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まず“式カード”で要点をつかむ

\[ z = x + i y,\quad i^2 = -1,\quad \overline{z} = x - i y \tag{1} \]

意味:\(x=\Re z\)(実部)、\(y=\Im z\)(虚部)。\(\overline{z}\) は共役。

計測:物理量として観測されるのは一般に実部。虚部は位相情報の担い手です。

\[ z = r\bigl(\cos\theta + i\sin\theta\bigr)= r e^{i\theta},\quad r=|z|=\sqrt{x^2+y^2},\quad \theta=\arg z \tag{2} \]

意味:大きさ \(r\) と位相 \(\theta\) で表す形。計算や合成が直観的になります。

単位:\(\theta\) は基本的にラジアン(rad)。度(°)表示は見やすさのための便宜です。

\[ e^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta \tag{3} \]

意味:単位円上の回転(位相変化)を指数関数で表す対応。

可視化:下のキャンバスで \(\Re=e^{i\theta}\) の実部・虚部を確認できます。

\[ z_1 z_2 = r_1 r_2 e^{i(\theta_1+\theta_2)},\qquad \frac{z_1}{z_2} = \frac{r_1}{r_2} e^{i(\theta_1-\theta_2)} \tag{4} \]

意味:大きさは掛け算/割り算、位相は加算/減算。合成・分解が容易。

\[ e^{(\sigma+i\omega)t}=e^{\sigma t}\bigl\{\cos(\omega t)+i\sin(\omega t)\bigr\} \tag{5} \]

意味:\(\sigma\) は増減率、\(\omega\) は角周波数(rad·s\(^{-1}\))。減衰や発振の表現で多用。

単位:\(\omega=2\pi f\)(\(f\) は Hz)。

操作のヒント:式カードはクリック/Enterで拡大できます(数式をさらに大きく)。

複素数の基本

項目ポイント
直交形式 \( z = x + i y\), \(i^2=-1\) 実軸・虚軸で直観的に扱う
極形式 \( z = r(\cos\theta+i\sin\theta)=re^{i\theta}\) \(r=|z|\)、\(\theta=\arg z\)。計算が簡潔
共役 \( \overline{z}=x-iy\), \(|z|^2=z\overline{z}\) 実数化や安定化でよく使う
積・商 式(4) 参照 位相が加減されるのが要点
複素指数 式(5) 参照 減衰振動や交流解析に必須
角度の単位 内部計算はラジアン。表示のみ切替えます。

直交(\(x+iy\))↔ 極形式(\(r∠\theta\))

\(r=|z|\)、\(\theta=\mathrm{atan2}(y,x)\)。\(\theta\) の表示単位は上のセレクタで切替。

複素数の演算(結果は直交・極の両方で表示)

掛け算・割り算は極形式だと「大きさは積/商、位相は和/差」。誤差に強く、見通しが良くなります。

z1 と z2 を入力

オイラーの公式:\(e^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta\)

30° → \(\Re\):、\(\Im\):

単位円上の点 \(e^{i\theta}\) が回転(位相変化)を表します。実部が \(\cos\theta\)、虚部が \(\sin\theta\)。

フェーザ合成(\(A∠\phi\) と \(B∠\psi\) の和)

各フェーザを実軸・虚軸へ分解してベクトル和。合成の大きさ・位相を表示します。

A∠φ + B∠ψ = 実軸・虚軸に分解してからベクトル和。

EIS の最小例:直列 R–C のインピーダンス

角周波数 \(\omega=2\pi f\)。ナイキスト図では \((\Re Z, -\Im Z)\) を用います。

式:\(Z = R + \dfrac{1}{i\omega C} = R - i\dfrac{1}{\omega C}\)。

練習問題(解答はクリックで表示)

Q1:\(z=1+i\sqrt{3}\) を極形式で。

A:\(r=2\)、\(\theta=60^\circ\) → \(z=2e^{i\pi/3}\)

Q2:\(2∠30^\circ\) と \(3∠45^\circ\) の積。

A:大きさ \(6\)、位相 \(75^\circ\) → \(6∠75^\circ\)

Q3:\(\theta=120^\circ\) のとき \(e^{i\theta}\) の実部・虚部。

A:\(\cos120^\circ=-1/2\)、\(\sin120^\circ=\sqrt{3}/2\)

Q4:フェーザ \(1∠0^\circ\) と \(1∠90^\circ\) の和の大きさ・位相。

A:\(\sqrt{2}\)、\(45^\circ\)

Q5:R=100 Ω、C=1 μF、f=1.0 kHz。\(Z\) の実部・虚部。

A:\(\omega=2\pi×10^3\)、\(\Im Z = -1/(\omega C) \approx -159.15\ \Omega\)、\(\Re Z = 100\ \Omega\)