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Laðeralus
mensaje Mar 2 2023, 12:30 PM
Publicado: #1


Dios Matemático Supremo
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Sea TEX: $z \in \mathbb{C}$ tal que TEX: $\displaystyle \left| z + \frac{1}{z} \right|=1$. Calcule TEX: $\max |z|$

Se espera más de una solución
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sergio 77
mensaje Mar 2 2023, 06:31 PM
Publicado: #2


Dios Matemático
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TEX: <br />Denotemos $z=x+iy$. Notemos que la condición es equivalente a $|z^{2}+1|^{2}=|z|^{2}$. Ahora, $1+z^{2}=x^{2}+2ixy-y^2+1$. Luego, $|1+z^{2}|^{2}=(x^{2}-y^{2}+1)^{2}+(2xy)^{2}=x^{4}+y^{4}+2x^{2}y^{2}+2x^{2}-2y^{2}+1$ y por lo tanto la condición queda como $g(x,y):=x^{4}+y^{4}+2x^{2}y^{2}+x^{2}-3y^{2}+1=0$. Así, necesitamos maximizar $f(x,y):=x^{2}+y^{2}$ sujeto a $g(x,y)=0$. Para ello, usamos los multiplicadores de Lagrange y resolvemos el siguiente sistema para $(x,y,\lambda)$:<br />    \begin{align*}<br />    \begin{cases}<br />    \nabla f(x,y)=\lambda\nabla g(x,y)\\g(x,y)=0<br />    \end{cases}\Leftrightarrow \begin{cases}<br />    2x=\lambda (4x^{3}+4xy^{2}+2x)\\<br />    2y=\lambda (4y^{3}+4x^{2}y-6y)\\g(x,y)=0<br />    \end{cases}<br />    \end{align*}<br />    Si $x\neq 0$ e $y\neq 0$, entonces las primeras dos ecuaciones quedan como <br />    \begin{align*}<br />    \begin{cases}<br />    1=\lambda(2x^{2}+2y^{2}+2)\\<br />    1=\lambda (2y^{2}+2x^{2}-6)<br />    \end{cases}<br />    \end{align*}<br />    De donde $8\lambda=0$, por lo que $\lambda=0$, lo que contradice el sistema anterior. Luego, $x=0$ o $y=0$. Si $y=0$, entonces de la ecuación $g(x,y)=0$, se tiene que $x^{4}+x^{2}+1=0$, que es una contradicción. Por lo tanto, $x=0$. De la ecuación $g(x,y)=0$, se obtiene que $y^{4}-3y^{2}+1=0$. De donde $y^{2}=\dfrac{3\pm\sqrt{5}}{2}$. De esta forma, el máximo pedido es $\sqrt{x^{2}+y^{2}}=|y|=\sqrt{\dfrac{3+\sqrt{5}}{2}}$.<br />


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Tercer lugar Olimpiadas del Conocimiento Usach 2011 - Matemáticas
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Laðeralus
mensaje Mar 3 2023, 02:32 AM
Publicado: #3


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Es correcto smile.gif
Yo tengo 2 soluciones más, una usando polares, y otra usando desigualdades
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2.718281828
mensaje Mar 3 2023, 06:36 PM
Publicado: #4


Dios Matemático Supremo
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Aqui una solución usando mas variable compleja.

TEX: Lema 1:\\<br /><br />Sean $z,w \in \mathbb{C}$ entonces $|z+w|^2=|z|^2+|w|^2+2\textrm{Re}(z\overline{w})$.\\<br /><br />Demostración: Trivial usando $|z|^2=z\overline{z}$<br /><br />Lema 2:\\<br /><br />Sea $z \in \mathbb{C}$, entonces $\textrm{Re}(z^2)=2\textrm{Re}(z)^2-|z|^2$.\\<br /><br />Demostración: Se puede usar trigonometria pero eso es de C O L I P A T O (es bromita no me funen). Lo haremos sin siquiera mencionar trigonometría (yayayaya ok, es evidente la relacion con el coseno del doble del ángulo pero dejenme hacerlo lo mas variable compleja posible po oeeeeeeee). Notemos que $\textrm{Re}(z)=\dfrac{z+\overline{z}}{2}$, luego<br />$$\textrm{Re}(z^2)=\dfrac{z^2+\overline{z}^2}{2}=\dfrac{(z+\overline{z})^2-2z\overline{z}}{2}=2\textrm{Re}(z)^2-|z|^2$$<br /><br />Solución del ejercicio (Como diria JAV: con F R A C C I O N A R I O S,,, y ,,,, lapiz,,,, y papel, sin tener cononocimientos,,, de variable,,,, compleja,,, )<br /><br />Notemos que $$|z+1/z|^2=|z|^2+\frac{1}{|z|^2}+2\textrm{Re}(\dfrac{z^2}{|z|^2})$$<br />Definamos $w=z/|z|$ como el numero complejo unitario que representa la ''dirección'' de la variable compleja $z$ <br />Entonces<br />$$|z+1/z|^2=|z|^2+\frac{1}{|z|^2}+2\textrm{Re}(w^2)=|z|^2+\frac{1}{|z|^2}+4\textrm{Re}(w)^2-2|w|^2$$$$=|z|^2+\frac{1}{|z|^2}+4\textrm{Re}(w)^2-2=(z-\frac{1}{|z|})^2+4\textrm{Re}(w)^2$$<br />Ahora, como $|z+1/z|=1$, tenemos que $(|z|-\dfrac{1}{|z|})^2+4\textrm{Re}(w)^2=1$, del cual concluimos que $|\textrm{Re}|\leq 1/2$ (esto, es, el ángulo de $z$ varia entre $\pi/3$ y $2\pi/3$, y además $-2\pi/3$ y $-\pi/3$) para que la relación tenga sentido, y por lo tanto <br />$$(|z|-\dfrac{1}{|z|})^2=1-4\textrm{Re}(w)^2\leq 1$$, <br />

