ریاضی را حرف بزن · دانشگاه
اعداد مختلط: نقطههایی که میچرخند
عدد مختلط یک نقطه روی صفحه است، و ضرب در آن صفحه را میچرخاند و میکشد. هفت علامت میگویند نقطه کجاست، چقدر دور است و رو به کدام سو است.
پیشنویس: نوشتهٔ یک دستیار هوش مصنوعی؛ هنوز معلمی آن را بررسی نکرده است.
الفبا
هر نماد را همانطور که زیرش نوشته شده بلند بخوان.
- بخوان: i به توان دو مساوی است با منفی یکیعنی: i عدد تازهای است که مربعش −۱ است؛ ضرب در i یک چرخش ربعدور است
- بخوان: z مساوی است با a بهاضافهٔ b ضرب در iیعنی: نقطهای با a واحد به راست و b واحد بالا: a قسمت حقیقی و b قسمت موهومی است
- بخوان: قسمت حقیقی z برابر a است؛ قسمت موهومی z برابر b استیعنی: مقدار راست و بالای نقطهٔ z
- بخوان: z بار مساوی است با a منهای b ضرب در i (مزدوج z)یعنی: قرینهٔ z نسبت به محور افقی
- بخوان: قدر مطلق z مساوی است با جذر a به توان دو بهاضافهٔ b به توان دویعنی: فاصلهٔ z تا مبدأ
- بخوان: آرگومان z مساوی است با تتایعنی: زاویهٔ محور راست تا z، خلاف جهت عقربههای ساعت
- بخوان: e به توان i تتا مساوی است با کسینوس تتا بهاضافهٔ i ضرب در سینوس تتایعنی: نقطهای روی دایرهٔ به شعاع یک با زاویهٔ θ: یک چرخش به اندازهٔ θ
داستان: چرخِ چرخان
روی هر سطر بزن تا کلمههایش را ببینی.
- چرخی به شعاع ۲ روی صفحه است. نشانهای روی لبهٔ آن از انتهای راست شروع میکند، ۲ واحد به راست.
- یک ربعدور خلاف جهت عقربههای ساعت یعنی ضرب در i. نشانه حالا بالاست، در ۲i.
- ربعدور بعدی دوباره ضرب در i است. i ضرب در i میشود −۱، پس نشانه به −۲ میرسد: نیمدور.
- کمی بعد نشانه ۱ واحد به راست و √۳ واحد بالاست.
- قرینهٔ آن نسبت به محور افقی ۱ واحد به راست و √۳ واحد پایین است.
- فاصلهٔ آن از مرکز ۲ است: هنوز روی لبهٔ چرخ است.
- زاویهٔ آن با محور راست π بر ۳ است، یعنی یکششمِ یک دور کامل.
- پس نشانه ۲ برابرِ نقطهای روی دایرهٔ واحد با زاویهٔ π بر ۳ است، یعنی ۲ ضرب در e به توان i ضرب در π بر ۳.
- ضرب نشانه در قرینهاش ۴ میشود، یعنی مربع فاصلهاش.
- چرخش به اندازهٔ π یک نیمدور است و هر نقطه را به قرینهاش نسبت به مبدأ میبرد: e به توان iπ برابر −۱ است.
این داستان با کلمهها ۷۴۰ حرف است؛ با نمادها ۱۰۹.
بخوانش
چه میگوید؟
بنویسش
کدام نمادنویسی همین را میگوید؟
z عددی مختلط با قسمت حقیقی a و قسمت موهومی b است.
فاصلهٔ z = a + bi تا مبدأ.
نقطهای روی دایرهٔ به شعاع یک با زاویهٔ θ برابر است با کسینوس θ بهاضافهٔ i ضرب در سینوس θ، که همان e به توان iθ است.
قرینهٔ z = ۳ + ۴i نسبت به محور افقی.
نقطهای با ۲ واحد به چپ و ۵ واحد بالا.
قسمت حقیقی z برابر ۴ و قسمت موهومی z برابر −۱ است.
i ضرب در i مساوی است با منفی یک.
