ראשי › חשבון ומתמטיקה › מספרים מרוכבים

כיתה י״ב · 5 יח״לחשבון ומתמטיקהשיעור 2 מתוך 245 דק'תיכוןמתאים לממלכתי ולממלכתי-דתי

🔄 הצגה קוטבית ומשפט דה־מואבר

📚 בהתאם לתוכנית הלימודים

בתוכנית החדשה לתיכון, 5 יח"ל, כיתה י"ב (שאלון 35572): "מרוכבים: הגדרה, הצגה אלגברית, שוויון, ארבע הפעולות. הצגה גרפית במישור גאוס... הצגה קוטבית (טריגונומטרית)... משפט דה-מואבר. שורשי יחידה, שורשים מסדר n". בבחינה 35572, בפרק הראשון: "הנדסה אנליטית, וקטורים (כולל טריגונומטריה במרחב), מספרים מרוכבים". הנושא לא נלמד ב-4 יח"ל.

משרד החינוך: המלצות הוראה תשפ"ז, 5 יח"ל (PDF)

🎯 מטרות השיעור

  • לעבור בין הצגה אלגברית להצגה קוטבית ‪z = r·cis θ‬.
  • לכפול ולחלק בהצגה קוטבית ולהבין את המשמעות: מתיחה וסיבוב.
  • להשתמש במשפט דה־מואבר לחישוב חזקות ולמציאת שורשים מסדר ‪n‬.

🚪 פתק כניסה (3 דקות)

בתחילת השיעור כל תלמיד עונה על פתק, בלי ציון:

  1. מהו ‪|1 + i|‬? ומהי הזווית בין הקטע מהראשית ל־‪(1, 1)‬ לבין הכיוון החיובי של ציר ‪x‬?
  2. חשבו: ‪(1 + i)²‬. מה קרה לזווית?
  3. כמה פתרונות ממשיים יש ל־‪x³ = 8‬? כמה פתרונות יש לדעתכם במרוכבים?

למורה: בשאלה 1 מצפים ל־‪√2‬ ול־‪45°‬. בשאלה 2 התוצאה ‪2i‬, בזווית ‪90°‬: הזווית הוכפלה. זה הרמז למשפט דה־מואבר.

🔑 מושגי מפתח

‪cis θ‬
קיצור של ‪cos θ + i·sin θ‬.
הצגה קוטבית
‪z = r·cis θ‬, כאשר ‪r = |z|‬ ו־‪θ‬ היא הזווית.
ארגומנט ‪θ‬
הזווית בין הכיוון החיובי של הציר הממשי לבין הקטע מהראשית אל ‪z‬. נהוג ‪0° ≤ θ < 360°‬.
משפט דה־מואבר
‪(r·cis θ)ⁿ = rⁿ·cis(nθ)‬.
שורש מסדר ‪n‬
כל פתרון של ‪zⁿ = w‬. ל־‪w ≠ 0‬ יש בדיוק ‪n‬ שורשים.
שורשי יחידה
הפתרונות של ‪zⁿ = 1‬.

📖 הסבר למורה

כל מספר ‪z ≠ 0‬ נקבע על ידי המרחק שלו מהראשית ‪r‬ ועל ידי הזווית ‪θ‬. מתקיים ‪a = r·cos θ‬ ו־‪b = r·sin θ‬, ולכן ‪z = r·cis θ‬. בבגרות כותבים זוויות במעלות.

כדי למצוא את ‪θ‬ מסמנים קודם את הנקודה ומזהים את הרביע. אחר כך מוצאים זווית עזר מ־‪tan α = |b/a|‬. טעות נפוצה: ל־‪−1 − i‬ לכתוב ‪45°‬ במקום ‪225°‬.

כפל: ‪r₁·cis θ₁ · r₂·cis θ₂ = r₁r₂·cis(θ₁ + θ₂)‬. חילוק: מחלקים את הערכים המוחלטים ומחסרים זוויות. גאומטרית, כפל ב־‪r·cis θ‬ מותח פי ‪r‬ ומסובב ב־‪θ‬ נגד כיוון השעון. כפל ב־‪i‬ הוא סיבוב ב־‪90°‬.

משפט דה־מואבר נובע מכפל חוזר: ‪(r·cis θ)ⁿ = rⁿ·cis(nθ)‬. כך מחשבים חזקה גבוהה בלי לפתוח סוגריים. בסוף מורידים כפולות של ‪360°‬ מהזווית.

