lần lượt là các điểm biểu diễn của \(z_1\), \(z_2\) trên mặt phẳng tọa độ.
Do đó \(T=OM+ON=2+2=4\).
Ví dụ 34. Gọi \(A,B\) lần lượt là điểm biểu diễn hai nghiệm phức của phương trình \(z^2+2z+5=0\) trên mặt phẳng phức. Tính độ dài đoạn thẳng \(AB\).
A. \(6\)
B. \(2\)
C. \(4\)
D. \(12\)
Ta có \(z^2+2z+5=0 \Leftrightarrow (z+1)^2=4i^2 \Leftrightarrow \left[\begin{aligned} &z=-1+2i \\ &z=-1-2i \end{aligned}\right. \)
Đặt \(A(-1;2),B(-1;-2)\), suy ra \(\overrightarrow{AB}=(0;-4) \Rightarrow AB=4\).
Ví dụ 35. Gọi \(z_1\), \(z_2\) là các nghiệm phức của phương trình \(z^2-2z+10 = 0\). Giả sử \(A\), \(B\) lần lượt là các điểm biểu diễn \(z_1\), \(z_2\) trên mặt phẳng phức. Tính độ dài đoạn thẳng \(AB\).
A. \(AB = 6\)
B. \(AB = \sqrt{10}\)
C. \(AB = 2\sqrt{10}\)
D. \(AB = 2\)
Ta có \(z_1=1+3i\) và \(z_2=1-3i \Rightarrow A(1;3)\) và \(B(1;-3) \Rightarrow AB = 6.\)
Ví dụ 36. Gọi \(z_1\) là nghiệm phức có phần ảo dương của phương trình \(2z^2-2z+5=0\). Tính mô đun của số phức \(\displaystyle\frac{1}{z_1}+i^{2020}\cdot z_1\) bằng
A. \(\displaystyle\frac{\sqrt{130}}{10}\)
B. \(\displaystyle\frac{\sqrt{10}}{130}\)
C. \(\sqrt{13}\)
D. \(\sqrt{10}\)
Ta có \(i^2=-1\Rightarrow i^{2020}=(i^2)^{1010}=(-1)^{1010}=1\).
\(2z^2-2z+5=0\Leftrightarrow z=\displaystyle\frac{1}{2}+\displaystyle\frac{3}{2}i\ \vee\ z=\displaystyle\frac{1}{2}-\displaystyle\frac{3}{2}i.\)
Vì \(z_1\) là nghiệm phức có phần ảo dương nên \(z_1=\displaystyle\frac{1}{2}+\displaystyle\frac{3}{2}i\).
Suy ra \(\displaystyle\frac{1}{z_1}+i^{2020}\cdot z_1=\displaystyle\frac{1}{\displaystyle\frac{1}{2}+\displaystyle\frac{3}{2}i}+i^{2020}\cdot \left(\displaystyle\frac{1}{2}+\displaystyle\frac{3}{2}i \right)=\displaystyle\frac{1}{5}-\displaystyle\frac{3}{5}i+\displaystyle\frac{1}{2}+\displaystyle\frac{3}{2}i=\displaystyle\frac{7}{10}+\displaystyle\frac{9}{10}i\).
Vậy \(\left|\displaystyle\frac{1}{z_1}+i^{2020}\cdot z_1 \right|=\sqrt{\left(\displaystyle\frac{7}{10} \right)^2+\left(\displaystyle\frac{9}{10} \right)^2 }=\displaystyle\frac{\sqrt{130}}{10} \).
Ví dụ 37. Gọi \(z_1\), \(z_2\) là hai nghiệm phức của phương trình \(z^2-4z+5=0\); \(M,N\) lần lượt là các điểm biểu diễn \(z_1\), \(z_2\) trên mặt phẳng phức. Độ dài đoạn thẳng \(MN\) là
A. \(2\)
B. \(2\sqrt{5}\)
C. \(4\)
D. \(\sqrt{2}\)
Phương trình \(z^2-4z+5=0\) có hai nghiệm là \(z_1=2+i\) và \(z_2=2-i\).
Vậy \(M(2;1),N(2;-1)\) nên \(MN=2\).
Ví dụ 38. Gọi \(z_1\) là số phức có phần ảo âm của phương trình \(z^2+2 z+2=0.\) Tìm số phức liên hợp của \(w=\left(1+2i\right)z_1.\)
A. \(\overline{w}=1-3i\)
B. \(\overline{w}=1+3i\)
C. \(\overline{w}=-3+i\)
D. \(\overline{w}=-3-i\)
Ta có \(z^2+2 z+2=0 \Leftrightarrow z=-1-i\ \vee\ z=-1+i.\)
Do đó \(z_1=-1-i.\) Suy ra \(w=\left(1+2i\right)z_1=1-3i\) và \(\overline{w}=1+3i\).
Ví dụ 39. Giả sử \(z_1\), \(z_2\) là hai nghiệm của phương trình \(z^2-2z+5=0\) và \(A\), \(B\) là các điểm biểu diễn của \(z_1\), \(z_2\). Khi đó tọa độ trung điểm \(I\) của \(AB\) là
A. \(I(0;1)\)
B. \(I(-1;0)\)
C. \(I(1;1)\)
D. \(I(1;0)\)
Phương trình \(z^2-2z+5=0\) có hai nghiệm phức là \(z_1=1+2i\), \(z_2=1-2i\).
Điểm \(A,B\) biểu diễn số phức \(z_1\), \(z_2\) nên có tọa độ \(A(1;2)\), \(B(1;-2)\).
Suy ra trung điểm \(I\) của đoạn \(AB\) có tọa độ là \(I(1;0)\).
Ví dụ 40. Gọi \(A\) và \(B\) là hai điểm trong mặt phẳng biểu diễn hai nghiệm phức phân biệt của phương trình \(z^2+6z+12=0\). Tính độ dài của đoạn thẳng \(AB\).
A. \(AB=2\sqrt{3}\)
B. \(AB=\sqrt{3}\)
C. \(AB=3\)
D. \(AB=12\)
Ta có \(z^2+6z+12=0\Leftrightarrow z_1=-3-\sqrt{3}i\ \vee\ z_2=-3+\sqrt{3}i\). Do đó, \(A\left(-3;-\sqrt{3}\right)\) và \(B\left(-3;\sqrt{3}\right)\).
Ta tính được \(AB=2\sqrt{3}\).
Ví dụ 41. Gọi \(z_1\), \(z_2\) là các nghiệm của phương trình \(z^2+4z+5=0\). Đặt \(w=(1+z_1)^{100}+(1+z_2)^{100}\). Khi đó
A. \(w=2^{50}i\)
B. \(w=-2^{51}\)
C. \(w=2^{51}\)
D. \(w=-2^{50}i\)
Có \(z^2+4z+5=0\Leftrightarrow z_1=-2+i\ \vee\ z_2=-2-i.\)
\[\begin{aligned} w=&(1+z_1)^{100}+(1+z_2)^{100}=(-1+i)^{100}=(1+i)^{100}\\ =&\left((1-i)^2\right)^{50}+\left((1+i)^2\right)^{50}\\ =&(-2i)^{50}+(2i)^{50}=-2^{50}-2^{50}=-2^{51}. \end{aligned}\]
Ví dụ 42. Gọi \(z_1, z_2\) là hai nghiệm của phương trình \(z^2-z+2=0\). Tìm phần ảo của số phức \(w= \left[ (i-z_1)(i-z_2)\right]^{2018}\).
