الرياضيات🎓 هدف البكالوريا

الأعداد المركبة والتحويلات النقطية

الشكل المثلثي و العمليات: الجداء، القوة، المقلوب و القسمة

🔊 المعلّمة تقرأ لك
لضرب عددين مركّبين على الشكل الجبري تنشر أربعة جداءات ثمّ تعوّض مربّع الوحدة التخيليّة ثمّ تجمع. و لو رفعت أحدهما إلى القوّة الثامنة لكان عليك أن تكرّر ذلك سبع مرّات. و مع ذلك يوجد شكل للعدد المركّب يجعل الجداء عمليّة ضرب واحدة و جمع زاويتين. فما هو هذا الشكل؟ و لماذا تصير فيه العمليّات الأربع — الجداء و القوّة و المقلوب و القسمة — بهذه البساطة؟

الجواب في جملة واحدة: عدد مركّب غير معدوم يُعرَّف تماما بعددين — طويلته و عمدة له — و العمليّات الأربع تفصل بينهما فصلا تامّا. في الجداء تُضرب الطويلتان و تُجمع العمدتان؛ و في القسمة تُقسم الطويلتان و تُطرح العمدتان؛ و في القوّة النونيّة تُرفع الطويلة إلى القوّة n و تُضرب العمدة في n. هذا الدرس يبني هذا الشكل، ثمّ يبرهن على الخواصّ الأربع واحدة واحدة.

🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • كتابة عدد مركّب غير معدوم على الشكل المثلثي انطلاقا من طويلته و عمدة له
  • التعرّف على ما إذا كانت كتابة مقترحة كتابة مثلثيّة فعلا، بمراقبة إشارة المعامل
  • حساب طويلة و عمدة جداء عددين مركّبين غير معدومين، و كتابة الجداء على الشكل المثلثي
  • حساب طويلة و عمدة مقلوب عدد مركّب غير معدوم و حاصل قسمة عددين، و كتابتهما مثلثيّا
  • حساب طويلة و عمدة القوّة النونيّة لعدد مركّب غير معدوم
  • توظيف طويلة و عمدة حاصل قسمة لتعيين طبيعة مثلّث
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • الشكل الجبري لعدد مركّب، و الجزء الحقيقي و الجزء التخيلي
  • حساب طويلة عدد مركّب بالدستور الذي يعطيها بدلالة الفاصلة و الترتيب
  • تعريف عمدة عدد مركّب غير معدوم كقيس بالرديان لزاوية موجّهة
  • دستورا الجمع في حساب المثلّثات: قيمة cos للمجموع و قيمة sin للمجموع
  • الاستدلال بالتراجع على عدد طبيعي

1. تذكير: الطويلة و العمدة، العنصران اللذان يحدّدان العدد

طويلة العدد المركّب z هي المسافة بين المبدأ O و النقطة M التي لاحقتها z. و هي عدد حقيقي موجب دائما، مهما كانت إشارة x و إشارة y.

طويلة عدد مركّب

المجموع ⁦x² + y²⁩ مجموع مربّعين، فهو موجب أو معدوم دائما، و جذره موجود دائما. و هو ينعدم إذا و فقط إذا انعدم x و انعدم y معا، أي إذا كان z معدوما.

|z| = √(x² + y²)
zعدد مركّب مكتوب على الشكل الجبريxالجزء الحقيقي للعدد zyالجزء التخيلي للعدد z
🔍التفسير الهندسي للطويلة

هذه هي الصّورة التي عليك أن تحملها معك: الطويلة ليست حسابا فحسب، بل هي طول قطعة.

OM = |z|

و عمدة العدد المركّب z غير المعدوم هي قيس بالرديان للزاوية الموجّهة التي يصنعها الشعاع OM مع محور الفواصل. و هنا نقطة تُنسى كثيرا: العدد المركّب غير المعدوم له عدد غير منته من العمد، لأنّ إضافة دورة كاملة إلى الزاوية لا تغيّر الشعاع. لهذا لا نكتب المساواة بين العمد بمساواة عاديّة، بل نكتبها بترديد 2π.

