الرياضيات🎓 هدف البكالوريا

الأعداد المركبة والتحويلات النقطية

ترميز أولر ⁦e^(iα)⁩: الشكل الأسي و قواعد الحساب

🔊 المعلّمة تقرأ لك
لاحظ ما يقع حين تضرب عددين مركّبين طويلة كلّ منهما 1: الطويلة تبقى 1، و العمدتان تتجمّعان. جمع في العمد، مقابل جداء في الأعداد. و أنت تعرف دالّة واحدة تفعل هذا بالضبط منذ درس الدوالّ: الدالّة الأسّية، التي تحوّل المجموع إلى جداء. فهل هي مصادفة؟ و إن لم تكن، فكيف نكتب عددا مركّبا كتابة تجعل هذا التجمّع ظاهرا للعين، بدل أن يختبئ في دساتير الجمع؟

الجواب ليس مصادفة، و هو ما يبنيه هذا الدرس في ثلاث خطوات. أوّلا نُثبت أنّ الدالّة التي ترفق بكلّ زاوية العددَ الذي طويلته 1 و عمدته تلك الزاوية تحوّل المجموع إلى جداء، تماما كالدالّة الأسّية. ثمّ نصطلح، لهذا السبب وحده، على كتابتها كتابة أسّية. و أخيرا نجني ثمرة الاصطلاح: ثلاث قواعد حساب تختصر صفحات من دساتير الجمع في سطر واحد.

🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • كتابة عدد مركّب طويلته 1 بترميز أولر، و قراءة عمدته على الأسّ مباشرة
  • كتابة أيّ عدد مركّب غير معدوم على الشكل الأسّي
  • الانتقال من الشكل الأسّي إلى الشكل الجبري بالتعويض في الجيب و التجيب
  • الانتقال من الشكل الجبري إلى الشكل الأسّي بحساب الطويلة ثمّ العمدة
  • تطبيق قواعد الحساب الثلاث: الجداء، الحاصل، و المرافق
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • الطويلة و العمدة لعدد مركّب غير معدوم، و أنّ العمدة تُعرَّف بترديد 2π
  • الشكل المثلّثي لعدد مركّب غير معدوم، و قراءة الطويلة على معامله
  • القيم المضبوطة للجيب و التجيب عند الزوايا المألوفة
  • خاصية الدالّة الأسّية التي تحوّل المجموع إلى جداء

1. الدالّة التي تحوّل المجموع إلى جداء

نضع أنفسنا على دائرة الوحدة: كلّ نقطة منها لاحقتها عدد مركّب طويلته 1، و عمدته هي الزاوية التي تحدّد موضعها. و بما أنّ الطويلة 1، فالشكل المثلّثي يعطي هذه اللاحقة مباشرة.

الدالّة المدروسة

بكلّ عدد حقيقي θ ترفق الدالّة العددَ المركّب الذي طويلته 1 و θ عمدة له. و هذا هو الشكل المثلّثي في الحالة الخاصّة التي تكون فيها الطويلة تساوي الواحد.

f(θ) = cos(θ) + i sin(θ)
θعدد حقيقي، يمثّل الزاوية بالرديان

و السؤال الذي يفتح الدرس هو: ماذا يقع إذا ضربنا صورتي زاويتين؟ نحسب من الجهتين — مرّة بجمع الزاويتين ثمّ تطبيق الدالّة، و مرّة بتطبيق الدالّة على كلّ منهما ثمّ الضرب — ثمّ نقارن الحسابين.

مثال 1: البرهان على أنّ المجموع يصير جداء

نأخذ عددين حقيقيين، و نحسب صورة مجموعهما بالدالّة f، ثمّ جداء صورتيهما، و نقارن.

🎯المطلوب: بيّن أنّ صورة مجموع عددين حقيقيين بالدالّة f تساوي جداء صورتيهما.

