Exercise 1.3: Calculating with Complex Numbers
From LNTwww
The diagram to the right shows some points in the complex plane, namely
- z1=e−j⋅45∘,
- z2=2⋅ej⋅135∘,
- z3=−j.
In the course of this task, the following complex values will be considered:
- z4=z22+z23,
- z5=1/z2,
- z6=√z3,
- z7=ez2,
- z8=ez2+ez⋆2.
Notes:
- This exercise belongs to the chapter Calculating With Complex Numbers.
- The topic is also covered in the teaching video Rechnen mit komplexen Zahlen .
Questions
Solution
(1) Correct are the solutions 1 and 2:
- The following applies with Euler's theorem:
- 2⋅z1+z2=2⋅cos(45∘)−2⋅j⋅sin(45∘)−2⋅cos(45∘)+2⋅j⋅sin(45∘)=0.
- The second option is also correct, because
- z⋆1⋅z2=1⋅ej⋅45∘⋅2⋅ej⋅135∘=2⋅ej⋅180∘=−2.
- In contrast, the third option is wrong. The division of z1 and z2 yields:
- z1z2=e−j⋅45∘2⋅ej⋅135∘=0.5⋅e−j⋅180∘=−0.5.
- The multiplication by z3=−j leads to the result j/2, i.e. to a purely imaginary quantity.
(2) Das Quadrat von z2 hat den Betrag |z2|2 und die Phase 2⋅ϕ2:
- z22=22⋅ej⋅270∘=4⋅e−j⋅90∘=−4⋅j.
- Entsprechend gilt für das Quadrat von z3:
- z23=(−j)2=−1.
- Somit ist x_4 =\underline{ –1} und y_4 = \underline{–4}.
(3) Durch Anwendung der Divisionsregel erhält man:
- z_5 = {1}/{z_2} = \frac{1}{2 \cdot{\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} 135^{ \circ}}}= 0.5 \cdot{\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} 135^{ \circ}} = 0.5 \cdot \big[ \cos (- 135^{ \circ}) + {\rm j} \cdot \sin (- 135^{ \circ})\big]
- \Rightarrow \ x_5 = - {\sqrt{2}}/{4}\hspace{0.15cm}\underline{= -0.354},\hspace{0.5cm} y_5 = x_5 \hspace{0.15cm}\underline{= -0.354}.
(4) Die angegeben Beziehung für z_6 kann wie folgt umgeformt werden: z_6^2 = {z_3} = {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} 90^{ \circ}}.
- Man erkennt, dass es zwei Möglichkeiten für z_6 gibt, die diese Gleichung erfüllen:
- z_6 \hspace{0.1cm}{\rm (1.\hspace{0.1cm} L\ddot{o}sung)}\hspace{0.1cm} = \frac{z_2}{2} = 1 \cdot {\rm e}^{{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}135^{ \circ}} \hspace{0.2cm}\Rightarrow \hspace{0.2cm} \phi_6 \hspace{0.15cm}\underline{= 135^{ \circ}},
- z_6 \hspace{0.1cm}{\rm (2.\hspace{0.1cm} L \ddot{o}sung)}\hspace{0.1cm} = {z_1} = 1 \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}45^{ \circ}} \hspace{0.2cm}\Rightarrow \hspace{0.2cm} \phi_6 \hspace{0.15cm}\underline{=-45^{ \circ}}.
(5) Die komplexe Größe z_2 lautet in Realteil/Imaginärteildarstellung:
- z_2 = x_2 + {\rm j} \cdot y_2 = -\sqrt{2} + {\rm j} \cdot\sqrt{2}.
- Damit ergibt sich für die komplexe Exponentialfunktion:
- z_7 = {\rm e}^{-\sqrt{2} + {\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sqrt{2}}= {\rm e}^{-\sqrt{2} } \cdot \big[ \cos (\sqrt{2}) + {\rm j} \cdot \sin (\sqrt{2})\big].
- Mit {\rm e}^{-\sqrt{2} } = 0.243, \hspace{0.4cm} \cos (\sqrt{2}) = 0.156, \hspace{0.4cm} \sin (\sqrt{2}) = 0.988 erhält man somit:
- z_7 = 0.243 \cdot \left( 0.156 + {\rm j} \cdot 0.988\right) \hspace{0.15cm}\underline{= 0.038 + {\rm j} \cdot 0.24}.
(6) Ausgehend vom Ergebnis der Teilaufgabe (4) erhält man für z_8:
- z_8 = {\rm e}^{-\sqrt{2} } \cdot \big[ \cos (\sqrt{2}) + {\rm j} \cdot \sin (\sqrt{2}) + \cos (\sqrt{2}) - {\rm j} \cdot \sin (\sqrt{2})\big] = 2 \cdot {\rm e}^{-\sqrt{2} } \cdot \cos (\sqrt{2}) = 2 \cdot x_7 \hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm} x_8 \hspace{0.15cm}\underline{= 0.076}, \hspace{0.4cm}y_8\hspace{0.15cm}\underline{ = 0}.