☰ خطة العام · الرياضيات (بالعربية)

الأعداد المركبة

الأسبوع 1 · Complex numbers: the imaginary unit i, powers of i, the form a + bi, equality, operations, conjugates and division · 3 دروس
1

الوحدة التخيلية ⁦i⁩: الجذور التربيعية للأعداد السالبة وقوى ⁦i⁩ الأربع ولماذا لا يوجد حل حقيقي للمعادلة ⁦x² = −١‎⁩

Mathematics Sec 1 Term 1, Unit 1, Lesson 1
Goalأفهم لماذا نحتاج إلى العدد ⁦i⁩، وأبسّط الجذور التربيعية للأعداد السالبة، وأوجد أي قوة للعدد ⁦i⁩.
New words
الوحدة التخيلية · العدد ⁦i⁩ المعرَّف بالشرط ⁦i² = −١‎⁩ (يكتبه الكتاب المدرسي ت)العدد التخيلي · عدد مثل ⁦٣‎i⁩ أو ⁦√٣‎ i⁩، أي عدد حقيقي مضروب في ⁦i⁩دورة القوى · قيم ⁦iⁿ⁩ تتكرر كل أربع خطوات
Explanation

نربّع أي عدد حقيقي فلا نحصل أبدًا على عدد سالب: ⁦٣‎² = ٩‎⁩ و⁦(−٣‎)² = ٩‎⁩. لذلك ليس للمعادلة ⁦x² = −١‎⁩ حل حقيقي. ويظهر ذلك على الرسم: القطع المكافئ ⁦y = x² + ١‎⁩ لا يمس محور السينات أبدًا. وحلّ علماء الرياضيات هذه المشكلة بابتكار عدد جديد ⁦i⁩ شرطه ⁦i² = −١‎⁩ (ويكتبه الكتاب المدرسي ت). وكلمة «تخيلي» مجرد اسم، فهذا العدد نافع مثل أي عدد آخر. وبذلك يصبح للجذور التربيعية للأعداد السالبة معنى: ⁦√(−٩‎) = √٩‎ × i = ٣‎i⁩ لأن ⁦(٣‎i)² = ٩‎ × i² = −٩‎⁩. وعمومًا ⁦√(−n) = √n × i⁩ عندما ⁦n > ٠‎⁩. أما قوى ⁦i⁩ فتتكرر في دورة من أربع خطوات: ⁦i¹ = i⁩ و⁦i² = −١‎⁩ و⁦i³ = i² × i = −i⁩ و⁦i⁴ = ١‎⁩ ثم ⁦i⁵ = i⁩ من جديد. ولإيجاد ⁦iⁿ⁩ نقسم ⁦n⁩ على ⁦٤‎⁩ وننظر إلى الباقي، وينفع ذلك مع الأسس السالبة بكتابة ⁦n⁩ مضاعفًا للعدد ٤ مضافًا إليه باقٍ من ٠ إلى ٣ (⁦−٤٥‎ = −٤٨‎ + ٣‎⁩). وانتبه: القاعدة ⁦√a × √b = √(ab)⁩ لا تصح إذا كان العددان سالبين: ⁦√(−٤‎) × √(−٩‎) = ٢‎i × ٣‎i = ٦‎i² = −٦‎⁩ وليس ⁦√٣٦‎ = ٦‎⁩.

xy−3−2−11232468100y = x² + 1(0, 1)
Worked examples
بسّط ⁦√(−٤٩‎)⁩ و⁦√(−١٢‎)⁩ و⁦√(−٢‎)⁩. ⁦√(−٤٩‎) = √٤٩‎ × i = ٧‎i⁩. و⁦√(−١٢‎) = √١٢‎ × i = ٢‎√٣‎ i⁩ لأن ⁦√١٢‎ = √٤‎ × √٣‎⁩. و⁦√(−٢‎) = √٢‎ i⁩.
باقي قسمة الأس على ⁦٤‎⁩قيمة ⁦iⁿ⁩
⁦٠‎⁩⁦١‎⁩
⁦١‎⁩⁦i⁩
⁦٢‎⁩⁦−١‎⁩
⁦٣‎⁩⁦−i⁩
أوجد ⁦i⁶⁶⁩ و⁦i²⁸⁩ و⁦i⁻⁴⁵⁩ و⁦i¹⁰³⁩. ⁦٦٦‎ = ٦٤‎ + ٢‎⁩ فإن ⁦i⁶⁶ = i² = −١‎⁩. و⁦٢٨‎ = ٤‎ × ٧‎⁩ فإن ⁦i²⁸ = ١‎⁩. و⁦−٤٥‎ = −٤٨‎ + ٣‎⁩ فإن ⁦i⁻⁴⁵ = i³ = −i⁩. و⁦١٠٣‎ = ١٠٠‎ + ٣‎⁩ فإن ⁦i¹⁰³ = i³ = −i⁩.
جذران لعددين سالبين. ⁦√(−٤‎) × √(−٩‎) = ٢‎i × ٣‎i = ٦‎i² = −٦‎⁩. و⁦√(−١٨‎) × √(−١٢‎) = ٣‎√٢‎ i × ٢‎√٣‎ i = ٦‎√٦‎ i² = −٦‎√٦‎⁩. حوّل كل جذر أولًا إلى مضاعف للعدد ⁦i⁩ ثم اضرب.
Class activity

أكمل الجدول. انسخ صف قيم ⁦iⁿ⁩ من ⁦n = ١‎⁩ إلى ⁦n = ٨‎⁩ ثم تابعه حتى ⁦n = ١٢‎⁩ دون آلة حاسبة. أي القيم تعود بعد كل أربع خطوات؟

Practice
1
بسّط ⁦√(−٨١‎)⁩.
2
بسّط ⁦√(−٢٠‎)⁩.
3
أوجد ⁦i³⁷⁩ و⁦i⁻¹⁰⁩.
4
أوجد ⁦√(−٢٥‎) × √(−٤‎)⁩.
5
هل ⁦(٣‎i)²⁩ يساوي ⁦٩‎⁩ أم ⁦−٩‎⁩؟ وماذا عن ⁦(−i)²⁩؟