🔹الخطوة 1: صورة مجموع الزاويتين

نطبّق تعريف الدالّة على مجموع الزاويتين، حرفا بحرف.

f(θ + θ')=cos(θ + θ') + i sin(θ + θ')
🔹الخطوة 2: دستور تجيب المجموع

⭐ لاحظ الحرف i أمام الجيب: هو جزء من التعريف، و إسقاطه يجعل الطرف الأيمن عددا حقيقيا و المساواة خاطئة.

cos(θ + θ') = cos(θ)cos(θ') − sin(θ)sin(θ')
🔹الخطوة 3: دستور جيب المجموع

ثمّ دستور جيب المجموع.

sin(θ + θ') = sin(θ)cos(θ') + sin(θ')cos(θ)
🔹الخطوة 4: الطرف الأوّل منشورا

نعوّض الدستورين في الخطوة 1، فنحصل على الطرف الأوّل منشورا.

f(θ + θ')=(cos(θ)cos(θ') − sin(θ)sin(θ')) + i (sin(θ)cos(θ') + sin(θ')cos(θ))
🔹الخطوة 5: جداء الصورتين

ننتقل الآن إلى الطرف الآخر: نكتب جداء الصورتين قبل أيّ نشر.

f(θ) f(θ') = (cos(θ) + i sin(θ))(cos(θ') + i sin(θ'))
🔹الخطوة 6: نشر الجداء

ننشر الجداء بالتوزيع: أربعة حدود، آخرها يحمل i².

f(θ) f(θ')=cos(θ)cos(θ') + i cos(θ)sin(θ') + i sin(θ)cos(θ') + i² sin(θ)sin(θ')
🔹الخطوة 7: تعويض i² بالعدد ⁦−1⁩

⭐ نعوّض i² بالعدد ⁦−1⁩: الحدّ الأخير يغيّر إشارته و ينضمّ إلى الحدّ الحقيقي الأوّل.

f(θ) f(θ')=(cos(θ)cos(θ') − sin(θ)sin(θ')) + i (sin(θ)cos(θ') + sin(θ')cos(θ))
✅النّتيجة

نقارن الخطوة 4 و الخطوة 7: الطرفان مكتوبان بالحروف نفسها، حدّا بحدّ.

f(θ + θ') = f(θ) f(θ')
⭐ هذا المثال هو سبب وجود الترميز كلّه. ما رأيته هو بالضبط ما تفعله الدالّة الأسّية: تحوّل المجموع إلى جداء. و من أجل هذه الخاصية وحدها اصطُلح على كتابة ⁦f(θ)⁩ كتابة أسّية. ⛔ و انتبه إلى الخطوة 7: من ترك i² دون تعويضه بالعدد ⁦−1⁩ لم يجد الطرفين متطابقين، و ظنّ البرهان خاطئا.
⛔ الخطأ الأشهر في هذا الباب كلّه: نسيان الحرف i أمام الجيب. الكتابة الصحيحة هي تجيب الزاوية زائد i في جيبها. فإن سقط i صار الطرف الأيمن عددا حقيقيا، و صارت المساواة خاطئة. جرّب بنفسك عند الزاوية التي تساوي ربع π: التجيب و الجيب يساويان كلاهما نصف جذر 2، فمجموعهما بلا i يساوي جذر 2، بينما العدد المطلوب طويلته 1. سطر واحد من التحقّق يكشف السقوط فورا.

2. ترميز أولر: التعريف

بما أنّ الدالّة f تتصرّف كالدالّة الأسّية، نصطلح على كتابتها كتابة أسّية. و هذا اصطلاح مبرَّر، لا تعريف اعتباطي: ما يبرّره هو المثال 1 نفسه، لا شيء آخر.

ترميز أولر

⭐ اقرأ الرمز كما يُقرأ: العدد المركّب الذي طويلته 1 و θ عمدة له. الأسّ يحمل العمدة، و لا يحمل شيئا آخر.

eiθ = cos(θ) + i sin(θ)
طويلة العدد ذي ترميز أولر

تُحسب مباشرة: مربّع التجيب زائد مربّع الجيب يساوي 1 مهما كانت الزاوية. فكلّ عدد من هذا الشكل صورته نقطة من دائرة الوحدة، بلا استثناء.

|eiθ| = 1
الخاصية التي بُني عليها الترميز

هي نتيجة المثال 1، مكتوبة بالترميز الجديد. و الآن صارت تُقرأ في سطرها: الأسّان يُجمعان كما تُجمع الأسس في أيّ قوّة تعرفها.

ei(θ + θ') = eiθ eiθ'
كلّ نقطة من الدائرة تُكتب بترميز أولر: نصف القطر يعطي الطويلة 1، و القوس يعطي العمدة — و القوس الرابع يدور في الاتّجاه المعاكس، فعمدته سالبة.
ترميز أولر يُفكّ بالقيم المضبوطة للتجيب و الجيب: كلّ عمدة مألوفة تعطي عددا جبريا طويلته 1.

