2008 AMC 12A 第 23 题

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23.

方程 z4+4z3i6z24zii=0z^4 + 4z^3 i - 6z^2 - 4zi - i = 0 的解是复平面中一个凸多边形的顶点。该多边形面积是多少?

The solutions of the equation z4+4z3i6z24zii=0z^4 + 4z^3 i - 6z^2 - 4zi - i = 0 are the vertices of a convex polygon in the complex plane. What is the area of the polygon?

2582^{\frac{5}{8}}

2342^{\frac{3}{4}}

22

2542^{\frac{5}{4}}

2322^{\frac{3}{2}}

答案:D
知识点:二项式定理复数单位根
难度评级:2240
小提示:

两边加上 1+i1 + i,识别一个四次幂。

Add 1+i1 + i to both sides to recognize a perfect fourth power

大提示:

z+iz + i 的四个值等距分布在半径 2182^{\frac{1}{8}} 的圆上,形成一个正方形。

The four values of z+iz + i lie equally spaced on a circle of radius 218,2^{\frac{1}{8}}, forming a square

解答:

两边加上 1+i1 + i,左边变为 z4+4z3i6z24zi+1=(z+i)4 \begin{aligned} &z^4 + 4z^3 i - 6z^2 - 4zi + 1 \\ &= (z + i)^4 \end{aligned}\text{,} 所以 (z+i)4=1+i(z + i)^4 = 1 + i

w=z+iw = z + i。四个解等距分布在半径 1+i14=(212)14=218|1 + i|^{\frac{1}{4}} = (2^{\frac{1}{2}})^{\frac{1}{4}} = 2^{\frac{1}{8}} 的圆上,形成正方形;减去 ii 只会平移图形。

该正方形的外接圆半径为 2182^{\frac{1}{8}},所以对角线为 2218=2982 \cdot 2^{\frac{1}{8}} = 2^{\frac{9}{8}},边长为 2982=258\tfrac{2^{\frac{9}{8}}}{\sqrt{2}} = 2^{\frac{5}{8}}

面积为 (258)2=254 \left(2^{\frac{5}{8}}\right)^2 = 2^{\frac{5}{4}}\text{。}

所以正确答案是 D

Adding 1+i1 + i to both sides, the left side becomes z4+4z3i6z24zi+1=(z+i)4, \begin{aligned} &z^4 + 4z^3 i - 6z^2 - 4zi + 1 \\ &= (z + i)^4, \end{aligned} so (z+i)4=1+i.(z + i)^4 = 1 + i.

The four solutions for w=z+iw = z + i are equally spaced on a circle of radius 1+i14=(212)14=218,|1 + i|^{\frac{1}{4}} = (2^{\frac{1}{2}})^{\frac{1}{4}} = 2^{\frac{1}{8}}, and they form a square. Subtracting ii merely translates it.

A square inscribed in a circle of radius 2182^{\frac{1}{8}} has diagonal 2218=298,2 \cdot 2^{\frac{1}{8}} = 2^{\frac{9}{8}}, so its side is 2982=258.\tfrac{2^{\frac{9}{8}}}{\sqrt{2}} = 2^{\frac{5}{8}}.

The area is (258)2=254. \left(2^{\frac{5}{8}}\right)^2 = 2^{\frac{5}{4}}.

Thus, D is the correct answer.

第 22 题#22
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