שורשים: אם ‪w = R·cis α‬, הפתרונות של ‪zⁿ = w‬ הם ‪z = ⁿ√R·cis((α + 360°·k)/n)‬, עבור ‪k = 0, 1, …, n−1‬. כולם על מעגל ברדיוס ‪ⁿ√R‬, במרווחים של ‪360°/n‬, ולכן הם קודקודים של מצולע משוכלל. טעות נפוצה: למצוא שורש אחד בלבד.

✏️ דוגמאות פתורות ללוח

דוגמה 1. כתבו בהצגה קוטבית: ‪z = −2 + 2√3·i‬.

  1. ‪r = √(4 + 12) = 4‬.
  2. הנקודה ‪(−2, 2√3)‬ ברביע השני.
  3. זווית עזר: ‪tan α = 2√3/2 = √3‬, ולכן ‪α = 60°‬.
  4. ‪θ = 180° − 60° = 120°‬.

תשובה: ‪z = 4·cis 120°‬

דוגמה 2. חשבו: ‪(1 − √3·i)⁶‬.

  1. ‪r = √(1 + 3) = 2‬, הנקודה ברביע הרביעי, זווית עזר ‪60°‬, ולכן ‪θ = 300°‬.
  2. דה־מואבר: ‪2⁶·cis(6·300°) = 64·cis 1800°‬.
  3. ‪1800° = 5·360°‬, ולכן ‪cis 1800° = cis 0° = 1‬.

תשובה: ‪64‬

דוגמה 3. פתרו: ‪z⁴ = −16‬ ותארו את הפתרונות במישור גאוס.

  1. ‪−16 = 16·cis 180°‬.
  2. ‪z = ⁴√16·cis((180° + 360°·k)/4) = 2·cis(45° + 90°·k)‬.
  3. ‪k = 0, 1, 2, 3‬: הזוויות ‪45°, 135°, 225°, 315°‬.
  4. ‪2·cis 45° = √2 + √2·i‬, ובאותו אופן שאר הנקודות.
  5. ארבע נקודות על מעגל ברדיוס 2: קודקודי ריבוע.

תשובה: ‪z = ±√2 ± √2·i‬ (ארבעה פתרונות, קודקודי ריבוע)

👩‍🏫 פעילות בכיתה

  1. פתיחה: שאלות הכניסה (5 דקות).
  2. בניית ההצגה הקוטבית מהשרטוט: ‪a = r·cos θ‬, ‪b = r·sin θ‬.
  3. דוגמה 1 על הלוח, ואז כל זוג ממיר מספר אחד מכל רביע.
  4. גילוי: מכפילים ‪2·cis 30°‬ ב־‪3·cis 60°‬ אלגברית ובודקים מה קרה ל־‪r‬ ול־‪θ‬.
  5. דוגמה 2 (דה־מואבר) ודוגמה 3 (שורשים) בהנחיית המורה.
  6. דף עבודה: שאלות 1 עד 5, מתקדמים לחלק הכוכב.
  7. סיכום ושאלות יציאה.

💡 הערות למורה

הטעות הנפוצה ביותר היא זווית ברביע הלא נכון: דרשו שרטוט לפני כל חישוב. בשורשים, בקשו לבדוק שמספר הפתרונות שווה ל־‪n‬ ושהמרווח ביניהם ‪360°/n‬. לתלמידים מתקשים תנו את הדף המותאם. למתקדמים: סכום שורשי היחידה ומשמעותו.

❓ שאלות תרגול (בודקים בלחיצה)

1. מהי ההצגה הקוטבית של ‪3i‬?

2. מהו ‪2·cis 50° · 3·cis 40°‬?

3. מהו ‪(cis 30°)¹²‬?

4. כמה פתרונות יש ל־‪z⁵ = 1‬, ואיזו צורה הם יוצרים?

עוד תרגול: בוחן תרגול של 10 שאלות ליחידה.

🎟️ כרטיס יציאה (3 דקות)

  1. כתבו בהצגה קוטבית: ‪1 − i‬.
  2. חשבו בעזרת משפט דה־מואבר: ‪(1 − i)⁴‬.

תשובות: 1. ‪r = √2‬, רביע רביעי, ‪θ = 315°‬: ‪√2·cis 315°‬. 2. ‪(√2)⁴·cis 1260° = 4·cis 180° = −4‬.

📝 בדף העבודה

5 תרגילים, ★ חלק אקסטרה למתקדמים, ומחוון עם פתרון מלא לכל תרגיל. למתקשים יש דף עם תמיכה: מחסן מילים, תזכורת של הכלל ושאלות בשלבים.

לדף העבודה ←

מקורות רשמיים לבדיקה

→ המספר המרוכב בהצגה אלגברית