2.2

משוואות מסדר שני

מספרים מרוכבים — הכלים החשובים

Key Facts About Complex Numbers

מודול, פאזה, נוסחת אוילר ושורשים מרוכבים כשפה טבעית לתנודות.

יחידת לימוד עצמאיתשיעור 2 מתוך 7כ־55 דקות כולל תרגול4 מטרות למידה
  1. 1
    נקודת פתיחהמה כבר ידוע ומה השאלה?
  2. 2
    ניבוימה יקרה במקרה הפשוט?
  3. 3
    המחשהמה באמת משתנה בתמונה?
  4. 4
    ניסוח והצדקהשם, נוסחה ולמה היא נכונה
  5. 5
    בדיקהדוגמה, תרגול ומשוב
  6. 6
    העברהמקרה חדש והמשך המסלול

שאלה לפני נוסחה

מה אנחנו מנסים לראות?

לעבור בין הצגה קרטזית לפולרית, להשתמש בצמוד ובנוסחת אוילר ולהפוך מעריכים מרוכבים לתנודות ממשיות.

מספר מרוכב מתאר שינוי קנה מידה וסיבוב: הערך המוחלט הוא האורך והארגומנט הוא הזווית. בכפל מכפילים אורכים ומחברים זוויות.

לפני ההמחשה: קראו רק את הכותרת “נקודה, אורך וזווית”. מה לדעתכם ישתנה, מה יישאר קבוע, ואיזה סימן בתמונה יוכל להפריך את הניבוי?

לראות לפני שמחשבים · המקרה הפשוט ביותר

נקודה, אורך וזווית

מספר, צמוד ושלושה שורשים במישור המרוכבImRezz̄צמוד = שיקוף ביחס לציר הממשיImReשורשי z³=−8i: מרווח של 2π/3
עקבו מהצורה הראשונית אל התוצאה

המישור המרוכב מציג מספר, את הצמוד שלו ואת הווקטור הפולרי; מעגל נוסף מראה כיצד שורשים של אותה חזקה מתחלקים בזוויות שוות.

מה כדאי לגלות: השוו את z לצמוד שלו: מה נשמר באורך ומה קורה לסימן הזווית? אחר כך בדקו מדוע שלושת השורשים שעל המעגל יוצרים משולש שווה־צלעות.

אחרי שראינו

בסוף השיעור תוכלו

  • לבצע חיבור, כפל וחילוק של מספרים מרוכבים ולהציג אותם במישור המרוכב.
  • לעבור בין z=a+ib לבין z=reⁱᶿ בלי לאבד את הרבע שבו נמצאת הזווית.
  • לחשב חזקות ושורשים בעזרת מודול וזווית ולהסביר מדוע השורשים מפוזרים באופן שווה.
  • להפוך זוג מעריכים צמודים לפתרון ממשי הבנוי מסינוס וקוסינוס.

נותנים שמות למה שראינו

מושגים שנשתמש בהם

היחידה המדומה i
מספר המוגדר באמצעות i²=−1; הוא מאפשר לכתוב שורשים של מספרים שליליים.
חלק ממשי וחלק מדומה
ב־z=a+ib, המספר a הוא החלק הממשי ו־b הוא מקדם החלק המדומה.
המישור המרוכב
מערכת צירים שבה a נמצא על הציר האופקי ו־b על הציר האנכי.
מודול |z|
המרחק של z מן הראשית: |z|=√(a²+b²).
ארגומנט arg(z)
זווית הכיוון של z≠0; היא מוגדרת עד כדי הוספת כפולה של 2π.
צמוד z̄
המספר a−ib, שהוא השתקפות של a+ib ביחס לציר הממשי.
הצגה פולרית
הצגה z=reⁱᶿ המפרידה בין אורך r לבין סיבוב θ.

מהמילים אל הסימנים

כותבים את הפעולה שכבר ראינו

פתחו את הנוסחה רק אחרי שאתם יכולים לומר במילים מה כל פעולה אמורה לעשות. בשלב הבא נצדיק אותה צעד אחר צעד.

להצגת נוסחת המפתחקראו כל סימן כפעולה, לא כמשהו שצריך לשנןeⁱᶿ = cos θ + i sin θ

מרכיבים את הפעולות

מהתמונה אל הנוסחה — הגזירה, בלי לדלג על הצעדים

  1. מרחיבים את ציר המספרים למישור

    מגדירים i²=−1 וכותבים z=a+ib. חיבור נעשה רכיב־רכיב; בכפל פותחים סוגריים ומחליפים i² ב־−1.

