الرياضيات · المسرد

ما معنى الأسّي العقدي لعمدة تخيلية؟

يُعرف أيضًا باسم: عمدة

تعريف 3.5 الرياضيات الجامعية — السنة 1 · الفصل 3 — الأعداد العقدية

من أجل θR\theta \in \R نعرّف

eiθ=cosθ+isinθ.\eu^{\iu\theta} = \cos\theta + \iu \sin\theta .

ويمكن كتابة كل z0z \neq 0 على الصورة z=reiθz = r\,\eu^{\iu\theta} حيث r=z>0r = \abs z > 0؛ ويكون θ\theta عمدةً للعدد zz، محدَّدةً بإضافة مضاعف للعدد 2π2\pi. والقيمة الواقعة في (π,π]\intoc{-\pi}{\pi} هي العمدة الرئيسة، وتُكتب argz\arg z.

أمثلة

مثال 3.6 (القيم الأولى، ومتطابقة شهيرة)

بقراءة التعريف عند الزوايا الأصلية:

eiπ/2=i,eiπ=1,e2iπ=1,eiπ/4=22(1+i).\eu^{\iu\pi/2} = \iu, \qquad \eu^{\iu\pi} = -1, \qquad \eu^{2\iu\pi} = 1, \qquad \eu^{\iu\pi/4} = \frac{\sqrt2}2\,(1 + \iu) .

والثانية، إذا أُعيدت كتابتها eiπ+1=0\eu^{\iu\pi} + 1 = 0، هي متطابقة أويلر الشهيرة التي تربط e\eu و i\iu و π\pi و 11 و 00؛ وهي في هذه المرحلة من الكتاب فكُّ تعريف لا مبرهنة، أمّا مضمونها الحقيقي — أي لماذا تستحق الدالة الأسّية التحليلية في الفصل 4، ممدَّدةً إلى العمد التخيلية، الاسم نفسه — فتحسمه المتسلسلة الصحيحة في الفصل 17. وفي هذه الأثناء، يستحق العرض أعلاه أن يُحفظ بوصفه جدول تحويل: فهو يُستعمل ضمنًا كلما قُرئت عمدةٌ من رسم.

مثال 3.9 (نشر cos3θ\cos 3\theta بصيغة دي موافر)

نكتب c=cosθc = \cos\theta و s=sinθs = \sin\theta. تعطي صيغة دي موافر ومبرهنة ثنائي الحدّ

cos3θ+isin3θ=(c+is)3=c33cs2+i(3c2ss3),\cos 3\theta + \iu \sin 3\theta = (c + \iu s)^3 = c^3 - 3cs^2 + \iu\,(3c^2 s - s^3),

وبمطابقة الجزأين الحقيقيين، ثم بتعويض s2=1c2s^2 = 1 - c^2:

cos3θ=c33c(1c2)=4cos3θ3cosθ.\cos 3\theta = c^3 - 3c(1 - c^2) = 4\cos^3\theta - 3\cos\theta .

ويعطي الجزء التخيلي sin3θ=3sinθ4sin3θ\sin 3\theta = 3\sin\theta - 4\sin^3\theta مجانًا: فكل متطابقة عقدية تحمل متطابقتين حقيقيتين دائمًا. والمتطابقة المؤطَّرة، مقروءةً بالمقلوب، هي مفتاح معادلة التثليث الكلاسيكية: فإنشاء cos(θ/3)\cos(\theta/3) انطلاقًا من cosθ\cos\theta يعني حلّ المعادلة التكعيبية 4x33x=cosθ4x^3 - 3x = \cos\theta، وهنا يتسلّم الأمر جبرُ الفصل 8.

مثال 3.13 (مجموع مثلثي ثنائي)

من أجل nNn \in \N و θR\theta \in \R، احسب S=k=0n(nk)coskθS = \sum_{k=0}^{n}\binom nk \cos k\theta. تعرّف على الجزء الحقيقي لنشر ثنائي:

S=k=0n(nk)(eiθ)k=(1+eiθ)n,S = \Re\sum_{k=0}^n \binom nk \bigl(\eu^{\iu\theta}\bigr)^k = \Re\bigl(1 + \eu^{\iu\theta}\bigr)^n ,

ثم عمّل نصف الزاوية (الطريقة 3.11 (4)): 1+eiθ=2cosθ2eiθ/21 + \eu^{\iu\theta} = 2\cos\frac\theta2\,\eu^{\iu\theta/2}، ومنه

S=(2ncosnθ2  einθ/2)=2ncosnθ2cosnθ2.S = \Re\Bigl(2^n\cos^n\frac\theta2\;\eu^{\iu n\theta/2}\Bigr) = 2^n \cos^n\frac\theta2\,\cos\frac{n\theta}2 .

ويعطي الجزء التخيلي k(nk)sinkθ=2ncosnθ2sinnθ2\sum_k\binom nk\sin k\theta = 2^n\cos^n\frac\theta2\sin\frac{n\theta}2 مجانًا. وللتحقق: θ=0\theta = 0 يستعيد (nk)=2n\sum\binom nk = 2^n، و θ=π\theta = \pi يعطي S=0S = 0 من أجل n1n \geq 1 (إذ ينعدم كل عامل cosπ2\cos\frac\pi2)، أي المجموع المتناوب لسطر المثال 2.17. والطريقة — «انظر إلى مجموع جيوب التمام بوصفه ظلًّا لقوة عقدية، ثم عمّل أنصاف الزوايا» — هي بالضبط طريقة التمرين 3.6، مع إحلال مبرهنة ثنائي الحدّ محلّ المتسلسلة الهندسية.

اقرأ في الفصل ←