3. الشكل الأسّي لعدد مركّب غير معدوم

إلى هنا اشتغلنا على دائرة الوحدة وحدها. و العدد المركّب غير المعدوم العامّ ليست طويلته 1، لكنّه يُكتب على الشكل المثلّثي جداءَ طويلته في عدد طويلته 1 — و هذا الأخير هو بالضبط ما صرنا نكتبه بترميز أولر.

الشكل الأسّي

⭐ الشكل الأسّي ليس شيئا آخر غير الشكل المثلّثي: القوس نفسه، و الطويلة نفسها، و كتابة أخصر. الطويلة أمام الرمز، و العمدة في الأسّ.

z = r eiθ
zالعدد المركّب، غير معدومrطويلة العدد، عدد حقيقي موجب تماماθعمدة للعدد، بالرديان
⚠️ شرطان لا يُنسيان. ① العدد يجب أن يكون غير معدوم: العدد صفر لا عمدة له، فلا شكل أسّي له. ② المعامل الذي أمام الرمز هو الطويلة، و الطويلة موجبة تماما. فكتابة يظهر فيها معامل سالب ليست شكلا أسّيا، و لا يجوز أن تقرأ ذلك المعامل السالب طويلةً.
⭐ و من هنا تحقّق مجّاني تستعمله في كلّ تمرين: المعامل الذي تكتبه أمام الرمز هو طويلة العدد. فإن حسبت الطويلة في سطر ثمّ كتبت أمام الرمز عددا آخر، فقد تناقضت مع نفسك في سطرين متتاليين. أعد النظر في السطر الذي فوقك قبل أن تواصل.

4. قواعد الحساب الثلاث

الآن نجني الثمرة. ثلاث قواعد، كلّها تُقرأ كقواعد الأسس التي تعرفها منذ سنوات، و كلّها تختصر حسابا كان يتطلّب دساتير الجمع.

قاعدة الجداء

عند ضرب عددين طويلة كلّ منهما 1، تُجمع العمدتان. هي نتيجة المثال 1 بعينها.

eiθ eiθ' = ei(θ + θ')
قاعدة الحاصل

عند القسمة تُطرح العمدتان. و هي تخرج من قاعدة الجداء: ما دام جداء العددين ذوي العمدتين المطروحتين يعطي العدد الأوّل، فالحاصل هو العدد ذو العمدة الفارق.

eiθeiθ' = ei(θ − θ')
قاعدة المرافق

مرافق عدد من دائرة الوحدة هو العدد ذو العمدة المعاكسة: التجيب لا يتغيّر بتغيّر إشارة الزاوية، و الجيب يتغيّر. فالمرافقة تقلب اتّجاه الدوران، لا أكثر.

z = e−iθ
zالعدد المركّب الذي طويلته 1 و θ عمدة له
📌المعطى: ما تفعله كلّ عملية بالطويلة و بالعمدة
العملية على الأعدادالأثر على الطويلةالأثر على العمدة
الجداءالطويلتان تُضربانالعمدتان تُجمعان
الحاصلالطويلتان تُقسمانالعمدتان تُطرحان
المرافقالطويلة لا تتغيّرالعمدة تصير معاكستها
سطر واحد يلخّص الدرس: الطويلات تتضارب، و العمد تتجامع. و هذا بالضبط ما يجعل الشكل الأسّي أنسب من الشكل الجبري في كلّ حساب فيه جداء أو قوّة.
الشكل الأسّي يعطي النقطة مباشرة: الطويلة تُقرأ على طول ⁦[OM]⁩، و العمدة على القوس؛ و الجزآن الحقيقي و التخيلي هما مسقطاها على المحورين.
مثال 2: من الشكل الأسّي إلى الشكل الجبري

نأخذ عددا معطى بشكله الأسّي و نطلب شكله الجبري.

