Seja um número complexo de módulo unitário que satisfaz a condição , onde é um número inteiro positivo. Demonstre que é um número real.
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De acordo com a questão, z possui módulo unitário. Logo, podemos dizer que
$$ z = cis \alpha $$
Assim, substituiremos na equação dada:
$$ \frac{z^{n}}{(1+z^{2n})} = \frac{(cis \alpha)^{n}}{[1+(cis \alpha)^{2n}]} $$
Relembrando a 1ª Lei de Moivre, que afirma: $ z = \rho cis( \alpha) $ $ \therefore $ $ z^{n} = \rho^{n} cis(n \alpha) $. Podemos utilizá-la, logo:
$$ \frac{cis(n \alpha)}{[1+cis(2n \alpha)]} = \frac{cis(n \alpha)}{2\cos(n \alpha)cis(n \alpha)} = \frac{1}{2\cos(n \alpha)} $$
Assim, o resultado final que chegamos demonstra que a expressão dada pela questão é, sim, real!
Solução 3:
Vamos utilizar a forma exponencial dos números complexos. Podemos reescrever a equação dada como
$$\dfrac{z}{1 + z^{2n}} = \dfrac{e^{in\theta}}{1 + e^{2in\theta}}.$$
Vamos multiplicar e dividir o lado direito por $e^{in\theta}$ e obter que
$$\dfrac{e^{in\theta}}{1 + e^{2in\theta}} = \dfrac{1}{e^{-in\theta} + e^{in\theta}}$$
Utilizando as propriedades da forma trigonométrica e exponencial, temos que
$$\dfrac{1}{e^{-in\theta} + e^{in\theta}} = \dfrac{1}{2cos(n\theta)}$$
que pertence ao conjunto dos reais. Logo
$$\dfrac{z}{1 + z^{2n}}$$
é um número real.
Solução 2:
É possível resolver a mesma questão utilizando algumas propriedades mais básicas dos números complexos. Vale lembrar que para provar que um número complexo é real, basta mostrar que o número complexo é igual ao seu conjugado. Queremos provar que
$$\dfrac{z^{n}}{1+z^{2n}} = \overline{\left(\dfrac{z^{n}}{1 + z^{2n}}\right)}.$$
Para isso, vamos utilizar a informação do enunciado, que o módulo do complexo é unitário, ou seja, vamos trocar $z$ por $\frac{1}{\overline{z}}$.
$$\dfrac{z^{n}}{1+z^{2n}} = \dfrac{\dfrac{1}{\overline{z}^{n}}}{1 + \dfrac{1}{\overline{z}^{2n}}} = \overline{\left(\dfrac{z^{n}}{1 + z^{2n}}\right)}.$$
Logo,
$\dfrac{z^{n}}{1+z^{2n}}$ é um número real.