A. \(2^{1009}\)
B. \(-2^{1009}\)
C. \(2^{2018}\)
D. \(-2^{2018}\)
Áp dụng định lý Vi-et ta có \(z_1+z_2=1,\ z_1 \cdot z_2 =2.\)
Mặt khác, ta có \[w= \left[ i^2-i(z_1+z_2)+z_1z_2\right]^{2018}=(1-i)^{2018}= \left[(1-i)^2\right]^{1009} =(-2i)^{1009}= -2^{1009}\cdot i\cdot (i^2)^{504}=-2^{1009}\cdot i.\]
Vậy phần ảo của \(w\) là \(-2^{1009}\).
Ví dụ 43. Gọi \(z_1,z_2\) là hai nghiệm của phương trình \(z^2-7z+51i^{2008}=0\). Tính giá trị biểu thức \(P=2z_1-z_1z_2+2z_2\).
A. \(P=-37\)
B. \(P=58\)
C. \(P=-65\)
D. \(P=-44\)
Ta có \(z^2-7z+51i^{2008}=0\Leftrightarrow z^2-7z+51=0\).
Theo định lý Vi-ét ta có \(z_1+z_2=7,\ z_1\cdot z_2=51.\)
Từ đó suy ra \(P=2z_1-z_1z_2+2z_2=2(z_1+z_2)-z_1z_2=14-51=-37.\)
Ví dụ 44. Trong mặt phẳng phức, gọi \(M, N\) là điểm biểu diễn của các số phức là nghiệm của phương trình \(z^2-4z+9=0.\) Tính độ dài đoạn thẳng \(MN\).
A. \(MN=4\)
B. \(MN=5\)
C. \(MN=20\)
D. \(MN=2\sqrt5\)
\[\begin{aligned}MN^2=\ &|z_1-z_2|^2=(z_1-z_2)(\bar{z_1}-\bar{z_2})=(z_1-z_2)(z_2-z_1)\\ =\ &-(z_1-z_2)^2=-(z_1+z_2)^2+4z_1z_2=20.\end{aligned}\] Suy ra \(MN=2\sqrt5.\)
Dạng 2. Xây dựng phương trình bậc hai có nghiệm cho trước
Ví dụ 1. Trên tập số phức, hai số phức \(z_1 =a - 3i\) và \(z_2 = a + 3i\), \(a\in \mathbb{R}\) là hai nghiệm của phương trình nào dưới đây?
A. \(z^2 +2az +a^2 -9 =0\)
B. \(z^2 +2az +a^2 +9 =0\)
C. \(z^2 -2az +a^2 -9 =0\)
D. \(z^2 -2az +a^2 +9 =0\)
\(z_1+z_2=(a-3i) +(a+3i)=2a\); \(z_1 z_2=(a-3i)(a+3i)=a^2+9\).
Suy ra \(z_1,z_2\) là nghiệm của phương trình \(z^2 -2az +a^2 +9 =0\).
Ví dụ 2. Cho các số phức \(z_1=3+2i\), \(z_2=3-2i\). Phương trình bậc hai có hai nghiệm \(z_1\) và \(z_2\) là
A. \(z^2+6z-13=0\)
B. \(z^2+6z+13=0\)
C. \(z^2-6z+13=0\)
D. \(z^2-6z-13=0\)
Ta có: \(z_1+z_2=6\), \(z_1\cdot z_2=13\)
Suy ra phương trình bậc hai có hai nghiệm \(z_1\) và \(z_2\) là \(z^2-6z+13=0\).
Ví dụ 3. Phương trình nào sau đây nhận hai số phức \(z_1=1+\sqrt2i\) và \(z_2=1-\sqrt2i\) làm nghiệm?
A. \(z^2-2z+3=0\)
B. \(z^2-2z-3=0\)
C. \(z^2+2z+3=0\)
D. \(z^2+2z-3=0\)
Dễ thấy \(z_1+z_2=2, z_1z_2=3\) nên theo định lí Vi-et đảo, \(z_1\) và \(z_2\) là hai nghiệm của phương trình \(z^2-2z+3=0.\)
Ví dụ 4. Biết phương trình \(z^2+az+b=0\) với \(a\), \(b\in \mathbb{R}\) có một nghiệm \(z=1-2i\). Tính \(a+b\)
A. \(1\)
B. \(-5\)
C. \(-3\)
D. \(3\)
Vì \(z=1-2i\) là nghiệm của phương trình nên \[\begin{aligned} & (1-2i)^2+a(1-2i)+b=0\\ \Leftrightarrow\ & a+b-3-(2a+4)i=0\\ \Leftrightarrow\ & \begin{cases}a+b-3=0\\ 2a+4=0\end{cases}\\ \Leftrightarrow\ & \begin{cases}a=-2\\ b=5.\end{cases} \end{aligned}\]
Khi đó \(a+b=-2+5=3\).
Ví dụ 5. Phương trình bậc hai nào sau đây có nghiệm là \(1+2i\)?
A. \(z^2-2z+3=0\)
B. \(z^2+2z+5=0\)
C. \(z^2-2z+5=0\)
D. \(z^2+2z+3=0\)
\(z^2-2z+5=0\Leftrightarrow z=1+2i \ \vee\ z=1-2i.\)
Ví dụ 6. Cho phương trình \(z^2+az+b=0\) với \(a,b\) là các tham số thực nhận số phức \(1+i\) là một nghiệm. Tính \(a-b\).
A. \(-2\)
B. \(-4\)
C. \(4\)
D. \(0\)
Vì \(1+i\) là nghiệm của phương trình nên \[(1+i)^2+a(1+i)+b=0 \Leftrightarrow a+b+i(a+2)=0 \Leftrightarrow \left\{\begin{aligned} &a=-2\\ &b=2\\ \end{aligned}\right. \Rightarrow a-b=-4.\]
Ví dụ 7. Tìm các số thực \(b,c\) để phương trình \(z^2+bz+c=0\) nhận \(z=1+i\) làm một nghiệm.
A. \(b=2,c=-2\)
B. \(b=2,c=2\)
C. \(b=-2,c=2\)
D. \(b=-2,c=-2\)
Ta có phương trình \(z^2+bz+c=0\) nhận \(z=1+i\) làm một nghiệm.
\(\Rightarrow (1+i)^2+b(1+i)+c=0 \Leftrightarrow \begin{cases}2+b=0\\ b+c=0\end{cases} \Leftrightarrow \begin{cases}b=-2\\ c=2.\end{cases}\)
Ví dụ 8. Số phức \(z=a+bi\), \(\left(a,b\in \mathbb{R}\right)\) là nghiệm của phương trình \((1+2i)z-8-i=0\). Tính \(S=a+b\).