العمدة معرّفة بترديد 2π

⭐ اقرأ هذه الكتابة هكذا: « θ عمدة لـ z، و كذلك كلّ عدد من الشكل ⁦θ + 2kπ⁩ حيث k عدد صحيح ». و هذا ليس تفصيلا شكليّا: بدونه تصير الخواصّ الآتية خاطئة تماما.

arg(z) ≡ θ [2π]
θقيس بالرديان لزاوية موجّهة، عمدة للعدد z
⛔ العدد 0 ليس له عمدة، و هذا ليس نسيانا. إذا كان z معدوما فالنقطة M هي المبدأ O نفسه، و لا يوجد شعاع OM كي نتكلّم عن زاويته. لهذا يُشترط في كلّ ما يأتي أنّ العدد غير معدوم، و في القسمة يُشترط أنّ القاسم غير معدوم.

2. الشكل المثلثي لعدد مركّب غير معدوم

لتكن M نقطة تختلف عن المبدأ، و لتكن r طويلة لاحقتها و θ عمدة لها. المرور من الإحداثيّتين الديكارتيّتين إلى الإحداثيّتين القطبيّتين يعطي فاصلة M و ترتيبها بدلالة r و θ.

الفاصلة بدلالة r و θ
x = r cos(θ)
الترتيب بدلالة r و θ

عوّض هذين في الشكل الجبري ⁦z = x + iy⁩، ثمّ اعزل r بالعامل المشترك: تحصل مباشرة على الشكل الذي يحمل اسم هذا الدرس.

y = r sin(θ)
الشكل المثلثي

⭐ لاحظ ما الذي يحمل المعلومة: الطويلة r أمام القوس، و العمدة θ داخل الجيب و جيب التمام. و كلّ ما يأتي في هذا الدرس ليس إلّا مراقبة هذين العنصرين.

z = r (cos(θ) + i sin(θ))
rطويلة العدد z، عدد حقيقي موجب تماماθعمدة للعدد z، بالرديان

و إن كان z معطى على الشكل الجبري فالطريق إلى θ يمرّ بمساواتين، لا بمساواة واحدة: جيب التمام وحده لا يكفي، و الجيب وحده لا يكفي. الأوّل يترك زاويتين متناظرتين، و الثاني يترك زاويتين تكميليّتين؛ و لا تُعيَّن العمدة إلّا بهما معا.

جيب تمام العمدة
cos(θ) = xr
جيب العمدة

المساواتان معا تحدّدان θ بترديد 2π، لأنّ نقطة واحدة من الدائرة المثلثيّة هي التي لها هذان الإحداثيّان.

sin(θ) = yr
تساوي كتابتين مثلثيّتين

عددان مكتوبان على الشكل المثلثي متساويان إذا و فقط إذا كانت لهما نفس الطويلة و كانت عمدتاهما متوافقتين بترديد 2π.

r (cos(θ) + i sin(θ)) = r' (cos(θ') + i sin(θ')) ⟺ r = r' ; θ ≡ θ' [2π]
الطويلة r طول، فهي موجبة دائما؛ أمّا إسقاط M على محور الفواصل فقد يكون سالبا، و هو ما يحدث هنا بالضبط لأنّ النقطة في الرّبع الثاني.
⛔ الخاصيّة العكسيّة، و الشرط الذي يحملها كلّه. إذا وجدتَ عددا مكتوبا بمعامل أمام قوس يحمل جيب تمام زاوية و جيبها، فلا يحقّ لك أن تقول إنّ هذا المعامل هو الطويلة و إنّ تلك الزاوية عمدة، إلّا إذا كان المعامل موجبا تماما. فالكتابة الآتية، بمعاملها السالب، ليست كتابة مثلثيّة: الطويلة لا تكون سالبة أبدا.
كتابة ليست مثلثيّة، لأنّ معاملها سالب

المعامل ⁦−2⁩ سالب، فلا يمكن أن يكون طويلة. و مع ذلك فالعدد المكتوب هنا موجود و طويلته 2: ما ينقص هو الكتابة، لا العدد.

-2 (cos(θ) + i sin(θ))
و العلاج بسيط و يُستعمل كثيرا في البكالوريا: أخرج الإشارة السالبة ثمّ ابتلعها في الزاوية بإضافة π إليها. فالعدد المكتوب بمعامل سالب يصير مثلثيّا بطويلة موجبة و عمدة أُزيحت بـ π.
ابتلاع الإشارة السالبة في الزاوية

لأنّ جيب تمام الزاوية المزادة بـ π هو مقابل جيب تمامها، و كذلك جيبها. و بهذا يصير المعامل λ موجبا و تصير الكتابة مثلثيّة فعلا.