TEX: El máximo ocurre si $\textrm{Re}(w)=0$, es decir, si $z=\pm yi,y>0$ y de esta forma $|z|=y$, de modo que la ecuación se reduce a:<br />$$(y-1/y)^2=1$$<br />El cual es cláramente resuelta en los puntos $y=\phi,1/\phi$ siendo $\phi$ el numerito de oro $\phi=\dfrac{\sqrt{5}+1}{2}$, donde el máximo es en $y=\phi$. De esta manera $\max |z|$ en ese conjunto, es $\phi$

PD: Este sistema de látex que tiene FMAT me es molesto, perdón que se los diga. 18 años y la mayoría usa mathjax para escribir ecuaciones. Era razonable al principio, pero ahora me costó escribir un [tex] [\ tex] porque se bugea y se corta y aparte tuve que editar.


Mensaje modificado por 2.718281828 el Mar 3 2023, 06:53 PM


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Claudio Henriquez Tapia
Ingeniero Civil Matemático UTFSM y Prof. DMAT UTFSM
Candidato a Doctor en Estadística UC. Campus San Joaquin
Si todo sale bien, estaría defendiendo en Julio 2024.

[indent]
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Laðeralus
mensaje Mar 4 2023, 01:45 AM
Publicado: #5


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Aquí otra solución más.

TEX: Sea $z=r(\cos(\theta) + i \sin(\theta))$. Obviamente |z|=r. Calculemos TEX: $|z^2+1|$.

TEX: $|z^2+1| = |r^2(\cos(2\theta)+i\sin(2\theta))+1| = | r^2\cos(2\theta)+1 + ir^2\sin(2\theta) |$
TEX: $|z^2+1| = \sqrt{ (r^2\cos(2\theta)+1)^2 + (r^2\sin(2\theta))^2 } = \sqrt{r^4+2r^2\cos(2\theta)+1}$

Ahora bien, TEX: $\displaystyle \left| z+\frac{1}{z}\right| = \left|\frac{z^2+1}{z} \right| = \frac{|z^2+1|}{|z|} = \frac{\sqrt{r^4+2r^2\cos(2\theta)+1}}{r}$

Entonces TEX: $\displaystyle \left|z+\frac{1}{z} \right|=1 \Longrightarrow \frac{\sqrt{r^4+2r^2\cos(2\theta)+1}}{r} = 1$, que es equivalente a resolver TEX: $r^4 + r^2 (2\cos(2\theta)-1)+1=0$

Poner TEX: $u=r^2$. Entonces TEX: $u^2+(2\cos(2\theta)-1)u+1=0$. Luego TEX: $\displaystyle u = \frac{1-2\cos(2\theta) \pm \sqrt{(2\cos(2\theta)-1)^2-4}}{2}$

El máximo valor para TEX: $u$ se obtiene para la expresión TEX: $\displaystyle u = \frac{1-2\cos(2\theta) + \sqrt{(2\cos(2\theta)-1)^2-4}}{2}$, y aplica cuando TEX: $cos(2\theta)=-1$.

Así, TEX: $\displaystyle \max u =  \frac{1-2(-1) + \sqrt{(2(-1)-1)^2-4}}{2} = \frac{3+\sqrt{5}}{2}$.

Como TEX: $u=r^2$, entonces TEX: $\displaystyle \max r = \sqrt{\frac{3+\sqrt{5}}{2}}=\phi$. Y así, TEX: $\displaystyle \max |z| = \max r = \phi$
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Matriu
mensaje Mar 7 2023, 09:08 PM
Publicado: #6


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TEX: $|z| \leq | z+\frac{1}{z} |+ \frac{1}{|z|}=1+\frac{1}{|z|}$. Entonces TEX:  $ |z|^2 -|z|+1 \leq 0. $
Por lo tanto, TEX:  $|z| \in [(1-\sqrt{5})/2,(1+\sqrt{5})/2]$ , de donde se sigue que TEX: $\max|z|=\frac{1+\sqrt{5}}{2}$.


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