A. \(S=-1\)
B. \(S=1\)
C. \(S=-5\)
D. \(S=5\)
Vì \((1+2i)z-8-i=0 \Leftrightarrow z=\displaystyle\frac{8+i}{1+2i}=\displaystyle\frac{(8+i)(1-2i)}{1+4}=\displaystyle\frac{10-15i}{5}=2-3i\) nên \[\left\{\begin{aligned} &a=2 \\ &b=-3. \end{aligned}\right. \] Vậy \(S=a+b=-1\).
Ví dụ 9. Trên tập số phức, biết phương trình \(z^2+az+b=0\) \((a, b\in\mathbb{R})\) có một nghiệm là \(z=-2+i\). Tính giá trị của \(T=a-b\).
A. \(T=4\)
B. \(T=-1\)
C. \(T=9\)
D. \(T=1\)
\(z=-2+i\) là một nghiệm của phương trình khi và chỉ khi \[\begin{aligned}(-2+i)^2+a(-2+i)+b=0&\Leftrightarrow 4-4i-1-2a+ai+b=0\\ &\Leftrightarrow\begin{cases}3-2a+b=0\\ -4+a=0\end{cases}\Leftrightarrow\begin{cases}a=4\\ b=5.\end{cases}\end{aligned}\]
Suy ra \(T=a-b=-1\).
Ví dụ 10. Cho \(b\), \(c\) là các số thực. Biết \(z_1=1+i\) là một nghiệm của phương trình bậc hai ẩn phức \(2018z^2+bz+c=0\). Nghiệm \(z_2\) còn lại của phương trình là
A. \(z_2=1-i\)
B. \(z_2=2018(1-i)\)
C. \(z_2=-1+i\)
D. \(z_2=2018-i\)
Do phương trình đã cho có hệ số thực nên \(z_2=\overline{z_1}=1-i\).
Ví dụ 11. Tìm tham số \(m\) để phương trình \(z^2+(2-m)z+2=0\) có một nghiệm là \(1-i\).
A. \(m=-2\)
B. \(m=6\)
C. \(m=2\)
D. \(m=4\)
Ta có \(1-i\) là nghiệm của phương trình \(z^2+(2-m)z+2=0\)
\[\begin{aligned} \Leftrightarrow &(1-i)^2+(2-m)(1-i)+2=0\\ \Leftrightarrow &(m-4)i+4-m=0\\ \Leftrightarrow &m=4. \end{aligned}\]
Ví dụ 12. Gọi \(z_1\) và \(z_2=3+4i\) là hai nghiệm của phương trình \(az^2+bz+c=0\) \((a,b,c\in\mathbb{R}, a\ne 0)\). Tính \(T=2|z_1|-|z_2|\).
A. \(T=0\)
B. \(T=5\)
C. \(T=10\)
D. \(T=7\)
Do phương trình có hai nghiệm phức không thực nên \(|z_1|=|z_2|\Rightarrow T=|z_2|=5\).
Ví dụ 13. Giả sử phương trình \(z^2+az+b=0\) (với \(a, b\in\mathbb{R}\)) nhận \(z_1=1-i\) làm nghiệm. Tìm nghiệm \(z_2\) còn lại.
A. \(z_2=-1-i\)
B. \(z_2=1-i\)
C. \(z_2=-1+i\)
D. \(z_2=1+i\)
Do \(a, b\in \mathbb{R}\) và phương trình có một nghiệm phức là \(z_1\), nên nghiệm phức còn lại là số phức liên hợp của \(z_1\). Vậy, \(z_2=\bar{z_1}=1+i\).
Ví dụ 14. Cho \(a,b\) là các số thực thỏa phương trình \(z^2+az+b=0\) có nghiệm \(3-2i\), tính \(S=a+b\).
A. \(S=19\)
B. \(S=-7\)
C. \(S=7\)
D. \(S=-19\)
Thay \(z=3-2i\) vào phương trình \(z^2+az+b=0\) ta được phương trình
\[\begin{aligned} & \left(3-2i \right) ^2+a\left(3-2i\right) +b=0\\ \Leftrightarrow &\begin{cases}9-4+3a+b=0\\ -12-2a=0\end{cases}\\ \Leftrightarrow& \begin{cases}a=-6\\ b=13\end{cases} .\end{aligned}\]
Khi đó \(S=a+b=-6+13=7.\)
Ví dụ 15. Phương trình bậc hai nào dưới đây nhận hai số phức \(2-3i\) và \(2+3i\) làm nghiệm?
A. \(z^2+4z+13=0\)
B. \(z^2+4z+3=0\)
C. \(z^2-4z+13=0\)
D. \(z^2-4z+3=0\)
Đặt \(z_1=2-3i\); \(z_2=2+3i\). Khi đó
\[S=z_1+z_2=4;\ P=z_1 \cdot z_2=(2-3i)(2+3i)=4+9=13.\]
Do đó \(z_1\) và \(z_2\) là nghiệm của phương trình: \(z^2-Sz+P=0\) hay \(z^2-4z+13=0\).
Vậy \(z^2-4z+13=0\) là phương trình cần tìm.
Ví dụ 16. Cho \(z=2+3i\) là một số phức. Hãy tìm một phương trình bậc hai với hệ số thực nhận \(z\) và \(\overline{z}\) làm nghiệm.
A. \(z^2+4z+13=0\)
B. \(z^2-4z+12=0\)
C. \(z^2+4z+12=0\)
D. \(z^2-4z+13=0\)
Phương trình bậc hai nhận \(z=2+3i\) và \(\overline{z}=2-3i\) làm nghiệm có dạng \[(z-2-3i)(z-2+3i)=0 \Leftrightarrow z^2-4z+13=0.\]
Ví dụ 17. Cho phương trình \(z^2+bz+c=0\) với \(b, c \in \mathbb{R}\). Xác định \(b\) và \(c\) nếu phương trình nhận \(z=1-3i\) làm một nghiệm.
A. \(b=-2\), \(c=10\)
B. \(b=6\), \(c=10\)
C. \(b=-6\), \(c=-10\)
D. \(b=-6\), \(c=10\)
Thay \(z=1-3i\) vào phương trình, ta có \[(1-3i)^2+b(1-3i)+c=0 \Leftrightarrow \left \lbrace \begin{aligned} &3b+6=0\\&b+c-8=0 \end{aligned} \right. \Leftrightarrow \left \lbrace \begin{aligned} &b=-2\\ &c=10 \end{aligned} \right.\]
Ví dụ 18. Biết phương trình \(z^2 + az + b = 0\) (\(a, b \in \Bbb{R}\)) có một nghiệm phức là \(z_0 = 1 + 2i\), tìm \(a, b\).
A. \(a = -2\) hoặc \(b = 5\)
B. \(a = -2\) và \(b = 5\)
C. \(a = 5\) hoặc \(b = - 2\)
D. \(a = 5\) và \(b = - 2\)
Nhận xét: Phương trình bậc 2 luôn có 2 nghiệm phức liên hợp.