-λ (cos(θ) + i sin(θ))=λ (cos(θ + π) + i sin(θ + π))
مثال 1: من الشكل الجبري إلى الشكل المثلثي

العدد z معطى على الشكل الجبري في المستوي المركّب المنسوب إلى معلم متعامد و متجانس مباشر.

🎯المطلوب: احسب طويلة العدد z و عيّن عمدة له، ثمّ أكتبه على الشكل المثلثي.

📌المعطى
z = 1 + i
🔹الخطوة 1: حساب الطويلة

نحسب أوّلا الطويلة، لأنّها هي التي ستقسم x و y فيما بعد.

|z|=√(1² + 1²)=√2
🔹الخطوة 2: جيب تمام العمدة

نقسم الجزء الحقيقي على الطويلة. و نُنطق المقام كي نتعرّف على قيمة مألوفة.

cos(θ)=1√2=√22
🔹الخطوة 3: جيب العمدة

و نقسم الجزء التخيلي على الطويلة نفسها.

sin(θ)=1√2=√22
🔹الخطوة 4: تعيين العمدة

الزاوية التي جيب تمامها و جيبها معا يساويان هذه القيمة الموجبة هي زاوية الرّبع الأوّل.

θ = π4
✅النّتيجة: الشكل المثلثي
z=√2 (cos(π4) + i sin(π4))
تحقّق دائما من كتابتك بضربها ثانية: اضرب الطويلة في جيب تمام العمدة فتجد الجزء الحقيقي، ثمّ اضربها في الجيب فتجد الجزء التخيلي. هذا التحقّق يستغرق سطرا واحدا و يقتنص أغلب الأخطاء.
مثال 2: عمدة سالبة، و المعامل هو الطويلة

العدد z معطى بجزء حقيقي موجب و جزء تخيلي سالب.

🎯المطلوب: اكتب العدد z على الشكل المثلثي، و تحقّق من المعامل الذي تكتبه أمام القوس.

📌المعطى
z = √2 - i√6
🔹الخطوة 1: حساب الطويلة

نحسب مربّعي الجزأين ثمّ نجمعهما تحت الجذر.

|z|=√((√2)² + (-√6)²)=√(2 + 6)=√8
🔹الخطوة 2: تبسيط الطويلة

و نبسّط الجذر إلى آخره: ⁦8 = 4 × 2⁩، و جذر 4 هو 2.

√8=√(4 × 2)=2√2
🔹الخطوة 3: جيب تمام العمدة

نقسم الجزء الحقيقي على الطويلة ⁦2√2⁩ التي وجدناها للتوّ.

cos(θ)=√22√2=12
🔹الخطوة 4: جيب العمدة

و نقسم الجزء التخيلي، و هو سالب هنا، على الطويلة نفسها.

sin(θ)=-√62√2=-√32
🔹الخطوة 5: تعيين العمدة

جيب التمام موجب و الجيب سالب: النقطة في الرّبع الرابع، و الزاوية سالبة.

θ = -π3
✅النّتيجة: الشكل المثلثي
z=2√2 (cos(-π3) + i sin(-π3))
⭐ المعامل الذي تكتبه أمام القوس هو الطويلة نفسها، لا عدد آخر. إن وجدتَ طويلة ثمّ كتبتَ معاملا مغايرا لها فالكتابتان لعددين مختلفين. و التحقّق في سطر: اضرب الطويلة في جيب تمام العمدة تجد الجزء الحقيقي، و اضربها في الجيب تجد الجزء التخيلي — و هما بالضبط جزءا العدد الذي بدأنا به.
⛔ لا تسقط الحرف i أبدا من الكتابة المثلثيّة. مجموع جيب تمام زاوية و جيبها، دون الحرف i، عدد حقيقي؛ و ليس كتابة لعدد مركّب. جرّب بالزاوية ⁦π/4⁩: الكتابة الناقصة تعطي العدد الحقيقي 2، و هو لا علاقة له بالعدد الذي بدأنا به. الحرف i هو ما يفصل الجزء التخيلي عن الجزء الحقيقي.

