式の値が実数・純虚数となる点 z 全体を図示する(B)
★★★☆☆☆☆(共通テスト) / 作成者: shonan / 2026/10/27
🔁 類題: 式の値が実数・純虚数となる点 z 全体を図示する(A) (★★★☆☆☆☆(共通テスト))
問題
$z\neq 2$ とする.$w=\dfrac{z-2i}{z-2}$ について,次の条件を満たす点 $z$ 全体を複素数平面上に図示せよ.
\begin{enumerate}
\item[(1)] $w$ が実数
\item[(2)] $w$ が純虚数
\end{enumerate}
$\mathrm{A}(2)$,$\mathrm{B}(2i)$,$\mathrm{P}(z)$ とすると,$z\neq 2i$ のとき $w$ の偏角は $\overrightarrow{\mathrm{PA}}$ から $\overrightarrow{\mathrm{PB}}$ への回転角を表す($\arg w=\arg\dfrac{2i-z}{2-z}$).
(1) $w$ が実数であるための条件は $\overline{w}=w$
\[ \frac{\overline{z}+2i}{\overline{z}-2}=\frac{z-2i}{z-2} \]
分母を払って整理すると $(\overline{z}+2i)(z-2)=(z-2i)(\overline{z}-2)$
\[ -2\overline{z}+2iz-4i=-2z-2i\overline{z}+4i \]
整理すると $2(z-\overline{z})+2i(z+\overline{z})=8i$
$z=x+yi$($x$,$y$ は実数)とおくと,$z-\overline{z}=2yi$,$z+\overline{z}=2x$ であるから
\[ 4yi+4xi=8i \quad\text{すなわち}\quad x+y=2 \]
よって点 $z$ は直線 $x+y=2$ 上にある(ただし $z\neq 2$).これは 2 点 $\mathrm{A}$,$\mathrm{B}$ を通る直線から点 $\mathrm{A}$ を除いたものである($z=2i$ のときは $w=0$ で実数).
(2) $w$ が純虚数であるための条件は,$w\neq 0$ かつ $\arg w=\pm\dfrac{\pi}{2}$,すなわち $\angle\mathrm{APB}=90^\circ$ である.よって点 $z$ は線分 $\mathrm{AB}$ を直径とする円周上の,$\mathrm{A}$,$\mathrm{B}$ 以外の点である.
線分 $\mathrm{AB}$ の中点は $1+i$,$\mathrm{AB}=|2i-2|=2\sqrt{2}$ であるから,点 $z$ は点 $1+i$ を中心とする半径 $\sqrt{2}$ の円を描く.ただし,2 点 $2$,$2i$ を除く.
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