已知复数 $z$ 满足 $|z|=1$,则 $\big|z^3+3z+2{\mathrm i}\big|$ 的最大值是
【难度】
【出处】
【标注】
  • 知识点
    >
    复数
    >
    复数的运算
    >
    共轭复数
  • 知识点
    >
    微积分初步
    >
    利用导数研究函数的性质
    >
    利用导数研究函数的最值
【答案】
$3\sqrt 3$
【解析】
由于 $\big|z^3+3z+2{\mathrm i}\big|=\big|(z{\mathrm i})^3-3(z{\mathrm i})+2\big|$,因此问题等价于已知 $|z|=1$,求 $\big|z^3-3z+2\big|$ 的最大值.利用共轭复数,有\[\begin{split} \big|z^3-3z+2\big|^2&=\left(z^3-3z+2\right)\cdot\left(\overline z^3-3\overline z+2\right)\\ &=14+2\left(z^3+\overline z^3\right)-3\left(z^2+\overline z^2\right)-6\left(z+\overline z\right) \\ &=14+2\left(z+\overline z\right)\cdot\left[\left(z+\overline z\right)^2-3z\cdot \overline z\right]-3\left[\left(z+\overline z\right)^2-2z\cdot \overline z\right]-6\left(z+\overline z\right)\\ &=2x^3-3x^2-12x+20,\end{split}\]其中 $x=z+\overline z=2{\mathrm Re}(z)$,且 $x\in [-2,2]$,设 $f(x)=2x^3-3x^2-12x+20$,则$$f'(x)=6(x+1)(x-2),$$于是当 $x=-1$ 时,$f(x)$ 取得最大值为 $27$.因此原式的最大值为 $3\sqrt 3$,当 $z=-\dfrac 12\pm \dfrac{\sqrt 3}2{\mathrm i}$ 时取得.
题目 答案 解析 备注
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