🎯المطلوب: اكتب العدد المركّب z على الشكل الجبري.

📌المعطى: العدد المدروس
z = 2 eiπ3
🔹الخطوة 1: العودة إلى الشكل المثلّثي

نفكّ الترميز: نكتب العدد على شكله المثلّثي، بالطويلة نفسها و العمدة نفسها.

z=2 (cos(π3) + i sin(π3))
🔹الخطوة 2: قيمة التجيب

نعوّض تجيب الزاوية بقيمته المضبوطة.

cos(π3) = 12
🔹الخطوة 3: قيمة الجيب

ثمّ جيبها.

sin(π3) = √32
🔹الخطوة 4: التعويض

نضع القيمتين في مكانهما.

z=2 (12 + i √32)
✅النّتيجة

ننشر: العدد 2 يضرب الحدّين، فيبسّط المقامين.

z = 1 + i√3
⭐ هذا الاتّجاه لا يحتاج بحثا: تعويض و نشر، و انتهى. و التحقّق يسير: احسب طويلة الجواب. مربّع 1 زائد مربّع جذر 3 يساوي 4، و جذره 2 — و هي الطويلة التي انطلقت منها. إن لم ترجع الطويلة، فالخطأ في قيمة الجيب أو التجيب.
مثال 3: عمدة سالبة، و العدد 8 أمام الرمز

العدد نفسه، لكن بعمدة سالبة و بطويلة أكبر: نرى أثر إشارة العمدة على الجواب.

🎯المطلوب: اكتب العدد المركّب z على الشكل الجبري، مع الانتباه إلى إشارة العمدة.

📌المعطى: العدد المدروس
z = 8 e−iπ4
🔹الخطوة 1: العودة إلى الشكل المثلّثي

نعود إلى الشكل المثلّثي: العمدة سالبة، و تُنقل كما هي.

z=8 (cos(−π4) + i sin(−π4))
🔹الخطوة 2: قيمة التجيب

⭐ التجيب دالّة زوجية: تجيب الزاوية السالبة يساوي تجيب موجبها.

cos(−π4) = √22
🔹الخطوة 3: قيمة الجيب

⭐ أمّا الجيب فدالّة فردية: جيب الزاوية السالبة هو معاكس جيب موجبها. هنا يقع أكثر الخطأ.

sin(−π4) = −√22
🔹الخطوة 4: التعويض

نضع القيمتين.

z=8 (√22 − i √22)
✅النّتيجة

ننشر: العدد 8 مقسوما على 2 يساوي 4.

z = 4√2 − 4i√2
⭐ إشارة العمدة تظهر في الجزء التخيلي وحده، لا في الجزء الحقيقي. هذه جملة تختصر عليك الخطوتين 2 و 3 في كلّ تمرين: التجيب زوجي فلا يتأثّر، و الجيب فردي فينقلب. و للتحقّق: الجزء التخيلي هنا سالب، و العمدة سالبة — و هذا متوافق، لأنّ صورة العدد تقع تحت محور الفواصل.
مثال 4: من الشكل الجبري إلى الشكل الأسّي

نعكس الاتّجاه: عدد معطى بشكله الجبري، و المطلوب شكله الأسّي.

🎯المطلوب: اكتب العدد المركّب z على الشكل الأسّي.

📌المعطى: العدد المدروس
z = −3 − 3i
🔹الخطوة 1: مربّع الطويلة

نبدأ دائما بالطويلة: مجموع مربّعي الجزأين، تحت الجذر.

|z|²=(−3)² + (−3)²=9 + 9
🔹الخطوة 2: قيمة مربّع الطويلة

فمربّع الطويلة يساوي 18.

|z|² = 18
🔹الخطوة 3: الطويلة مبسّطة

⭐ نبسّط الجذر بدل أن نتركه: 18 يساوي 9 في 2، و جذر 9 يساوي 3.

|z|=√18=3√2
🔹الخطوة 4: تجيب العمدة

ننتقل إلى العمدة. نقسم الجزء الحقيقي على الطويلة فنحصل على التجيب، ثمّ نبسّط بضرب البسط و المقام في جذر 2.

cos(θ)=−33√2=−√22
🔹الخطوة 5: جيب العمدة

و نقسم الجزء التخيلي على الطويلة فنحصل على الجيب.

sin(θ)=−33√2=−√22
🔹الخطوة 6: تعيين العمدة

⭐ التجيب سالب و الجيب سالب معا: الزاوية إذن في الربع الثالث، و ليست في الأوّل. الزاوية الوحيدة من الربع الثالث التي تجيبها و جيبها يساويان ناقص نصف جذر 2 هي خمسة أرباع π.