Do đó, 2 nghiệm của phương trình đã cho là \(z_1 = 1 + 2i\) và \(z_2 = 1 - 2i\).
Ta có \(\begin{cases}z_1 + z_2 = -a\\ z_1.z_2 = b\end{cases} \Rightarrow \begin{cases}a = - 2\\ b = 5\end{cases}\)
Ví dụ 19. Biết phương trình \( z^{2}+az+b=0 \) (\( a,b\in\mathbb{R} \)) có nghiệm \( z=-2+i \). Tính \( a+b \).
A. \( 4 \)
B. \( 9 \)
C. \( -1 \)
D. \( 1 \)
Ta có \( (-2+i)^{2}+a(-2+i)+b=0\Leftrightarrow (a-4)i+(b+3-2a)=0\Leftrightarrow\begin{cases}a=4\\ b=5\end{cases}\Rightarrow a+b=9 \).
Ví dụ 20. Phương trình \(z^2+az+b=0\ (a,b\in\mathbb{R})\) có một nghiệm phức là \(2+i\). Tính giá trị của \(ab^2\).
A. \(-20\)
B. \(-100\)
C. \(100\)
D. \(-36\)
Phương trình có một nghiệm phức \(z_1=2+i\), vậy nghiệm phức còn lại là \(z_2=2-i\). Theo định lý Vi-ét ta có
\[\begin{cases}z_1+z_2=4=-a\\ z_1\cdot z_2=5=b\end{cases}\Rightarrow \begin{cases}a=-4\\ b=5.\end{cases}\]
Vậy \(ab^2=-100\).
Ví dụ 21. Biết phương trình \(z^2+mz+n=0\) (với \(m,n\) là tham số thực) có một nghiệm là \(z=1+i\). Mô-đun của số phức \(w=m+ni\) bằng
A. \(6\)
B. \(8\)
C. \(3\sqrt{2}\)
D. \(2\sqrt{2}\)
Phương trình \(z^2+mz+n=0\) có nghiệm \(z=1+i\) thì cũng có nghiệm \(z=1-i\).
Áp dụng định lý Vi-ét ta có \(\begin{cases}-m = (1+i)+(1-i) \\ n=(1+i)(1-i)\end{cases} \Leftrightarrow \begin{cases}m=-2 \\ n=2.\end{cases}\)
Do đó \(w=-2+2i\). Suy ra \(|w| =\sqrt{(-2)^2+2^2}=2\sqrt{2}\).
Ví dụ 22. Xét phương trình \(z^2+bz+c=0\), \(b,c\in \mathbb{R}\). Biết số phức \(z_0=2-i\) là một nghiệm của phương trình. Giá trị của \(2b+c\) bằng
A. \(3\)
B. \(4\)
C. \(-4\)
D. \(-3\)
Phương trình đã cho có hệ số thực và một nghiệm phức \(z_0=2-i\) nên nghiệm còn lại là \(\overline{z_0}=2+i\). Theo định lí Vi\`ete, ta có \[ \begin{cases}b=-\left(z_0+\overline{z_0}\right)=-4\\ c=z_0\overline{z_0}=5.\end{cases}\]
Do đó \(2b+c=-3\).
Ví dụ 23. Xét phương trình \(z^2 + bz +c =0\), \(b\), \(c \in \mathbb{R}\). Biết số phức \(z=3-i\) là một nghiệm của phương trình. Tính giá trị của biểu thức \(P=b+c\).
A. \(P=4 \)
B. \( P=8\)
C. \( P=12\)
D. \(P=16 \)
Do \(z=3-i\) là một nghiệm của phương trình \(z^2 + bz +c =0\) nên \(\overline z = 3 + i\) là nghiệm còn lại.
Ta xét \(S= z + \overline z = 6\); \(P = z \cdot \overline z = 10\).
Suy ra phương trình bậc hai đã cho có dạng \(z^2 - S z + P =0 \Leftrightarrow z^2 - 6 z + 10 =0.\)
Vậy \(b+c = 4.\)
Ví dụ 24. Biết phương trình \( z^2 + bz + c = 0, (b,c \in \mathbb{R}) \) có một nghiệm phức là \( z_1 = 1 + 2i \). Khẳng định nào sau đây là đúng?
A. \( b + c = 2 \)
B. \( b + c = 1 \)
C. \( b + c = 7 \)
D. \( b + c = 3 \)
Ta thấy phương trình có hai nghiệm \[\begin{cases} z_ 1 = 1 + 2i\\ & z_2 = 1 - 2i\end{cases} \Rightarrow \begin{cases}z_1 + z_2 = 2 \\ z_1z_2 = 5\end{cases} \Rightarrow \begin{cases}b = -2 \\ c = 5\end{cases} \Rightarrow b + c = 3.\]
Ví dụ 25. Biết \(z_1 = -1 +\sqrt{2}i\) là một nghiệm phức của phương trình \(z^2+2z+m=0\) (\(m\) là tham số thực) và \(z_2\) là nghiệm còn lại của phương trình. Giá trị của \(\left| z_1 - z_2 \right|\) bằng
A. \(2\sqrt{2}\)
B. \(2\)
C. \(3\)
D. \(3\sqrt{3}\)
Phương trình bậc 2 hệ số thực nếu có hai nghiệm phức thì hai nghiệm đó là hai số phức liên hợp với nhau, nghĩa là: \[z_2=\overline{z}_1=-1-\sqrt{2}i \Rightarrow \left| z_1 - z_2 \right| = 2\sqrt{2}.\]
Ví dụ 26. Phương trình bậc hai nào dưới đây nhận hai số phức \(2-3i\) và \(2+3i\) làm nghiệm?
A. \(z^2+4z+13=0\)
B. \(z^2+4z+3=0\)
C. \(z^2-4z+13=0\)
D. \(z^2-4z+3=0\)
Ta có \((2-3i)(2+3i) = 13\) và \((2-3i)+(2+3i) = 4\) nên \(2-3i\) và \(2+3i\) là nghiệm phương trình \(z^2-4z+13=0\).
Ví dụ 27. Nếu \(z=i\) là một nghiệm phức của phương trình \(z^2+az+b=0\) với \((a,b\in \mathbb{R})\) thì \(a+b\) bằng
A. \(-1\)
B. \(2\)
C. \(-2\)
D. \(1\)
\(z=i\) là một nghiệm phức của phương trình \(z^2+az+b=0\) nên ta có:
\[i^2+a.i+b=0\Leftrightarrow ai+b=1\Leftrightarrow \begin{cases}a=0 \\ b=1\end{cases}\Rightarrow a+b=1.\]
Ví dụ 28. Cho phương trình \(z^2-az +b=0\), \(a,b \in \mathbb{R}\) có một nghiệm \(z=2+i\). Khi đó hiệu \(a-b\) bằng
A. \(9\)
B. \(-9\)
C. \(-1\)
D. \(1\)
Thay \(z=2+i\) vào phương trình, ta được
\[(2+i)^2-a(2+i)+b=0 \Leftrightarrow 3-2a+b+(4-a)i=0\Rightarrow \begin{cases}3-2a+b=0\\ 4-a=0\end{cases}\Leftrightarrow\begin{cases}a=4\\ b=5.\end{cases}\]
Vậy \(a-b=4-5=-1\).
