تعريف 3.5الرياضيات الجامعية — السنة 1 · الفصل 3 — الأعداد العقدية
من أجل θ∈R نعرّف
eiθ=cosθ+isinθ.
ويمكن كتابة كل z=0 على الصورة z=reiθ حيث r=∣z∣>0؛ ويكون θعمدةً للعدد z، محدَّدةً بإضافة مضاعف للعدد 2π. والقيمة الواقعة في (−π,π] هي العمدة الرئيسة، وتُكتب argz.
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).
والثانية، إذا أُعيدت كتابتها eiπ+1=0، هي متطابقة أويلر الشهيرة التي تربط e و i و π و 1 و 0؛ 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 بصيغة دي موافر)
نكتب c=cosθ و s=sinθ. تعطي صيغة دي موافر ومبرهنة ثنائي الحدّ
cos3θ+isin3θ=(c+is)3=c3−3cs2+i(3c2s−s3),
وبمطابقة الجزأين الحقيقيين، ثم بتعويض s2=1−c2:
cos3θ=c3−3c(1−c2)=4cos3θ−3cosθ.
ويعطي الجزء التخيلي sin3θ=3sinθ−4sin3θ مجانًا: فكل متطابقة عقدية تحمل متطابقتين حقيقيتين دائمًا. والمتطابقة المؤطَّرة، مقروءةً بالمقلوب، هي مفتاح معادلة التثليث الكلاسيكية: فإنشاء cos(θ/3) انطلاقًا من cosθ يعني حلّ المعادلة التكعيبية 4x3−3x=cosθ، وهنا يتسلّم الأمر جبرُ الفصل 8.
مثال 3.13(مجموع مثلثي ثنائي)
من أجل n∈N و θ∈R، احسب S=∑k=0n(kn)coskθ. تعرّف على الجزء الحقيقي لنشر ثنائي:
S=ℜk=0∑n(kn)(eiθ)k=ℜ(1+eiθ)n,
ثم عمّل نصف الزاوية (الطريقة 3.11 (4)): 1+eiθ=2cos2θeiθ/2، ومنه
S=ℜ(2ncosn2θeinθ/2)=2ncosn2θcos2nθ.
ويعطي الجزء التخيلي ∑k(kn)sinkθ=2ncosn2θsin2nθ مجانًا. وللتحقق: θ=0 يستعيد ∑(kn)=2n، و θ=π يعطي S=0 من أجل n≥1 (إذ ينعدم كل عامل cos2π)، 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.