3. الجداء: تُضرب الطويلتان و تُجمع العمدتان

نأخذ عددين مركّبين غير معدومين z و z'، مكتوبين على الشكل المثلثي بطويلتين r و r' و عمدتين θ و θ'. البرهان يقوم على دستوري الجمع في حساب المثلّثات، و هما دستوران من السنة الماضية نُذكّر بهما هنا لأنّ كلّ الحساب يمرّ بهما.

دستور الجمع لجيب التمام
cos(θ + θ') = cos(θ) cos(θ') - sin(θ) sin(θ')
دستور الجمع للجيب

⭐ هذان الدستوران هما كلّ سرّ هذا الدرس: هما اللذان يحوّلان ضرب كتابتين مثلثيّتين إلى جمع زاويتيهما.

sin(θ + θ') = sin(θ) cos(θ') + sin(θ') cos(θ)

و الآن ننشر الجداء. الطويلتان عددان حقيقيّان فيخرجان من القوس بالضرب، و يبقى نشر القوسين.

🔹الخطوة الأولى من البرهان: نشر الجداء

ننشر القوسين حدّا حدّا، ثمّ نعوّض i² بـ ⁦−1⁩ في الحدّ الذي يحمله، و نجمع الحدود الحقيقيّة معا و الحدود التخيليّة معا.

z z'=r r' [(cos(θ) cos(θ') - sin(θ) sin(θ')) + i (sin(θ) cos(θ') + sin(θ') cos(θ))]
🔹الخطوة الثانية: تطبيق دستوري الجمع

المقدار الأوّل داخل القوس هو بالضبط الطرف الأيمن من دستور جيب التمام، و المقدار الثاني هو بالضبط الطرف الأيمن من دستور الجيب.

z z'=r r' (cos(θ + θ') + i sin(θ + θ'))

و الطرف الأيمن كتابة مثلثيّة صحيحة لأنّ الجداء r r' موجب تماما. فنقرأ عليه مباشرة طويلة الجداء و عمدة له.

طويلة جداء
|z z'| = |z| × |z'|
عمدة جداء

⛔ الترديد 2π ضروري هنا: مجموع عمدتين قد يخرج من المجال الذي اخترناه للعمد، و مع ذلك يبقى عمدة صحيحة للجداء.

arg(z z') ≡ arg(z) + arg(z') [2π]
مثال 3: جداء عددين، بالمرور إلى الشكل المثلثي

العددان z₁ و z₂ معطيان على الشكل الجبري.

🎯المطلوب: احسب طويلة الجداء z₁ z₂ و عمدة له، ثمّ اكتب هذا الجداء على الشكل المثلثي.

📌المعطى: العامل الأوّل
z₁ = 1 + i
📌المعطى: العامل الثاني
z₂ = -1 - i√3
🔹الخطوة 1: الشكل المثلثي للعامل الأوّل

نكتب العامل الأوّل مثلثيّا؛ و قد حسبناه في المثال 1.

z₁=√2 (cos(π4) + i sin(π4))
🔹الخطوة 2: طويلة العامل الثاني

طويلة العامل الثاني: مربّع 1 زائد مربّع الجذر 3، أي ⁦1 + 3 = 4⁩، و جذره 2.

|z₂|=√(1 + 3)=√4=2
🔹الخطوة 3: عمدة العامل الثاني

الجزآن سالبان معا، فالنقطة في الرّبع الثالث؛ و جيب التمام يساوي ⁦−1/2⁩ و الجيب ⁦−√3/2⁩.

arg(z₂) ≡ 4π3 [2π]
🔹الخطوة 4: الشكل المثلثي للعامل الثاني
z₂=2 (cos(4π3) + i sin(4π3))
🔹الخطوة 5: طويلة الجداء

نضرب الطويلتين.

|z₁ z₂|=√2 × 2=2√2
🔹الخطوة 6: عمدة الجداء

و نجمع العمدتين، بعد توحيد المقامات على 12.

arg(z₁ z₂) ≡ π4 + 4π3=3π12 + 16π12=19π12 [2π]
✅النّتيجة: الشكل المثلثي للجداء
z₁ z₂=2√2 (cos(19π12) + i sin(19π12))
النشر على الشكل الجبري ممكن هنا كذلك، و يعطي جوابا صحيحا. لكن جرّب أن ترفع العدد إلى القوّة الثامنة بهذه الطريقة، ثمّ بالطريقة المثلثيّة: هناك يظهر الفرق.