Dạng 3. Sử dụng định lí Viet
Ví dụ 1. Cho \(m\) là số thực, biết phương trình \(z^2+mz+5=0\) có hai nghiệm phức trong đó có một nghiệm có phần ảo bằng \(1\). Tính tổng môđun của hai nghiệm.
A. \(3\)
B. \(\sqrt{5}\)
C. \(2\sqrt{5}\)
D. \(4\)
Giả sử phương trình có nghiệm \(z_1=a+i, a\in\mathbb{R}\), khi đó \(z_2=a-i\) cũng là nghiệm của phương trình.
Áp dụng định lý Vi-ét ta có: \(5=x_1x_2=(a+i)(a-i)=a^2+1\), nên ta có: \(a^2=4\).
Khi đó: \(\left|z_1\right|+\left|z_2\right|=2\sqrt{a^2+1}=2\sqrt{5}\).
Ví dụ 2. Gọi \(z_1,z_2\) là hai nghiệm của phương trình \(z^2+z+1=0\). Tính giá trị của biểu thức \(P=\left|z_1^{2019}+z_2^{2019}\right|\).
A. \(P=2\)
B. \(P=3\)
C. \(P=2\sqrt{3}\)
D. \(P=4038\)
Ta có \(z^2+z+1=0\Leftrightarrow z_1=\displaystyle\frac{-1-\sqrt{3}i}{2}\ \vee\ z_2=\displaystyle\frac{-1+\sqrt{3}i}{2}.\)
Ta có \(z_1^3=\displaystyle\frac{1}{8}\left(1-\sqrt{3}i\right)^3=\displaystyle\frac{1}{8}\left(1-3\sqrt{3}i-9+3\sqrt{3}i\right)=-1;z_2^3=\displaystyle\frac{1}{8}\left(1+\sqrt{3}i\right)^3=\displaystyle\frac{1}{8}\left(1+3\sqrt{3}i-9-3\sqrt{3}i\right)=-1\).
Mặt khác \(z_1^{2019}=\left(z_1^3\right)^{673}=-1,z_2^{2019}=\left(z_2^3\right)^{673}=-1\Rightarrow \left|z_1^{2019}+z_2^{2019}\right|=|-1-1|=2\).
Vậy \(\left|z_1^{2019}+z_2^{2019}\right|=2\).
Ví dụ 3. Gọi \(S\) là tổng tất cả các giá trị thực của tham số \(m\) để phương trình \(z^2-6z+4m+1=0\) có nghiệm phức \(z_0\) thỏa mãn \(\left| z_0 \right|=5\). Tính \(S\).
A. \(-13\)
B. \(7\)
C. \(13\)
D. \(-7\)
Gọi \(z_0=a+bi\), \((a,b\in \mathbb{R})\). Theo đề ta có
\[\begin{aligned} &\begin{cases} a^2+b^2=25 \\ a^2-b^2+2abi-6(a+bi)+4m+1=0\end{cases}\\ \Leftrightarrow & \begin{cases} a^2+b^2=25 \\ \left(a^2-b^2-6a+4m+1\right)+(2ab-6b)i=0\end{cases}\\ \Leftrightarrow &\begin{cases}a^2+b^2=25\quad (1)\\ a^2-b^2-6a+4m+1=0\quad (2)\\ 2ab-6b=0. \quad (3)\end{cases}\end{aligned}\]
Từ \(( 3 )\) ta có \(b=0\ \vee\ a=3.\)
Với \(b=0\), thay vào \(( 1 )\), \(( 2 )\) ta có \(\begin{cases} a=\pm 5\\ m=\displaystyle\frac {1}{4}(6a-26)\end{cases}\Leftrightarrow \begin{cases} a=5\\ m=1\end{cases}\ \vee\ \begin{cases} a=-5\\ m=-14.\end{cases}\)
Với \(a=3\), thay vào \(( 1 )\), \(( 2 )\) ta có \(\begin{cases} b^2=16\\ 9-16-18+4m+1=0\end{cases}\Leftrightarrow m=6\).
Vậy \(S=1-14+6=-7\).
Ví dụ 4. Tìm tổng các giá trị số thực \(a\) sao cho phương trình \(z^2+3z+a^2-2a=0\) có nghiệm phức \(z_0\) thỏa \(\left|z_0 \right| =2\).
A. \(0\)
B. \(2\)
C. \(6\)
D. \(4\)
Có 3 trường hợp sau:
TH1. \(z_0=2\) là nghiệm phương trình \(z^2+3z+a^2-2a=0\) nên \(a^2-2a+10=0\) vô nghiệm.
TH2. \(z_0=-2\) là nghiệm phương trình \(z^2+3z+a^2-2a=0\) nên \(a^2-2a-2=0 \Rightarrow a_1+a_2=2\).
TH3. \(z_0\notin \mathbb{R}\) là nghiệm phương trình \(z^2+3z+a^2-2a=0\) nên \(a^2-2a=4 \Rightarrow a_3+a_4=2\).
Vậy tổng tất cả các giá trị của số thực \(a\) để phương trình \(z^2+3z+a^2-2a=0\) có nghiệm phức \(z_0\) thỏa \(\left|z_0 \right|= 2\) là 4.
Ví dụ 5. Gọi \(S\) là tập hợp giá trị thực của tham số \(m\) sao cho phương trình \(z^2 - 2mz + 2m^2 - 2m = 0\) có nghiệm phức mà môđun của nghiệm đó bằng \(2\). Tổng bình phương các phần tử của tập hợp \(S\) bằng
A. \( 6 \)
B. \( 5 \)
C. \( 4 \)
D. \( 1 \)
\(\bullet\quad\) TH1. Phương trình có nghiệm thực \(z = 2\).
Ta có \(4 - 4m + 2m^2 - 2m = 0 \Leftrightarrow 2m^2 - 6m + 4 = 0 \Leftrightarrow m = 1\ \vee\ m = 2.\)
\(\bullet\quad\) TH2. Phương trình có nghiệm thực \(z = -2\).
Khi đó ta có \(4 + 4m + 2m^2 - 2m = 0 \Leftrightarrow 2m^2 + 2m + 4 = 0\) (vô nghiệm).
\(\bullet\quad\) TH3. Phương trình không có nghiệm thực. Khi đó để phương trình có nghiệm phức với mô đun bằng \(2\) thì
\[\begin{cases}\Delta' < 0 \\ \sqrt{m^2 + \left(\sqrt{-\Delta'}\right)^2} = 2\end{cases} \Leftrightarrow \begin{cases}-m^2 + 2m < 0\\&2m^2 - 2m = 4\end{cases} \Leftrightarrow m = -1.\]
Vậy \(S = \{-1; 1; 2\}\) có tổng bình phương các phần tử là \(6\).