θ ≡ 5π4 [2π]
✅النّتيجة

نجمع الطويلة و العمدة في الكتابة الأسّية.

z = 3√2 ei5π4
⭐ إشارتا التجيب و الجيب معا هي التي تعيّن الربع، و لا شيء آخر. حساب التجيب وحده يترك زاويتين ممكنتين، و حساب الجيب وحده كذلك؛ الإشارتان معا لا تتركان إلّا واحدة. ⛔ و لا تنس تبسيط الجذر في الخطوة 3: من كتب جذر 18 أمام الرمز كتب طويلة صحيحة لكن غير مبسّطة.
مثال 5: قوّة ثامنة، بثلاث تربيعات

القوى هي الموضع الذي يظهر فيه الشكل الأسّي أفضل ما فيه: ثمانية نشرات جبرية تُستبدل بثلاث تربيعات.

🎯المطلوب: احسب القوّة الثامنة للعدد المركّب المعطى، ثمّ اكتب النتيجة على أبسط شكل.

📌المعطى: العدد المدروس
z = (1 − i)⁸
🔹الخطوة 1: مربّع طويلة الأساس

نبدأ بكتابة العدد الذي بين القوسين على شكله الأسّي. مربّع طويلته هو مجموع مربّعي جزأيه.

|1 − i|²=1 + 1=2
🔹الخطوة 2: طويلة الأساس

فالطويلة هي جذر 2.

|1 − i| = √2
🔹الخطوة 3: عمدة الأساس

و التجيب موجب و الجيب سالب: الزاوية في الربع الرابع، و هي ناقص ربع π.

θ ≡ −π4 [2π]
🔹الخطوة 4: الأساس على الشكل الأسّي

فالأساس مكتوب أسّيا.

1 − i = √2 e−iπ4
🔹الخطوة 5: التربيع الأوّل

⭐ نطبّق قاعدة الجداء على العدد في نفسه: العمدتان تتجمّعان.

(√2 e−iπ4)² = 2 e−iπ2
🔹الخطوة 6: التربيع الثاني

نربّع من جديد: الطويلة تتربّع و العمدة تتضاعف.

(2 e−iπ2)² = 4 e−iπ
🔹الخطوة 7: التربيع الثالث

و نربّع مرّة ثالثة، فنبلغ القوّة الثامنة.

(4 e−iπ)² = 16 e−2iπ
🔹الخطوة 8: تبسيط العمدة

⭐ و هنا لا نتوقّف: العمدة ناقص ضعف π توافق العمدة صفر بترديد 2π، و العدد ذو العمدة صفر هو العدد 1.

e−2iπ=ei0=1
✅النّتيجة

فالجواب عدد حقيقي.

z = 16
⭐ الخطوة 8 هي التي يتركها أغلب التلاميذ، و هي التي تُنقَّط. كتابة الجواب على صورة عدد ذي عمدة تساوي ناقص ضعف π ليست خطأ، لكنّها ليست أبسط شكل: العمدة تُختزل دائما بترديد 2π، و العدد هنا حقيقي موجب. ⚖️ و يمكنك التحقّق من الجواب بطريق آخر تماما: ربّع العدد الأصلي جبريّا ثلاث مرّات، فتجد 16 نفسها.
مثال 6: قوّة سادسة، و جواب حقيقي سالب

مثال ثان على القوى، ينتهي هذه المرّة إلى عدد حقيقي سالب.

🎯المطلوب: احسب القوّة السادسة للعدد المركّب المعطى، ثمّ اكتب النتيجة على الشكل الجبري.

