☰ Year plan · Pure Mathematics (Arabic)

نظرية ديموافر والجذور النونية والجذور التربيعية للأعداد المركبة

Week 6 · De Moivre’s theorem, n-th roots of a complex number, square roots of a complex number and quadratic equations with complex coefficients · 3 lessons
1

نظرية ديموافر: الزوايا المضاعفة بدلالة قوى الجيب وجيب التمام

Pure Mathematics Sec 3 Term 1, Unit 2, Lesson 2
Goalأستخدم نظرية ديموافر لإيجاد قوى الأعداد المركبة، ولكتابة ⁦cos nθ⁩ و⁦sin nθ⁩ بدلالة قوى ⁦cos θ⁩ و⁦sin θ⁩.
New words
نظرية ديموافر · ⁦(cos θ + i sin θ)ⁿ = cos nθ + i sin nθ⁩ حيث ⁦n = ١‎, ٢‎, ٣‎, …⁩الزاوية المضاعفة · زاوية مثل ⁦٢‎θ⁩ أو ⁦٣‎θ⁩ أو ⁦٤‎θ⁩ أي مضاعف صحيح للزاوية ⁦θ⁩تساوي عددين مركبين · يتساوى عددان مركبان عندما يتساوى جزءاهما الحقيقيان ويتساوى جزءاهما التخيليان
Explanation

رأيت الأسبوع الماضي أن ضرب عددين مركبين بالصورة المثلثية يضرب المقياسين ويجمع السعتين. وإذا ضربنا عددًا في نفسه ⁦n⁩ مرة رُفع مقياسه إلى القوة ⁦n⁩ وجُمعت سعته ⁦n⁩ مرة. وللعدد الواقع على دائرة الوحدة هذه هي نظرية ديموافر: ⁦(cos θ + i sin θ)ⁿ = cos nθ + i sin nθ⁩ حيث ⁦n = ١‎, ٢‎, ٣‎, …⁩ (يكتب الكتاب جتا وجا بدلًا من cos وsin، ويكتب ت بدلًا من i). وهي تعطي القوى مباشرة دون ضرب متكرر. وإذا لم يكن العدد بالصورة المثلثية فأوجد مقياسه ⁦r⁩ وسعته ⁦θ⁩ أولًا، فتكون القوة ⁦rⁿ(cos nθ + i sin nθ)⁩، ويمكن اختزال أي سعة تزيد على ⁦٣٦٠‎°⁩ بطرح لفات كاملة. وللنظرية استخدام ثانٍ: يمكن أيضًا نشر الطرف الأيسر بنظرية ذات الحدين من الوحدة الأولى مع تذكر أن ⁦i² = −١‎⁩ و⁦i³ = −i⁩ و⁦i⁴ = ١‎⁩. والنشران يمثلان العدد المركب نفسه، فيتساوى الجزآن الحقيقيان ويتساوى الجزآن التخيليان. ومن الجزء الحقيقي نحصل على ⁦cos nθ⁩ ومن الجزء التخيلي على ⁦sin nθ⁩ مكتوبين بدلالة قوى ⁦cos θ⁩ و⁦sin θ⁩. ولتقصير الأسطر نكتب ⁦c⁩ بدلًا من ⁦cos θ⁩ و⁦s⁩ بدلًا من ⁦sin θ⁩. عند ⁦n = ٢‎⁩ يكون ⁦(c + is)² = c² − s² + ٢‎cs·i⁩ فنجد ⁦cos ٢‎θ = c² − s²⁩ و⁦sin ٢‎θ = ٢‎sc⁩، وهما صيغتان تعرفهما. وفي النهاية نستعمل ⁦s² + c² = ١‎⁩ لنحذف أحد الحرفين إذا أردنا حرفًا واحدًا فقط.

