Precálculo · Semana 14 · Stewart §3.4–3.5 · Larson §2.4–2.5

Números complejos y factorización compleja

Sesión guiada de unos 108 minutos, a ritmo lento-normal. Avanza módulo por módulo, resuelve los ejercicios y usa las pistas cuando las necesites.

Inicio: ¿para qué sirven los números complejos? 5 min

Hasta ahora trabajamos en $\mathbb R$, pero ecuaciones tan simples como $x^2+1=0$ no tienen solución real. Al ampliar $\mathbb R$ a $\mathbb C$, el álgebra queda completa: todo polinomio se puede factorizar.

En ingeniería de sistemas y electrónica aparecen en:

Ruta de la sesión

MóduloTemaTiempoEjercicios
1Unidad imaginaria y potencias de $i$12 min
2Forma estándar, conjugado, módulo y plano de Argand15 min
3Operaciones: suma, producto y división15 min
4Ejemplo resuelto 1 y aplicación a impedancias12 min
5Teorema Fundamental del Álgebra y ceros conjugados15 min
6Ejemplo resuelto 2: factorizar un polinomio de grado 410 min
7Cuidado con…: tres errores frecuentes6 min
8Autoevaluación y metacognición15 min
9Ruta para continuar en casa3 min—
Total (más 5 min de inicio)108 min

Consejo: haz una pausa de 5 minutos después del módulo 4. Tu progreso se guarda en este navegador.

Módulo 1: Unidad imaginaria y potencias de $i$ 12 min

Al terminar podrás: usar $i^2=-1$, simplificar raíces de números negativos y calcular cualquier potencia de $i$.

1.1 La unidad imaginaria

Definimos $i$ como el número que cumple $i^2=-1$, es decir, $i=\sqrt{-1}$. Para $a>0$:

$$\sqrt{-a}=i\sqrt{a}$$

Un número de la forma $bi$ con $b\ne0$ real se llama imaginario puro.

Prueba: simplifica $\sqrt{-n}$

1.2 Potencias de $i$: un ciclo de 4

$i^1=i,\quad i^2=-1,\quad i^3=-i,\quad i^4=1$, y luego se repite. Para $i^k$ se divide $k$ entre 4 y se usa el residuo $r$:

$$i^{4q+r}=(i^4)^q\cdot i^r=i^r$$

Prueba: calcula $i^n$

⏸ Piensa un momento: sin usar la herramienta, ¿cuánto vale $i^{100}$? (Pista: $100$ es múltiplo de 4.)

Practica

Módulo 2: Forma estándar, conjugado, módulo y plano de Argand 15 min

Al terminar podrás: identificar $\operatorname{Re}(z)$ e $\operatorname{Im}(z)$, hallar el conjugado y el módulo, y ubicar números en el plano complejo.

2.1 La forma estándar $z=a+bi$

2.2 Conjugado y módulo

$$\bar z=a-bi,\qquad z\cdot\bar z=a^2+b^2\ge0,\qquad |z|=\sqrt{a^2+b^2}=\sqrt{z\bar z}$$

El módulo es la distancia de $z$ al origen en el plano de Argand: $\operatorname{Re}$ en el eje horizontal e $\operatorname{Im}$ en el vertical.

Explora: mueve $z_1$ y $z_2$

Cambia los valores o haz clic en el plano para mover $z_1$ (se redondea a 0.5). Observa cómo el conjugado es el reflejo respecto al eje real.

$z_1$
$z_2$

■ $z_1$   ■ $z_2$   ■ $z_1+z_2$   ■ conjugado de $z_1$ (punteado)

Practica

Módulo 3: Operaciones con complejos 15 min

Al terminar podrás: sumar, restar, multiplicar y dividir complejos mostrando el procedimiento.

Calculadora con pasos

Escribe los números como 2-3i, 1/2+i o √-4.

⏸ Piensa un momento: antes de calcular una división con la herramienta, intenta predecir la parte real del resultado y compárala.

Practica

Módulo 4: Ejemplo resuelto 1 y aplicación a impedancias 12 min

Al terminar podrás: combinar raíces negativas, potencias de $i$ y divisiones en un solo cálculo, y aplicarlo a circuitos.

4.1 Ejemplo resuelto (paso a paso)

Calcula y escribe en forma $a+bi$:

$$E=\sqrt{-12}\cdot\sqrt{-3}+\frac{i^{27}+i^{10}}{2-i}$$

⏸ Intenta resolverlo primero en tu cuaderno. Luego revisa cada paso.