📌المعطى: العدد المدروس
z = (√3 + i)⁶
🔹الخطوة 1: مربّع طويلة الأساس

مربّع طويلة الأساس: 3 زائد 1.

|√3 + i|²=3 + 1=4
🔹الخطوة 2: طويلة الأساس

فالطويلة تساوي 2 بالضبط.

|√3 + i| = 2
🔹الخطوة 3: عمدة الأساس

التجيب و الجيب موجبان معا: الزاوية في الربع الأوّل، و هي سدس π.

θ ≡ π6 [2π]
🔹الخطوة 4: الأساس على الشكل الأسّي

فالأساس مكتوب أسّيا.

√3 + i = 2 eiπ6
🔹الخطوة 5: التربيع

نربّع مرّة أولى بقاعدة الجداء.

(2 eiπ6)² = 4 eiπ3
🔹الخطوة 6: مكعّب المربّع

⭐ و القوّة السادسة هي مكعّب المربّع. نضرب المربّع في نفسه ثلاث مرّات بقاعدة الجداء: الطويلات الثلاث تُضرب، و العمد الثلاث تُجمع.

(4 eiπ3)³ = 64 eiπ
🔹الخطوة 7: قيمة العدد ذي العمدة π

⭐ نفكّ ترميز العدد ذي العمدة π: تجيبه ناقص واحد و جيبه معدوم.

eiπ = −1
✅النّتيجة

فالجواب عدد حقيقي سالب.

z = −64
⭐ لاحظ الجسر بين المثالين 5 و 6: كلاهما ينتهي إلى عدد حقيقي، و ليس ذلك مصادفة. الطويلة ترفع إلى القوّة، و العمدة تُضرب في الأسّ؛ فإذا وقع الجداء على مضاعف لـ π، سقطت النقطة على المحور الحقيقي. العمدة الناتجة هي التي تقول لك، قبل أيّ حساب، أين يقع الجواب.
⭐ جسر مع درس آخر ستراه قريبا: ما فعلناه في المثالين 5 و 6 — ضرب العدد في نفسه مرارا بقاعدة الجداء — يُختصر في دستور واحد يحمل اسم دستور موافر، و له درس مستقلّ. و هو ليس شيئا جديدا: ليس إلّا قاعدة الجداء مطبّقة n مرّة، و قد رأيت آلتها كاملة هنا.
⛔ في الباكالوريا يظهر الشكل الأسّي في ثلاث صور. ① «أكتب على الشكل الأسّي» — و السلّم دائما هو نفسه: الطويلة أوّلا، ثمّ التجيب و الجيب، ثمّ إشارتاهما معا لتعيين الربع؛ من كتب العمدة دون تعليل الربع خسر نصف العلامة. ② «أكتب على الشكل الجبري» — تعويض في الجيب و التجيب، بلا بحث. ③ حساب قوّة أو جداء: مرّ بالشكل الأسّي دائما، فهو أقصر و أقلّ عرضة للخطأ من النشر الجبري. و في الصور الثلاث، بسّط جوابك حتّى الآخر: طويلة بجذر مبسّط، و عمدة مختزلة بترديد 2π.
الخلاصة: فكرة واحدة تحكم الدرس — الدالّة التي ترفق بالزاوية العددَ ذا الطويلة 1 تحوّل المجموع إلى جداء، تماما كالدالّة الأسّية، و من أجل ذلك وحده كُتبت كتابة أسّية. من هنا يخرج ترميز أولر: العدد ذو الطويلة 1 و العمدة θ يُكتب أسّا صرفا، فتُقرأ عمدته على الأسّ مباشرة. و منه يخرج الشكل الأسّي لكلّ عدد غير معدوم: الطويلة أمام الرمز، و العمدة في الأسّ — و الطويلة موجبة تماما دائما. و منه تخرج ثلاث قواعد: في الجداء تُضرب الطويلات و تُجمع العمد، في الحاصل تُقسم الطويلات و تُطرح العمد، و في المرافق تبقى الطويلة و تنقلب العمدة. و يبقى تحقّقان لا يُتركان: المعامل الذي أمام الرمز هو الطويلة، و العمدة تُختزل بترديد 2π قبل تسليم الجواب.

الصفحة 1/11

© مدرستي — هذا الدرس من تأليف مدرستي · madrassati.net