xy−11−110z (30°)z² (60°)z³ (90°)
Worked examples
أوجد ⁦(−١‎ + √٣‎ i)⁵⁩. المقياس ⁦√(١‎ + ٣‎) = ٢‎⁩. تقع النقطة في الربع الثاني وسعتها ⁦١٢٠‎°⁩. فالقوة هي ⁦٢‎⁵(cos ٦٠٠‎° + i sin ٦٠٠‎°)⁩. وبما أن ⁦٦٠٠‎° = ٣٦٠‎° + ٢٤٠‎°⁩ فهي ⁦٣٢‎(cos ٢٤٠‎° + i sin ٢٤٠‎°) = ٣٢‎(−١‎/٢‎ − (√٣‎/٢‎)i) = −١٦‎ − ١٦‎√٣‎ i⁩.
عبّر عن ⁦sin ٤‎θ⁩ و⁦cos ٤‎θ⁩ بدلالة ⁦c⁩ و⁦s⁩. ننشر: ⁦(c + is)⁴ = c⁴ + ٤‎c³(is) + ٦‎c²(is)² + ٤‎c(is)³ + (is)⁴ = (c⁴ − ٦‎c²s² + s⁴) + i(٤‎c³s − ٤‎cs³)⁩. وبنظرية ديموافر يساوي ذلك ⁦cos ٤‎θ + i sin ٤‎θ⁩. من الجزأين التخيليين: ⁦sin ٤‎θ = ٤‎c³s − ٤‎cs³⁩. ومن الجزأين الحقيقيين: ⁦cos ٤‎θ = c⁴ − ٦‎c²s² + s⁴⁩. نتحقق عند ⁦θ = ٣٠‎°⁩ حيث ⁦sin ١٢٠‎° = √٣‎/٢‎⁩: الطرف الأيمن ⁦٤‎(√٣‎/٢‎)³(١‎/٢‎) − ٤‎(√٣‎/٢‎)(١‎/٢‎)³ = ٣‎√٣‎/٤‎ − √٣‎/٤‎ = √٣‎/٢‎⁩. النتيجة متفقة.
أوجد الجزء الحقيقي للعدد ⁦((١‎ + i)/√٢‎)³⁰⁩. بما أن ⁦(١‎ + i)/√٢‎ = cos ٤٥‎° + i sin ٤٥‎°⁩ فالقوة هي ⁦cos ١٣٥٠‎° + i sin ١٣٥٠‎°⁩. و⁦١٣٥٠‎° = ٣‎ × ٣٦٠‎° + ٢٧٠‎°⁩ فتساوي ⁦cos ٢٧٠‎° + i sin ٢٧٠‎° = −i⁩. إذن الجزء الحقيقي يساوي ٠.
Class activity

تحقق بيدك. ليكن ⁦z = cos ٦٠‎° + i sin ٦٠‎° = ١‎/٢‎ + (√٣‎/٢‎)i⁩. اضرب ⁦z⁩ في نفسه بالجبر العادي لتحصل على ⁦z²⁩ ثم ⁦z³⁩، وقارن ⁦z³⁩ بالعدد ⁦cos ١٨٠‎° + i sin ١٨٠‎° = −١‎⁩.

Practice
1
اكتب ⁦(cos ١٠‎° + i sin ١٠‎°)¹²⁩ بالصورة ⁦a + bi⁩.
2
أوجد ⁦(١‎ − i)¹⁰⁩. اكتب ⁦١‎ − i⁩ أولًا بمقياسه وسعته.
3
انشر ⁦(c + is)³⁩ واستخرج ⁦cos ٣‎θ⁩ و⁦sin ٣‎θ⁩ بدلالة ⁦c⁩ و⁦s⁩. ثم استعمل ⁦s² = ١‎ − c²⁩ و⁦c² = ١‎ − s²⁩ للحصول على صيغة بحرف واحد.
4
من المثال الثاني ⁦cos ٤‎θ = c⁴ − ٦‎c²s² + s⁴⁩. اكتب ⁦cos ٤‎θ⁩ بدلالة ⁦c⁩ فقط.
5
ليكن ⁦z = cos ٣٦‎° + i sin ٣٦‎°⁩. أوجد ⁦z⁵⁩ و⁦z¹⁰⁩.