4. المقلوب: تُقلب الطويلة و تُعاكَس العمدة

كلّ عدد مركّب غير معدوم z له مقلوب وحيد في مجموعة الأعداد المركّبة، نرمز له بالكتابة ⁦1/z⁩. و على الشكل الجبري يُحسب هذا المقلوب بضرب البسط و المقام في مرافق المقام.

مقلوب عدد مركّب على الشكل الجبري

⛔ و هنا الخطوة التي يقفز عليها كثير من الكتب و لا يجب أن نقفز عليها: هذه الكتابة معرّفة لأنّ ⁦x² + y²⁩ لا ينعدم، و هو لا ينعدم إذا و فقط إذا كان z غير معدوم. الشرط « z غير معدوم » ليس زينة، بل هو ما يجعل القسمة ممكنة.

1z=xx² + y² + i -yx² + y²

أمّا على الشكل المثلثي فالنتيجة أبسط بكثير، و تُقرأ من خاصّيتي الجداء إذا طبّقناهما على العدد z و مقلوبه، لأنّ جداءهما يساوي 1، و العدد 1 طويلته 1 و عمدته معدومة.

طويلة المقلوب
|1z| = 1|z|
عمدة المقلوب

لأنّ مجموع عمدة العدد و عمدة مقلوبه هو عمدة الجداء، أي عمدة العدد 1، و هي معدومة بترديد 2π.

arg(1z) ≡ - arg(z) [2π]
المقلوب على الشكل المثلثي

⭐ هندسيّا: المقلوب يقلب الطول و يعكس الزاوية. فإن كانت النقطة خارج الدائرة المثلثيّة دخلت صورتها إليها، و العكس بالعكس.

1z=(1r) (cos(-θ) + i sin(-θ))
مثال 4: مقلوب عدد مركّب، بالطريقتين

العدد z هو نفسه عدد المثال 1، كي نتمكّن من مقارنة الطريقين على حالة واحدة.

🎯المطلوب: احسب مقلوب العدد z على الشكل الجبري ثمّ على الشكل المثلثي، و تحقّق من توافق النتيجتين.

📌المعطى
z = 1 + i
🔹الخطوة 1: الضرب في المرافق

الطريق الأوّل، على الشكل الجبري: نضرب البسط و المقام في مرافق المقام.

11 + i=1 - i(1 + i)(1 - i)
🔹الخطوة 2: نشر المقام

ننشر المقام: هو من الشكل مجموع في فرق، فيساوي ⁦1 − i²⁩، أي ⁦1 + 1⁩.

(1 + i)(1 - i)=1 - i²=1 + 1=2
🔹الخطوة 3: الشكل الجبري للمقلوب
11 + i=12 - (12) i
🔹الخطوة 4: طويلة المقلوب

الطريق الثاني، على الشكل المثلثي: طويلة المقلوب هي مقلوب الطويلة ⁦√2⁩.

|1z|=1√2=√22
🔹الخطوة 5: عمدة المقلوب

و عمدة المقلوب هي مقابل عمدة العدد، و قد وجدنا عمدته ⁦π/4⁩ في المثال 1.

arg(1z) ≡ -π4 [2π]
✅النّتيجة: الشكل المثلثي للمقلوب
1z=(√22) (cos(-π4) + i sin(-π4))
الطريقان يعطيان العدد نفسه: ⁦√2/2⁩ مضروبا في جيب تمام ⁦−π/4⁩ و هو ⁦√2/2⁩ يعطي ⁦1/2⁩، و مضروبا في جيب ⁦−π/4⁩ و هو ⁦−√2/2⁩ يعطي ⁦−1/2⁩. و هذا هو التحقّق.

5. القسمة: تُقسم الطويلتان و تُطرح العمدتان

القسمة ليست عمليّة جديدة: قسمة z على z' هي ضرب z في مقلوب z'. لذلك تُستنتج خاصّيّتاها من خاصّيتي الجداء و المقلوب مباشرة. و مع ذلك نعيد البرهان المباشر، لأنّه هو الذي يُطلب في الامتحان.

نضرب البسط و المقام في مرافق المقام، أي في العدد الذي عمدته مقابلة لعمدة z'. المقام الناتج جداء كتابة مثلثيّة في مرافقها، فلا يمكن أن يحمل إلّا الزاوية θ' وحدها.