Ví dụ 6. Gọi \(S\) là tập hơp giá trị thực của tham số \(m\) sao cho phương trình \(z^2-(m+4)z+m^2+3=0\) có nghiệm phức \(z_0\) thỏa mãn \(|z_0|=2\). Số phần tử của tập hợp S là
A. \( 4 \)
B. \( 2 \)
C. \( 3 \)
D. \( 1 \)
Đặt \( z=a+bi \) với \( a,b \in\mathbb{R}\colon |z|^2=a^2+b^2=4 \). Phương trình trở thành
\[\begin{aligned} & a^2-b^2+2abi-a(m+4)-b(m+4)i+m^2+3=0 \\ \Leftrightarrow& \begin{cases}a^2-b^2-a(m+4)+m^2+3=0\\ 2ab-b(m+4)=0\end{cases} \\ \Leftrightarrow& \begin{cases}a^2-b^2-a(m+4)+m^2+3=0\quad(*)\\ b=0 \vee a=\displaystyle\frac{m+4}{2}\end{cases} \end{aligned}\]
Với \( b=0\Rightarrow a=\pm 2 \).
Với \( a=\displaystyle\frac{m+4}{2} \Rightarrow 4a^2=(m+4)^2 \Rightarrow 4b^2=16-(m+4)^2 \).
Ta xét các trường hợp sau
TH1. \( \begin{cases}a=2\\ b=0\end{cases} \) thế vào \( (*) \) ta có \( m^2-2m-1=0 \Leftrightarrow m=\sqrt{2}+1\ \vee\ m=-\sqrt{2}+1. \)
TH2. \( \begin{cases}a=-2\\ b=0\end{cases} \) thế vào \( (*) \) ta có \( m^2+2m+15=0 \Leftrightarrow m\in\varnothing \).
TH3. \( \begin{cases}a=\displaystyle\frac{m+4}{2}\\ 4b^2=16-(m+4)^2\end{cases}\) thế vào \( (*) \) ta có
\[\begin{aligned} & 4a^2-4b^2-4a(m+4)+4m^2+12=0 \\ \Leftrightarrow& 2(m+4)^2-16-2(m+4)^2+4m^2+12=0 \\ \Leftrightarrow& 4m^2-4=0\\ \Leftrightarrow& m=\pm 1. \end{aligned}\]
Với \( m=1 \Rightarrow 4b^2=16-5^2 < 0 \) nên \( m=1 \) không thỏa.
Với \( m=-1 \Rightarrow 4b^2=16-3^2\Rightarrow b=\displaystyle\frac{\pm\sqrt{7}}{2} \), nhận \( m=-1 \).
Vậy có \( 3 \) giá trị \( m \) thỏa đề bài.
Ví dụ 7. Trên tập hợp số phức, cho phương trình \(z^2+bz+c=0\) với \(b, c\in \mathbb{R}\). Biết rằng hai nghiệm của phương trình có dạng \(w+3\) và \(3w-8i+13\) với \(w\) là một số phức. Tính \(S=b^2-c^3\).
A. \(S =-496\)
B. \(S =-26\)
C. \(S=0\)
D. \(S=8\)
Gọi \(z_1=w+3=m+ni\) và \(z_2=3w-8i+13=m-ni\), với \(m\), \(n\in\mathbb{R}\) là hai nghiệm phức của phương trình.
Vậy ta có \(w=m-3+ni=\displaystyle\frac{m-13}{3}+\displaystyle\frac{8-n}{3}i\Leftrightarrow\begin{cases}\displaystyle\frac{m-13}{3}=m-3\\ \displaystyle\frac{8-n}{3}=n\end{cases}\Leftrightarrow\begin{cases}m=-2\\ n=2.\end{cases}\)
Mặt khác ta có \(\begin{cases}z_1+z_2=-b=2m\\ z_1z_2=c=m^2+n^2\end{cases}\Leftrightarrow\begin{cases}b=4\\ c=8\end{cases}\).
Vậy ta suy ra \(S=b^2-c^3=-496\).
Ví dụ 8. Có bao nhiêu số thực \(m\) sao cho phương trình bậc hai \(2z^2 + 2(m - 1)z + 2m + 1 = 0\) có 2 nghiệm phức phân biệt \(z_1, z_2\) đều không phải là số thực và thỏa mãn \(|z_1| + |z_2| = \sqrt{10}\).
A. \(1\)
B. \(2\)
C. \(3\)
D. \(4\)
Do \(z_1, z_2\) không phải số thực nên \(z_1, z_2\) là các số phức liên hợp. Suy ra \(z_1z_2 = |z_1|^2=|z_2|^2\).
\[\begin{aligned} & |z_1| + |z_2| = \sqrt{10}\\ \Leftrightarrow & |z_1|^2 + |z_2|^2 + 2|z_1||z_2| = 10\\ \Leftrightarrow & 2z_1z_2 + 2|z_1z_2| = 10 \\ \Leftrightarrow & 2\displaystyle\frac{2m + 1}{2} + 2\left|\displaystyle\frac{2m + 1}{2}\right| = 10 \\ \Leftrightarrow & |2m + 1| = 9 -2m\\ \Leftrightarrow & m = 2. \end{aligned}\]
Với \( m= 2\), phương trình có 2 nghiệm \(z_1 = -\displaystyle\frac{1}{2} + \displaystyle\frac{3}{2}i\) và \(z_2 = - \displaystyle\frac{1}{2} - \displaystyle\frac{3}{2}i\) thỏa mãn yêu cầu bài toán.
Ví dụ 9. Cho số phức \(w\) và hai số thực \(a, b\). Biết \(z_1=w-2-3i\) và \(z_2=2w-5\) là hai nghiệm phức của phương trình \(z^2+az+b=0.\) Tính \(T=\left|z_1^2\right|+\left|z_2^2\right|.\)
A. \(T=4\sqrt{13}\)
B. \(T=10\)
C. \(T=5\)
D. \(T=25\)
Theo định lí Vi-ét \(\begin{cases}z_1+z_2=-a \quad (1) \\ z_1\cdot z_2=b\,\quad\quad (2).\end{cases}\)
Theo giả thiết \(\Rightarrow 2z_1-z_2=1-6i \quad (3).\) Từ \((1)\) và \((3)\Rightarrow \begin{cases}z_1=\displaystyle\frac{1-a}{3}-2i\\ z_2=-\displaystyle\frac{1+2a}{3}+2i.\end{cases}\)
Thay vào \((2)\Rightarrow \left(\displaystyle\frac{1-a}{3}-2i\right)\left(-\displaystyle\frac{1+2a}{3}+2i\right)=b\Leftrightarrow \displaystyle\frac{(a-1)(1+2a)}{9}+4+\displaystyle\frac{4+2a}{3}i=b.\)
Vì \(a, b\in \Bbb{R}\) nên \(\begin{cases}\displaystyle\frac{(a-1)(1+2a)}{9}+4=b\\ \displaystyle\frac{4+2a}{3}=0\end{cases}\Leftrightarrow \begin{cases}a=-2\\ b=5.\end{cases}\)
Khi đó \(z_1=1-2i\), \(z_2=1+2i\Rightarrow T=\left|z_1^2\right|+\left|z_2^2\right|=5.\)
Ví dụ 10. Cho phương trình \( x^2 - 2x + c = 0, (c \in \mathbb{R}, c > 1) \) có hai nghiệm phức \( z_1 \) và \( z_2 \). Biết rằng \( z_1 \) là số phức có phần ảo dương và \( |z_1| = 5 \sqrt{2} \). Tính \( | z_1 - z_2 | \).