زاویهٔ z، خلاف جهت عقربههای ساعت از محور راست، π بر ۴ است.
نقطهٔ دایرهٔ واحد با زاویهٔ π بر ۲ همان i است.
فاصلهٔ ۱ + i تا مبدأ جذر ۲ است.
z بر حسب فاصلهاش r و زاویهاش θ: r ضرب در e به توان iθ.
یک نقطه و قرینهاش از مبدأ همفاصلهاند.
بسازش
کاشیها را به ترتیب بزن. یکی از کاشیها اضافه است.
z ضرب در z بار مساوی است با مربع قدر مطلق z.
e به توان iπ بهاضافهٔ یک مساوی است با صفر.
e به توان iθ مساوی است با کسینوس θ بهاضافهٔ i ضرب در سینوس θ.
قدر مطلق z مساوی است با جذرِ a به توان دو بهاضافهٔ b به توان دو.
آرگومان i مساوی است با π بر ۲.
قسمت حقیقی z بهاضافهٔ i ضرب در قسمت موهومی z دوباره z را میدهد.
چالشها
معماهای خلاقانهای که همهٔ نمادهای این فصل را به کار میبرند. عجله نکن؛ ساعتی در کار نیست.
1 چهار نقطه
چهار نقطه از صفحه در سطرها آمده است. تیک نشان میدهد نقطه ویژگی ستون را دارد یا نه. هر جمله را داوری کن.
| ✓ | ✓ | ✓ | ||
| ✓ | ||||
| ✓ | ✓ | ✓ | ||
| ✓ | ✓ |
تیک یعنی نقطهٔ سطر ویژگی ستون را دارد.
قرینه در محور افقی فقط علامت قسمت موهومی را برمیگرداند، و یک نقطه و قرینهٔ آن نسبت به مبدأ همفاصلهاند.
2 زبان نشانهها
هر خط را به معنایش وصل کن.
روی یک سطر بزن، بعد روی معنایش.
خط بالا قرینه میکند، خطهای عمودی فاصله را میسنجند، arg زاویه را میدهد و e^{iθ} زاویه را در یک نقطه جا میدهد.
3 اتحاد معروف
این باید بگوید: e به توان iπ، بهعلاوهٔ یک، میشود صفر. یکی از کاشیها غلط است. پیدایش کن و درستش کن.
روی کاشیِ غلط بزن.
چرخش به اندازهٔ π عدد ۱ را به −۱ میبرد، پس e^{iπ} = −۱ و e^{iπ} + ۱ = ۰.
4 مربع فاصله
این باید بگوید: مربع فاصلهٔ z = a + bi تا مبدأ برابر است با a² و b² با هم. یکی از کاشیها غلط است. پیدایش کن و درستش کن.
روی کاشیِ غلط بزن.
با فیثاغورس |z|² = a² + b²: مربع افقی بهعلاوهٔ مربع عمودی.
5 یک چهارمچرخشها
هر ضرب در i یک چهارم چرخش است. i⁷ چند است؟
چهار چرخشِ یکچهارم دوباره به ۱ میرسد، پس i⁷ = i³ = i²·i = −i.
6 چقدر از مرکز دور است؟
نقطهٔ z چقدر از مبدأ فاصله دارد؟
|z| = √(۶² + (−۸)²) = √۱۰۰ = ۱۰. علامت b مهم نیست، چون به توان دو میرسد.
7 نیمچرخش
نقطه کجا مینشیند؟
e^{iπ} یک نیمچرخش است، یعنی −۱، پس z = ۲·(−۱) = −۲.
8 نقطه و قرینهاش
حاصلضرب یک نقطه در قرینهاش عددی حقیقی است. آن را با فاصلهٔ z بنویس، بعد مقایسه کن.
یک راه:
(a + bi)(a − bi) = a² + b² = |z|² که حقیقی است و هرگز منفی نمیشود.