    (a+ib)+(c+id)=(a+c)+i(b+d) ; (a+ib)(c+id)=(ac−bd)+i(ad+bc)
  2. הצמוד מאפשר לחלק

    הצמוד מחליף את סימן החלק המדומה. מכפלת מספר בצמוד שלו ממשית ושווה לריבוע המודול, ולכן אפשר להפוך מכנה מרוכב למכנה ממשי.

    z̄=a−ib, z z̄=a²+b²=|z|², 1/z=z̄/|z|² (z≠0)
  3. עוברים מאורך ורכיבים לאורך וזווית

    ל־z≠0 מחשבים r=√(a²+b²) ואת הזווית θ בעזרת atan2(b,a), ששומרת את הרבע. המספר אפס בעל מודול אפס אך אין לו זווית יחידה.

    a=r cosθ, b=r sinθ, z=r(cosθ+i sinθ)

    עוצרים לחשוב: arctan(b/a) לבדו אינו מבחין, למשל, בין הרבע הראשון לשלישי.

  4. נוסחת אוילר אורזת סיבוב

    נוסחת אוילר מזהה את הנקודה על מעגל היחידה עם מעריך מדומה. מכאן מתקבלת ההצגה הפולרית z=reⁱᶿ.

    eⁱᶿ=cosθ+i sinθ, z=reⁱᶿ
  5. כפל מחבר זוויות

    כאשר כופלים שתי הצגות פולריות, המודולים מוכפלים והמעריכים מתחברים. לכן כפל במספר מרוכב הוא מתיחה וסיבוב בו־זמנית.

    (r₁eⁱᶿ¹)(r₂eⁱᶿ²)=r₁r₂eⁱ⁽ᶿ¹⁺ᶿ²⁾
  6. חזקות ושורשים

    העלאה בחזקה n מעלה את המודול בחזקה ומכפילה את הזווית. כדי לפתור wⁿ=Reⁱᶿ מחלקים ב־n את כל הזוויות השקולות θ+2πk.

    wₖ=R^(1/n)e^[i(θ+2πk)/n], k=0,…,n−1

    עוצרים לחשוב: יש בדיוק n זוויות שונות מודולו 2π, וההפרש ביניהן הוא 2π/n.

  7. ממעריך מרוכב לתנודה ממשית

    אם s=α+iω, החלק הממשי של s קובע את מעטפת הגידול או הדעיכה והחלק המדומה קובע את קצב הסיבוב. עבור משוואה בעלת מקדמים ממשיים מתקבל גם השורש הצמוד.

    eˢᵗ=eᵅᵗ(cosωt+i sinωt)
  8. זוג צמוד יוצר שני פתרונות ממשיים

    חיבור וחיסור מתאימים של e^(α+iω)t ושל הצמוד שלו מבטלים את החלק המדומה. כך מתקבלת המשפחה הממשית שבה נשתמש בשיעור הבא.

    y=eᵅᵗ(C cosωt+D sinωt)

עכשיו רואים את השיטה בפעולה

דוגמאות פתורות, צעד אחר צעד

דוגמה 1

קרטזי, פולרי וצמוד

עבור z=−√3+i, מצאו מודול, ארגומנט, הצגה פולרית, צמוד והופכי.

  1. המודול הוא r=√[(−√3)²+1²]=2.

  2. הנקודה נמצאת ברבע השני. cosθ=−√3/2 ו־sinθ=1/2, ולכן θ=5π/6.

  3. מכאן z=2e^(5πi/6), והצמוד הוא z̄=−√3−i=2e^(−5πi/6).

  4. מאחר |z|²=4, ההופכי הוא 1/z=z̄/4=(−√3−i)/4.

התוצאה ומה היא אומרת

אותו מספר מתואר כרכיבים, כווקטור באורך 2 ובזווית 5π/6, או כפעולת מתיחה וסיבוב.

z=−√3+i=2e^(5πi/6), 1/z=(−√3−i)/4
דוגמה 2

שלושה שורשים, מעגל אחד

מצאו את כל הפתרונות של w³=8.

  1. כותבים 8=8e^(i·0). מודול כל שורש הוא 8^(1/3)=2.

  2. הזוויות הן (0+2πk)/3 עבור k=0,1,2: כלומר 0,‏ 2π/3,‏ 4π/3.

  3. לכן השורשים הם 2,‏ −1+i√3 ו־−1−i√3.

  4. כל שורש בחזקה שלישית מחזיר מודול 8 וזווית שהיא כפולה של 2π, ולכן מחזיר 8.

התוצאה ומה היא אומרת

שלושת השורשים נמצאים על מעגל ברדיוס 2 ומופרדים בזווית 120°.

wₖ=2e^(2πik/3), k=0,1,2

איפה זה פוגש את העולם

יישום

בזרם חילופין ובמערכות בקרה, מספר מרוכב מרכז הגבר והסטת פאזה לאותה פעולה אלגברית.