مقام القسمة بعد الضرب في مرافق المقام

⛔ انتبه إلى أنّ الزاوية هنا هي θ' و ليست θ: نحن ضربنا في مرافق المقام، و المقام هو الذي يحمل θ'. و لهذا يساوي المقام الناتج 1 بالضبط، لأنّ مجموع مربّعي جيب التمام و الجيب لزاوية واحدة يساوي 1.

(cos(θ') + i sin(θ'))(cos(θ') - i sin(θ'))=cos²(θ') + sin²(θ')=1
بسط القسمة بعد الضرب في مرافق المقام

و هذا البسط هو بالضبط الطرف الأيمن لدستوري الفرق: جيب تمام الفرق في الجزء الحقيقي، و جيب الفرق في الجزء التخيلي.

(cos(θ) cos(θ') + sin(θ) sin(θ')) + i (sin(θ) cos(θ') - sin(θ') cos(θ))
حاصل القسمة على الشكل المثلثي
zz'=(rr') (cos(θ - θ') + i sin(θ - θ'))
طويلة حاصل قسمة
|zz'| = |z||z'|
عمدة حاصل قسمة
arg(zz') ≡ arg(z) - arg(z') [2π]
مثال 5: حاصل قسمة، على الشكل المثلثي

العددان في البسط و في المقام هما عددا المثال 3 نفسهما.

🎯المطلوب: اكتب حاصل القسمة z₃ على الشكل المثلثي دون المرور بالشكل الجبري.

📌المعطى
z₃=1 + i-1 - i√3
🔹الخطوة 1: طويلة البسط

نستعمل الشكلين المثلثيّين اللذين وجدناهما في المثال 3، و نبدأ بطويلة البسط.

|1 + i| = √2
🔹الخطوة 2: طويلة المقام

ثمّ طويلة المقام.

|-1 - i√3| = 2
🔹الخطوة 3: طويلة الحاصل

نقسم الطويلتين.

|z₃| = √22
🔹الخطوة 4: عمدة الحاصل

و نطرح العمدتين، بعد توحيد المقامات على 12.

arg(z₃) ≡ π4 - 4π3=3π12 - 16π12=-13π12 [2π]
✅النّتيجة: الشكل المثلثي للحاصل
z₃=(√22) (cos(-13π12) + i sin(-13π12))
الشكل الجبري لهذا الحاصل موجود كذلك، و يُحسب بضرب البسط و المقام في مرافق المقام — لكنّه لا يُظهر لا الطويلة و لا العمدة. الشكلان صحيحان، و لكلّ منهما سؤاله.

6. القوّة النونيّة: تُرفع الطويلة و تُضرب العمدة في n

خاصّيّة القوّة ليست خاصّيّة جديدة: هي الجداء مطبّقا n مرّة على العدد نفسه. و البرهان عليها يكون بالاستدلال بالتراجع على n، و هذا الاستدلال يُطلب أحيانا في الامتحان، فلنقُمْ به.

  1. التحقّق من أجل الأسّ 1: الطرفان يساويان العدد نفسه، لأنّ الطويلة مرفوعة إلى القوّة 1 هي الطويلة، و العمدة مضروبة في 1 هي العمدة.
  2. الفرضيّة: نفترض أنّ الخاصّيّة صحيحة من أجل عدد طبيعي k غير معدوم، أي أنّ العدد مرفوعا إلى القوّة k طويلته r مرفوعة إلى القوّة k و عمدته k مضروبة في θ.
  3. الانتقال إلى ⁦k + 1⁩: نكتب العدد مرفوعا إلى القوّة ⁦k + 1⁩ على أنّه جداء العدد مرفوعا إلى القوّة k في العدد نفسه، ثمّ نطبّق خاصّيّة الجداء: تُضرب الطويلتان فتُعطي r مرفوعة إلى القوّة ⁦k + 1⁩، و تُجمع العمدتان فتُعطي k مضروبة في θ ثمّ مزادة بـ θ، أي ⁦k + 1⁩ مضروبة في θ.
  4. الخلاصة: الخاصّيّة صحيحة من أجل 1، و تنتقل من k إلى ⁦k + 1⁩، فهي صحيحة من أجل كلّ عدد طبيعي غير معدوم.
طويلة القوّة النونيّة
|zn| = |z|n
عمدة القوّة النونيّة