9 چهار نقطه، روی دایره و بیرون آن
چهار نقطه در سطرها آمده است؛ تیک نشان میدهد نقطه ویژگی ستون را دارد. هر جمله را داوری کن.
| ✓ | ✓ | ✓ | ||
| ✓ | ||||
| ✓ | ✓ | |||
| ✓ | ✓ |
تیک یعنی نقطهٔ سطر ویژگی ستون را دارد.
مربع کردن i یک نیمدور است، پس i² = −۱. نقطههای دقیقاً بالا و دقیقاً پایین در Re z = ۰ مشترکاند ولی زاویهشان یکی نیست، و e^{iπ/۲} برابر i است، نه −۱.
10 چهار چرخش
هر چرخش را به جایی که نقطهٔ ۱ را میبرد وصل کن.
روی یک سطر بزن، بعد روی معنایش.
e^{iθ} نقطهٔ دایرهٔ واحد با زاویهٔ θ است؛ زاویهٔ منفی در جهت عقربههای ساعت میچرخاند و ۲π یک دور کامل است.
11 حسابش کن
هر خط عددی است در لباس مبدل. آن را به مقدارش وصل کن.
روی یک سطر بزن، بعد روی معنایش.
√(۹ + ۱۶) = ۵؛ قسمت حقیقی همان ۳ است؛ بار علامت ۴i را برمیگرداند؛ و i(۳ + ۴i) = ۳i + ۴i² = −۴ + ۳i.
12 یک ربعدورِ یک نقطه
۲ + ۳i را در i ضرب کن: یک ربعدور خلاف جهت عقربههای ساعت. حاصل باید −۳ + ۲i باشد. یکی از کاشیها غلط است. پیدایش کن و درستش کن.
روی کاشیِ غلط بزن.
i(۲ + ۳i) = ۲i + ۳i² = ۲i − ۳: بالا به چپ تبدیل میشود و راست به بالا.
13 رو به کدام سو؟
نقطهای با ۱ واحد به چپ و ۱ واحد بالا در ربع بالا سمت چپ است، سههشتمِ یک دور از محور راست. یکی از کاشیها غلط است. پیدایش کن و درستش کن.
روی کاشیِ غلط بزن.
زاویه از محور راست سنجیده میشود: π/۴ برای ۱ به راست و ۱ به بالا میبود. یک به چپ و یک به بالا میشود π − π/۴ = ۳π/۴.
14 نقطه را پیدا کن
نقطهای در فاصلهٔ ۱۳ از مبدأ، ۵ واحد به راست و بالای محور است. کدام نقطه است؟
از ۲۵ + b² = ۱۶۹ نتیجه میشود b² = ۱۴۴، پس b = ۱۲ (مثبت، چون Im z > ۰). اینکه ۵ + ۸ = ۱۳ است، تله است.
15 سه بار یکششم دور
z نقطهای است یکششمِ دور روی دایرهٔ واحد. z به توان سه کجاست؟
به توان سه رساندن زاویه را سه برابر میکند: ۳ · π/۳ = π، یک نیمدور، و e^{iπ} = −۱.
16 مربعی که میچرخد
نقطهٔ ۱ به راست و ۱ به بالا را به توان دو برسان. به کجا میرسد؟
(۱ + i)² = ۱ + ۲i + i² = ۱ + ۲i − ۱ = ۲i. زاویه از π/۴ به π/۲ دو برابر میشود و فاصله از √۲ به ۲.
17 قرینهٔ یک چرخش
قرینهٔ نقطهٔ دایرهٔ واحد با زاویهٔ θ، نقطهای با زاویهٔ −θ است. آن را با بار و با e بنویس. بعد مقایسه کن.
یک راه:
قرینه در محور افقی علامت قسمت موهومی، یعنی sin θ، را برمیگرداند، که همان چرخش در جهت مخالف است: زاویهٔ −θ.
فصل تمام شد. این نمادها حالا مال تو هستند.
داستان خودت را بگو
یک داستان دوخطی با علامتها بنویس دربارهٔ نقطهای روی یک چرخ چرخان: از کجا شروع میکند، چه چیزی در آن ضرب میشود، به کجا میرسد. بررسی کن که |z| تغییر نمیکند.
فقط روی همین دستگاه نگه داشته میشود.