4.2 Aplicación: impedancias en paralelo

Dos elementos de un circuito AC con impedancias $Z_1=2-3i\ \Omega$ y $Z_2=1+i\ \Omega$ están en paralelo. La impedancia equivalente es:

$$Z_{eq}=\frac{Z_1Z_2}{Z_1+Z_2}$$

Calculadora de impedancias en paralelo

La parte real de $Z_{eq}$ es la resistencia equivalente y la parte imaginaria la reactancia. El módulo $|Z_{eq}|$ indica la oposición total al paso de la corriente.

Practica

Módulo 5: Teorema Fundamental del Álgebra y ceros conjugados 15 min

Al terminar podrás: enunciar el TFA, factorizar completamente sobre $\mathbb C$ y obtener la factorización irreducible sobre $\mathbb R$.

Teorema Fundamental del Álgebra (Gauss). Todo polinomio de grado $n\ge1$ con coeficientes complejos tiene al menos un cero complejo.

Factorización completa. Si $P$ tiene grado $n\ge1$ y coeficiente principal $a_n$:

$$P(x)=a_n(x-c_1)(x-c_2)\cdots(x-c_n)$$

donde $c_1,\dots,c_n$ son los ceros (puede haber repetidos). Es decir, $P$ tiene exactamente $n$ ceros contando multiplicidades.

Teorema de ceros conjugados. Si $P$ tiene coeficientes reales y $a+bi$ es un cero, entonces $a-bi$ también lo es.

Factorización irreducible sobre $\mathbb R$. Con coeficientes reales, $P$ se escribe como producto de factores lineales y de cuadráticos irreducibles (discriminante $\Delta<0$): cada par conjugado $(x-z)(x-\bar z)$ se agrupa en un cuadrático real.

Explorador de polinomios

Escribe un polinomio en $x$ (grado 1 a 8), por ejemplo x^3 - 2x^2 + 9x - 18.

Ejemplos:

⏸ Piensa un momento: prueba $x^2-ix+2$. ¿Sus ceros son conjugados entre sí? ¿Por qué no se contradice el teorema?

Practica

Módulo 6: Ejemplo resuelto 2 — factorizar un polinomio de grado 4 10 min

Al terminar podrás: usar un cero conocido, su conjugado y la división de polinomios para factorizar completamente.

Sea $P(x)=x^4-2x^3+6x^2-2x+5$ y se sabe que $x=i$ es un cero. Halla todos los ceros y factoriza $P$ sobre $\mathbb C$ y sobre $\mathbb R$.

⏸ Antes de empezar, anota tu estrategia: ¿qué teorema te da un segundo cero sin trabajar?

Verifica un cero

Comprueba si un número es cero de un polinomio evaluándolo.

Practica

Módulo 7: Cuidado con… 6 min

Tres errores muy frecuentes. Léelos y comprueba tu comprensión.

⚠ 1. Raíces de negativos y la regla $\sqrt a\sqrt b=\sqrt{ab}$

$\sqrt{-4}\cdot\sqrt{-9}=(2i)(3i)=-6$, no $\sqrt{36}=6$. La regla solo vale si al menos uno de los radicandos es no negativo. Primero se escribe cada raíz como $bi$.

⚠ 2. La parte imaginaria es un número real

En $z=4-5i$: $\operatorname{Im}(z)=-5$, no $-5i$.

⚠ 3. Ceros conjugados: solo con coeficientes reales

El teorema exige que todos los coeficientes sean reales. Contraejemplo: $P(x)=x^2-ix+2$ tiene ceros $2i$ y $-i$, que no son conjugados. Compruébalo en el explorador del módulo 5.

Comprueba

Módulo 8: Autoevaluación y metacognición 15 min

8.1 Ejercicios integradores

Resuelve en tu cuaderno y luego verifica aquí. Antes de pedir la solución, usa las pistas.

8.2 Banco de preguntas (orden aleatorio)

Una sola oportunidad por pregunta. Al final verás tu resultado.

8.3 Reflexión

  • ¿Qué paso fue el más difícil para ti: potencias de $i$, división o factorización?
  • ¿Qué error del módulo 7 podrías cometer en un examen?
  • Explica con tus palabras por qué un polinomio real de grado impar siempre tiene al menos un cero real.

Ruta para continuar en casa 3 min

«La matemática es el arte de dar el mismo nombre a cosas diferentes.» — Henri Poincaré