⛔ الترديد 2π لا يُستغنى عنه هنا أكثر من أيّ مكان آخر: العدد ⁦n arg(z)⁩ يكبر مع n و يخرج بسرعة من أيّ مجال نختاره، بينما تبقى العمدة صحيحة.

arg(zn) ≡ n arg(z) [2π]
nعدد طبيعي غير معدوم
القوّة النونيّة على الشكل المثلثي

⭐ و هذه الكتابة هي التي تحمل، من دون أن تسمّيه بعد، دستور موافر: خذ عددا طويلته 1 و ستقرأ الدستور كما هو.

zn = rn (cos(n θ) + i sin(n θ))
مثال 6: قوّة رابعة تُحسب بجمع الزوايا

العدد z هو عدد المثال 1، و المطلوب قوّته الرابعة.

🎯المطلوب: احسب القوّة الرابعة للعدد z بالمرور إلى الشكل المثلثي، ثمّ تحقّق من النتيجة بالحساب الجبري.

📌المعطى
z = 1 + i ; n = 4
🔹الخطوة 1: الشكل المثلثي للأساس

نأخذ الشكل المثلثي المحسوب في المثال 1.

z=√2 (cos(π4) + i sin(π4))
🔹الخطوة 2: طويلة القوّة

نرفع الطويلة إلى القوّة 4: مربّع الجذر 2 هو 2، و مربّع 2 هو 4.

|z⁴|=(√2)⁴=2²=4
🔹الخطوة 3: عمدة القوّة

و نضرب العمدة في 4.

arg(z⁴) ≡ 4 × (π4) = π [2π]
🔹الخطوة 4: الشكل المثلثي للقوّة
z⁴ = 4 (cos(π) + i sin(π))
✅النّتيجة

جيب تمام π يساوي ⁦−1⁩ و جيب π يساوي 0، فالنتيجة عدد حقيقي.

z⁴=4 × (-1)=-4
التحقّق الجبري في سطرين: مربّع ⁦1 + i⁩ هو 2i، و مربّع 2i هو ⁦−4⁩. النتيجتان متطابقتان. ⭐ و لاحظ الفائدة: القوّة الرابعة صارت ضربا في 4 و جمعا للزاوية أربع مرّات، لا أربعة نشرات جبريّة.
✅النّتيجة: العمليّات الأربع على الشكل المثلثي
العمليّةالطويلةالعمدة بترديد 2π
الجداء z z'⁦|z| × |z'|⁩⁦arg(z) + arg(z')⁩
المقلوب ⁦1/z⁩⁦1|z|⁩- ⁦arg(z)⁩
القسمة ⁦z/z'⁩⁦|z||z'|⁩⁦arg(z) - arg(z')⁩
القوّة zn⁦|z|n⁩⁦n arg(z)⁩
اقرأ الجدول عموديّا: عمود الطويلة يحمل ضربا و قسمة و قوّة، و عمود العمدة يحمل جمعا و طرحا و ضربا في n. العمليّة تنزل درجة واحدة حين تنتقل من الطويلة إلى العمدة.

7. تطبيق هندسي: طبيعة مثلّث تُقرأ على حاصل قسمة

الفائدة الكبرى لهاتين الخاصّيّتين في الهندسة أنّ حاصل القسمة يحمل المعلومتين معا: طويلته نسبة طولين، و عمدة له قيس للزاوية الموجّهة بين شعاعين. فبحساب واحد نحصل على نسبة الأضلاع و على الزاوية.

طويلة حاصل قسمة فرقين هي نسبة طولين

لأنّ طويلة فرق لاحقتين هي المسافة بين النقطتين، و طويلة حاصل قسمة هي حاصل قسمة الطويلتين.

|zB - zAzC - zA|=ABAC
عمدة حاصل قسمة فرقين هي زاوية موجّهة

لأنّ عمدة حاصل القسمة هي فرق العمدتين، و فرق الزاويتين اللتين يصنعهما الشعاعان مع محور الفواصل هو الزاوية الموجّهة بينهما.

arg((zB - zA) / (zC - zA)) ≡ (AC , AB) [2π]
مثال 7: مثلّث متقايس الأضلاع

في المستوي المركّب المنسوب إلى معلم متعامد و متجانس، النقط A و B و C معطاة بلواحقها.