A. \( 14 \)
B. \( 12 \)
C. \( 2 \sqrt{46} \)
D. \( 6 \)
Ta có \( \Delta' = 1 - c = \left ( \sqrt{c - 1} i \right )^2 \Rightarrow z_1 = 1 + \sqrt{c - 1}i.\)
Vì \( |z_1| = 5 \sqrt{2} \Rightarrow c = 50\). Do vậy ta có \( \begin{cases} z_1 = 1 + 7i \\ z_2 = 1 - 7i\end{cases}\Rightarrow |z_1 - z_2| = 14 \).
Dạng 4. Phương trình bậc cao
Ví dụ 1. Kí hiệu \(z_1, z_2, z_3, z_4\) là 4 nghiệm phức của phương trình \(z^4-5z^2-36=0\). Tính tổng \(T=|z_1|+|z_2|+|z_3|+|z_4|\).
A. \(T=6\)
B. \(T=-4\)
C. \(T=6+2\sqrt{3}\)
D. \(T=10\)
Ta có \(z^4-5z^2-36=0 \Leftrightarrow \left[\begin{aligned} &z^2=9\\ &z^2=-4\\ \end{aligned} \right.\).
Từ đó, phương trình đã cho có các nghiệm \(z_1=-3, z_2=3, z_3=2i, z_4=-2i\), do đó \(T=10\).
Ví dụ 2. Biết rằng phương trình \(z^4+z^3+2z^2+3z-3=0\) có hai nghiệm thuần ảo. Tích phần ảo của hai nghiệm đó bằng
A. \(-3i\)
B. \(3\)
C. \(-3\)
D. \(3i\)
Ta có \[z^4 + z^3 + 2z^2 + 3z - 3= 0 \Leftrightarrow (z^2 + 3)(z^2+z-1) = 0 \Leftrightarrow z = \pm \sqrt{3}i\ \vee\ z = \displaystyle\frac{-1 \pm\sqrt{5}}{2}.\]
Suy ra 2 nghiệm ảo của phương trình đã cho là \(-\sqrt{3}i\) và \(\sqrt{3}i\).
Vậy tích phần ảo của 2 nghiệm ảo là \(-\sqrt{3}\cdot \sqrt{3}=-3\).
Ví dụ 3. Cho \(a,\ b,\ c\) là các số thực sao cho phương trình \(z^3+az^2+bz+c=0\) có ba nghiệm phức lần lượt là \(z_1=\omega +3i\), \(z_2=\omega +9i\), \(z_3=2\omega -4\), trong đó \(\omega \) là một số phức nào đó. Tính giá trị của \(P=\left|a+b+c\right|\).
A. \(P=84\)
B. \(P=36\)
C. \(P=208\)
D. \(P=136\)
Giả sử \(\omega =x+yi\left(x,y\in \mathbb{R}\right)\), ta có:
\[\begin{aligned} z_1+z_2+z_3=-a \Leftrightarrow& 4\omega +12i-4=-a\\ \Leftrightarrow&(4x-4)+(4y+12)i=-a\\ \Leftrightarrow&\left\{\begin{aligned} 4x-4=-a \\ 4y+12=0 \end{aligned}\right. \Rightarrow y=-3. \end{aligned}\]
Suy ra \(z_1=x\), \(z_2=x+6i\), \(z_3=2x-4-6i\).
Lại có: \[\begin{aligned} &z_1z_2+z_2z_3+z_3z_1=b\\ \Leftrightarrow& (x^2+6xi)+(2x^2-4x+36)+(6x-24)i+(2x^2-4x)-6xi=b\\ \Leftrightarrow&(5x^2-8x+36)+(6x-24)i=b\\ \Leftrightarrow&\left\{\begin{aligned} &5x^2-8x+36=b \\ &6x-24=0 \end{aligned}\right.\\ \Leftrightarrow&\left\{\begin{aligned}&x=4 \\ &b=84\end{aligned}\right. \Rightarrow a=-12. \end{aligned}\]
Thay \(z_1=4\) vào phương trình, ta có: \(64-12\cdot 16+84\cdot 4+c=0 \Leftrightarrow c=-208\).
Vậy \(P=\left|a+b+c\right|=136\).
Ví dụ 4. Phương trình \(z^4=16\) có bao nhiêu nghiệm phức?
A. \(0\)
B. \(4\)
C. \(2\)
D. \(1\)
Ta có \[z^4=16 \Leftrightarrow \left[\begin{aligned}& z^2=4\\ & z^2=-4\end{aligned}\right. \Leftrightarrow \left[\begin{aligned}& z=\pm 2\\ & z=\pm 2i.\end{aligned}\right.\]
Vậy phương trình đã cho có \(4\) nghiệm phức.
Ví dụ 5. Gọi \(z_1\), \(z_2\), \(z_3\), \(z_4\) là bốn nghiệm phân biệt của phương trình \(z^4 + z^2 + 1=0\) trên tập số phức. Tính giá trị của biểu thức \(P = \left| z_1 \right|^2 + \left| z_2 \right|^2 + \left| z_3 \right|^2 + \left| z_4 \right|^2\).
A. \(2\)
B. \(8\)
C. \(6\)
D. \(4\)
Ta có \[\begin{aligned} & z^4 + z^2 + 1 = 0 \Leftrightarrow \left(z^2 + 1 \right)^2 - z^2 = 0 \Leftrightarrow (z^2 - z + 1)(z^2 + z+1) = 0 \\ \Leftrightarrow & z^2 - z +1 = 0 \ \vee\ z^2 + z + 1 = 0 \Leftrightarrow z = \displaystyle\frac{1}{2} \pm \displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}i \ \vee\ z = - \displaystyle\frac{1}{2} \pm \displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}i. \end{aligned}\]
Do đó \(P = 4\).
Ví dụ 6. Trên tập số phức, tích \(4\) nghiệm của phương trình \(x\left(x^2-1\right)\left(x+2\right)=24\) bằng
A. \(-24\)
B. \(-12\)
C. \(12\)
D. \(24\)
Gọi \(x_1\), \(x_2\), \(x_3\), \(x_4\) là 4 nghiệm của phương trình \(x\left(x^2-1\right)\left(x+2\right)=24\).
Như vậy ta có \((x-x_1)(x-x_2)(x-x_3)(x-x_4)=x(x^2-1)(x+2)-24=x^4+2x^3-x^2-2x-24\).
Đồng nhất hệ số tự do của hai vế suy ra \(x_1\cdot x_2\cdot x_3\cdot x_4=-24\).