מלכודת נפוצה

מה כדאי לבדוק

להשתמש ב־arctan(b/a), שמאבד את הרבע, או להחזיר רק שורש אחד. משתמשים ב־atan2(b,a), ולשורש מסדר n מוסיפים את כל k=0,…,n−1.

בודקים שהרעיון יושב

תרגול ומשוב

בדיקת הבנה

בחרו תשובה ורק אז בדקו את עצמכם

מה עושה כפל של מספר מרוכב ב־i?

בחרו אחת מהאפשרויות כדי להמשיך.

עכשיו אתם

אתגר קצר

מצאו את שלושת הפתרונות של z³=−8i והסבירו מדוע הם מרוחקים בזוויות שוות וסכומם אפס.

רמז ראשון

כתבו −8i=8e^(−iπ/2). מודול כל שורש הוא 2, והזוויות הן (−π/2+2πk)/3 עבור k=0,1,2.

הצגת דרך הפתרון
  1. מודול השורשים הוא 8^(1/3)=2.
  2. הזוויות הן −π/6,‏ π/2 ו־7π/6; ההפרש בין כל שתיים עוקבות הוא 2π/3.
  3. לכן השורשים הם √3−i,‏ 2i ו־−√3−i.
  4. בחיבור מתבטלים החלקים הממשיים וגם −i+2i−i=0, ולכן סכום השורשים אפס.

מימוש הנושא

קוד שאפשר לקחת לניסוי

הקוד מיישם את אותו רעיון מתמטי. ב־JavaScript אפשר להריץ אותו כאן; גרסת Python זמינה להשוואה ולהעתקה.

הקשר למתמטיקה

nthRoots מיישמת ישירות את נוסחת השורשים: היא מוציאה שורש n מן המודול ומחלקת ב־n את כל הזוויות θ+2πk.

פלט צפוי

יתקבלו בקירוב (1.732,−1),‏ (0,2) ו־(−1.732,−1); כל אחד מהם בחזקה שלישית שווה ל־−8i וסכומם כמעט אפס.

ניסוי המשך

החליפו את n ב־4 ואת הקלט ב־16 בזווית אפס. נבאו את ארבע הזוויות לפני ההרצה ובדקו איזו צורה הן יוצרות.

מהרעיון אל הקוד

מימוש חישובי

function fromPolar(radius, angle) {
  return { re: radius*Math.cos(angle), im: radius*Math.sin(angle) };
}

function nthRoots(radius, angle, n) {
  if (radius < 0 || !Number.isInteger(n) || n < 1) {
    throw new RangeError("nonnegative radius and positive integer n required");
  }
  const rootRadius = radius ** (1/n);
  return Array.from({ length: n }, (_, k) =>
    fromPolar(rootRadius, (angle + 2*Math.PI*k)/n)
  );
}

function multiply(z, w) {
  return { re: z.re*w.re-z.im*w.im, im: z.re*w.im+z.im*w.re };
}

function integerPower(z, n) {
  let result = { re: 1, im: 0 };
  for (let k = 0; k < n; k += 1) result = multiply(result, z);
  return result;
}

const roots = nthRoots(8, -Math.PI/2, 3);
console.table(roots.map((root) => ({ ...root, cube: integerPower(root, 3) })));
console.log({
  sumRe: roots.reduce((sum, root) => sum + root.re, 0),
  sumIm: roots.reduce((sum, root) => sum + root.im, 0),
});

לפני שממשיכים

מה לוקחים מהשיעור

  • מספר מרוכב הוא גם זוג רכיבים וגם וקטור בעל מודול וזווית.
  • בהצגה פולרית כפל הופך למכפלת אורכים ולחיבור זוויות, ולכן חזקות ושורשים נעשים שקופים.
  • החלק הממשי של מעריך קובע גידול או דעיכה, והחלק המדומה יוצר תנודה.
  • במשוואה בעלת מקדמים ממשיים, זוג שורשים צמודים מייצר פתרונות ממשיים מסינוס וקוסינוס.

משימת מעבדה לשיעור הזה

תחנה 1 — מצב, תנודה ופאזור

הציגו את המצב (y,y′/ωₙ) כנקודה במישור, נבאו כיצד הוא יסתובב ברבע מחזור וקשרו את הזווית לפאזה של התנודה.

לפתיחת התחנה
מקורות להעמקה בלבד — השיעור עומד בפני עצמו

מדריך המרצים: עמ׳ 46–50

ספר הלימוד: עמ׳ 82–89