🎯المطلوب: حدّد طبيعة المثلّث الذي رؤوسه هي هذه النقط الثلاث.

📌المعطى: لاحقة النقطة الأولى
zA = -i√3
📌المعطى: لاحقة النقطة الثانية
zB = 3 + 2i√3
📌المعطى: لاحقة النقطة الثالثة
zC = -3 + 2i√3
🔹الخطوة 1: لاحقة الشعاع الأوّل

نحسب لاحقة الشعاع الأوّل بطرح لاحقة المبدأ من لاحقة النهاية.

zB - zA=3 + 2i√3 + i√3=3 + 3i√3
🔹الخطوة 2: لاحقة الشعاع الثاني

و كذلك لاحقة الشعاع الثاني.

zC - zA=-3 + 2i√3 + i√3=-3 + 3i√3
🔹الخطوة 3: الطول الأوّل

نحسب الطول الأوّل: مربّع 3 هو 9، و مربّع ⁦3√3⁩ هو 27، و مجموعهما 36.

AB=√(9 + 27)=√36=6
🔹الخطوة 4: الطول الثاني

و بالحساب نفسه، لأنّ تربيع ⁦−3⁩ يعطي 9 كذلك.

AC=√(9 + 27)=6
🔹الخطوة 5: الطول الثالث

و نحسب الضلع الثالث مباشرة: الفرق بين اللاحقتين عدد حقيقي، فطويلته قيمته المطلقة.

BC=|zC - zB|=|-6|=6
✅النّتيجة
AB=AC=BC=6
⭐ هناك طريق ثان يمرّ بحاصل القسمة: طويلته تساوي 1، و منه تساوي الضلعين المنطلقين من الرأس الأوّل؛ و عمدته تساوي ⁦−π/3⁩، فتعطي زاوية ذلك الرأس. و انتبه: الزاوية ⁦−π/3⁩ موجّهة، و قيسها الهندسي هو قيمتها المطلقة ⁦π/3⁩، أي 60 درجة. و مثلّث متساوي الساقين زاويته الرأسيّة 60 درجة هو متقايس الأضلاع.

الرؤوس الثلاثة في المعلم هي إذن A ذات الفاصلة 0 و الترتيب ⁦−√3⁩، و B ذات الفاصلة 3 و الترتيب ⁦2√3⁩، و C ذات الفاصلة ⁦−3⁩ و الترتيب ⁦2√3⁩. و طول كلّ ضلع 6.

في البكالوريا لا يُطلب الشكل المثلثي لذاته في الغالب، بل يُطلب حساب قوّة كبيرة أو تعيين طبيعة مثلّث أو إثبات استقامة نقط. و العلامة تضيع دائما في المكانين نفسيهما: كتابة المعامل أمام القوس مخالفا للطويلة المحسوبة، و إسقاط الترديد 2π من مساواة العمد. اكتب دائما الطويلة أوّلا، ثمّ انسخها بنفسها أمام القوس.
و جسر إلى درس آخر: الخاصّيّة « تُجمع العمدتان في الجداء » هي بعينها خاصّيّة الدالّة الأسّيّة التي تحوّل المجموع إلى جداء. هذا التطابق ليس مصادفة، و هو الذي يبرّر الترميز الأسّي الذي رأيته من قبل، و سيقودك إلى دستور موافر.
الخلاصة في خمسة أسطر. ① عدد مركّب غير معدوم يُكتب بطويلته أمام قوس يحمل جيب تمام عمدة له و جيبها، و لا تكون الكتابة مثلثيّة إلّا إذا كان المعامل موجبا تماما. ② لتعيين θ لا تكتفِ بجيب التمام: احسبه مع الجيب معا. ③ في الجداء تُضرب الطويلتان و تُجمع العمدتان؛ و في القسمة تُقسم الطويلتان و تُطرح العمدتان؛ و في المقلوب تُقلب الطويلة و تُعاكَس العمدة. ④ في القوّة النونيّة تُرفع الطويلة إلى القوّة n و تُضرب العمدة في n — و هذا هو الباب إلى دستور موافر. ⑤ كلّ مساواة بين العمد تُكتب بترديد 2π، و كلّ كتابة مثلثيّة تحمل الحرف i أمام الجيب.

الصفحة 1/15

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