Ví dụ 7. Cho phương trình \(z^4-2z^3+6z^2-8z+9=0\) có bốn nghiệm phức phân biệt là \(z_1, z_2, z_3, z_4\). Tính giá trị của biểu thức \(T = \left( z_1^2+4 \right)\left( z_2^2+4 \right)\left( z_3^2+4 \right)\left( z_4^2+4 \right).\)
A. \(T=1\)
B. \(T=0\)
C. \(T=2i\)
D. \(T=-2i\)
Đặt \(f(z)=z^4-2z^3+6z^2-8z+9\). Do phương trình \(f(z)=0\) có bốn nghiệm phức phân biệt \(z_1, z_2, z_3, z_4\), suy ra \(f(z)= (z-z_1)(z-z_2)(z-z_3)(z-z_4).\)
Ta có \[\begin{aligned} T =& \left( z_1^2+4 \right)\left( z_2^2+4 \right)\left( z_3^2+4 \right)\left( z_4^2+4 \right)\\ = & (z_1-2i)(z_1+2i)\cdot (z_2-2i)(z_2+2i) \cdot (z_3-2i)(z_3+2i) \cdot(z_4-2i)(z_4+2i)\\ =& (2i-z_1)(2i-z_2)(2i-z_3)(2i-z_4)\cdot (-2i-z_1)(-2i-z_2)(-2i-z_3)(-2i-z_4)\\ = & f(2i) \cdot f(-2i) =1. \end{aligned}\]
Ví dụ 8. Gọi \(z_1\), \(z_2\), \(z_3\), \(z_4\) là bốn nghiệm phân biệt của phương trình \(z^4+3z^2+4=0\) trên tập số phức. Tính giá trị của biểu thức \(T=|z_1|^2+|z_2|^2+|z_3|^2+|z_4|^2\).
A. \(T=8\)
B. \(T=6\)
C. \(T=4\)
D. \(T=2\)
\(z^4+3z^2+4=0\).
Đặt \(X=z^2\). Khi đó phương trình trở thành \(X^2+3X+4=0\)
Theo định lý Vi-ét ta có \(S=X_1+X_2=-3,\quad P=X_1\cdot X_2 =4.\)
Ta có: \(\overline{X_1}=X_2\).
\(P=X_1\cdot X_2=X_1\cdot \overline{X_1}=|X_1|^2=|z^2|^2=4\Rightarrow |z^2|=2\).
Do đó \(T=4\cdot |z^2|=4\cdot 2=8.\)
Ví dụ 9. Gọi \( z_{1}\), \(z_{2}\), \(z_{3}\), \(z_{4} \) là các nghiệm của phương trình \( z^4-4z^3+7z^2-16z+12=0 \). Tính biểu thức \( T=\left(z_{1}^2+4\right)\left(z_{2}^2+4\right)\left(z_{3}^2+4\right)\left(z_{4}^2+4\right) \).
A. \( T=2i \)
B. \( T=1\)
C. \( T=-2i \)
D. \(T=0\)
Ta có \( z^4-4z^3+7z^2-16z+12=0 \Leftrightarrow \left(z-1\right)\left(z-3\right)\left(z^2+4\right)=0\).
Do \( z_{1}, z_{2}, z_{3}, z_{4} \) là nghiệm của phương trình nên tồn tại \( z_{i} \) với \(i=1,2,3,4\) thỏa mãn \( z_{i}^2+4=0 \).
Vậy \( T=0 \).
Ví dụ 10. Trên tập số phức \(\mathbb{C}\), gọi \(z_1,~z_2\) và \(z_3\) là ba nghiệm của phương trình \(z^3-8z^2+37z-50=0\). Tính giá trị biểu thức \(P=|z_1|+|z_2|+|z_3|\).
A. \(P=10\)
B. \(P=9\)
C. \(P=11\)
D. \(P=12\)
Ta có \[\begin{aligned} &z^3-8z^2+37z-50=0\\ \Leftrightarrow & (z-2)(z^2-6z+25)=0\\ \Leftrightarrow & z=2\ \vee\ 3+4i\ \vee\ z=3-4i.\\ \end{aligned}\]
Vì trong \(P=|z_1|+|z_2|+|z_3|\) thì \(z_1,~z_2,~z_3\) có vai trò như nhau nên \[P=|z_1|+|z_2|+|z_3|=|2|+|3+4i|+|3-4i|=12.\]
Ví dụ 11. Gọi \(z_1\), \(z_2\), \(z_3\) là ba nghiệm phức của phương trình \(z^3+8=0\). Giá trị của \(\left|z_1\right|+\left|z_2\right|+\left|z_3\right|\) bằng
A. \(2+2\sqrt{3}\)
B. \(3\)
C. \(2+\sqrt{3}\)
D. \(6\)
Ta có \(z^3+8=0\Leftrightarrow (z+2)\left(z^2-2z+4\right)=0\Leftrightarrow z=-2\ \vee\ z^2-2z+4=0\Leftrightarrow z=-2\ \vee\ z=1-\sqrt{3}i\ \vee\ z=1+\sqrt{3}i.\)
Do đó \(\left|z_1\right|+\left|z_2\right|+\left|z_3\right|=6\).
Ví dụ 12. Kí hiệu \(z_1\), \(z_2\), \(z_3\), \(z_4\) là bốn nghiệm của phương trình \(z^4+z^2-6=0\). Tính \(S=\left|z_1\right|+\left|z_2\right|+\left|z_3\right|+\left|z_4\right|\).
A. \(S=2\sqrt{3}\)
B. \(S=2\left(\sqrt{2}-\sqrt{3}\right)\)
C. \(S=2\sqrt{2}\)
D. \(S=2\left(\sqrt{2}+\sqrt{3}\right)\)
Ta có \(z^4+z^2-6=0 \Leftrightarrow z^2=-3\ \vee\ z^2=2\Leftrightarrow z=\pm i\sqrt{3}\ \vee\ z=\pm \sqrt{2}\).
Do đó \(S=\left|z_1\right|+\left|z_2\right|+\left|z_3\right|+\left|z_4\right|=\left|-i\sqrt{3}\right|+\left|i\sqrt{3}\right|+\left|-\sqrt{2}\right|+\left|\sqrt{2}\right|=2\left(\sqrt{2}+\sqrt{3}\right)\).
Ví dụ 13. Trong \( \mathbb{C} \), phương trình \( z^3 + 1 = 0 \) có nghiệm là
A. \( -1; \displaystyle\frac{5}{4} \pm \displaystyle\frac{ \sqrt{3} }{4} i \)
B. \( -1; 1 \pm \displaystyle\frac{ \sqrt{3} }{2} i \)
C. \( -1; \displaystyle\frac{1}{2} \pm \displaystyle\frac{ \sqrt{3} }{2} i \)
D. \( -1; \displaystyle\frac{1}{4} \pm \displaystyle\frac{ \sqrt{5} }{4} i \)
\[\begin{aligned} z^3 + 1 = 0\Leftrightarrow\ &(z+1)(z^2 - z +1) = 0 \\ \Leftrightarrow\ &\left[\begin{aligned}& z = - 1 \\ & z = \displaystyle\frac{1}{2} - \displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2} i \\ & z = \displaystyle\frac{1}{2} + \displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2} i.\end{aligned}\right. \end{aligned}\]