הגדרת המספר המרוכב והרחבת מערכת המספרים

30%
📖שיעור
45 דקות

הגדרת המספר המרוכב והרחבת מערכת המספרים

פתיחת עולם המספרים המרוכבים: מסע היסטורי מהטבעיים אל המרוכבים, הגדרת היחידה המדומה i(i2=1)i (i^{2}=-1) והצורה a+bia+bi, זיהוי חלק ממשי ומדומה, חזקות i ושוויון בין מספרים מרוכבים.

הגדרת המספר המרוכב והרחבת מערכת המספרים

מבוא

מטרות השיעור

  • להבין מדוע הורחבה מערכת המספרים — שרשרת ההכלה
  • להגדיר את היחידה המדומה i המקיימת
  • לכתוב מספר מרוכב בצורה הסטנדרטית z=a+bi ולזהות את החלק הממשי והמדומה
  • לחשב חזקות של i תוך שימוש במחזוריות
  • להבין מתי שני מספרים מרוכבים שווים

רקע היסטורי: מדוע בכלל צריך מספרים חדשים?

מסע של אלפי שנים

מושג המספר התרחב שוב ושוב, בכל פעם כדי לאפשר פתרון לבעיה שהמערכת הקודמת לא ידעה לפתור:

  • טבעיים — לספירה:
  • שלמים — הוספת 0 ושליליים, כדי שלמשוואה x+5=2 יהיה פתרון
  • רציונליים — הוספת שברים, כדי שלמשוואה 2x=1 יהיה פתרון
  • ממשיים — הוספת אי-רציונליים כמו ו-

ועדיין נשארה משוואה פשוטה ללא פתרון: . אין מספר ממשי שריבועו שלילי, כי ריבוע של כל ממשי הוא . כדי "לסגור" גם את הפער הזה, במאה ה-16 הומצא מספר חדש — וכך נולדו המספרים המרוכבים .

היחידה המדומה והמספר המרוכב

מגדירים מספר חדש, היחידה המדומה i, על ידי התכונה היסודית:

מספר מצורה z=a+bi, כאשר a,b ממשיים, נקרא מספר מרוכב:

  • הוא החלק הממשי
  • הוא החלק המדומה (שימו לב: b עצמו ממשי — זהו המקדם של i, לא bi)

מקרים מיוחדים: אם b=0 המספר ממשי (z=a); אם a=0 (ו-) המספר נקרא מדומה טהור (z=bi). מכאן שכל ממשי הוא מרוכב — לכן .


דוגמאות מפורטות

דוגמה 1: זיהוי חלק ממשי וחלק מדומה

עבור z=2+5iz = -2 + 5i, מהם Re(z) ו-Im(z)?

1

שלב 1 — משווים לצורה הסטנדרטית

כותבים z בצורה a+bi:a+bi: כאן a=2a=-2 ו-b=5b=5.
בדיקה מהירה

היחידה המדומה i מוגדרת על ידי התכונה היסודית שלה. מהו הערך של i2i^{2}?

כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם


דוגמה 2: שורש של מספר שלילי

כתבו את 25\sqrt{-25} בעזרת היחידה המדומה.

1

שלב 1 — מפרידים את הסימן השלילי

כותבים 25=25(1)-25 = 25 \cdot (-1).
תשובה קצרה

פתרו את המשוואה x2=9x^{2} = -9 מעל המספרים המרוכבים. רשמו את שני הפתרונות.

כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם


דוגמה 3: חזקות של i והמחזוריות שלהן

חשבו את i2,i3,i4i^{2}, i^{3}, i^{4}, ואז את i23i^{23}.

1

שלב 1 — ארבע החזקות הראשונות

i1=i,i2=1,i3=i2i=i,i4=(i2)2=(1)2=1i^{1}=i, i^{2}=-1, i^{3}=i^{2} \cdot i=-i, i^{4}=(i^{2})^{2}=(-1)^{2}=1.
בדיקה מהירה

חשבו את i3.(i^{3}. (רמז: i3=i2i.)i^{3} = i^{2} \cdot i.)

כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם


דוגמה 4: שוויון בין מספרים מרוכבים

מצאו ממשיים x, y כך ש-x+3i=7+yix + 3i = 7 + yi.

שוויון מרוכבים שקול לשתי משוואות ממשיות — זהו כלי מרכזי שילווה אותנו לאורך כל היחידה.

1

שלב 1 — תנאי השוויון

שני מרוכבים שווים אם ורק אם החלקים הממשיים שווים והחלקים המדומים שווים.
תשובה מספרית

נתון שוויון בין מספרים מרוכבים: a+bi=52ia + bi = 5 - 2i, כאשר a, b ממשיים. מהו הערך של a+ba + b?

כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם


טעויות נפוצות

טעות נפוצה: חושבים שהחלק המדומה הוא bi במקום b

טעות: עבור z=4-7i אומרים .

נכון: (מספר ממשי). זכרו: גם החלק הממשי וגם החלק המדומה הם מספרים ממשיים.

למה זה קורה?

הניסוח 'חלק מדומה' מטעה — נדמה שמדובר באיבר השלם bi.

איך מתקנים?

החלק המדומה Im(z) הוא המספר הממשי b — המקדם של i בלבד.

טעות נפוצה: מפעילים ab=ab√a \cdot √b=\sqrt{ab} על מספרים שליליים

טעות: .

נכון: .

למה זה קורה?

הכלל הזה תקף רק כאשר a,b אי-שליליים.

איך מתקנים?

קודם הופכים כל שורש שלילי ל-i (למשל 9=3i)\sqrt{-9}=3i), ורק אז מכפילים.

טעות נפוצה: חושבים שהמרוכבים 'החליפו' את הממשיים

המספר 5 הוא גם ממשי וגם מרוכב (5=5+0i). המספרים המרוכבים מוסיפים מספרים חדשים (כמו i), הם לא מבטלים את הישנים.

למה זה קורה?

המילה 'מדומה' יוצרת רושם שהמרוכבים הם עולם נפרד ולא-אמיתי.

איך מתקנים?

המרוכבים הם הרחבה המכילה את הממשיים: כל ממשי a הוא a+0ia+0i, ולכן ℝ⊂ℂ.

סיכום

מה למדנו?

המספר המרוכב — אבני היסוד:

  1. הורחבה מערכת המספרים: .
  2. היחידה המדומה: , ולכן .
  3. צורה סטנדרטית: z=a+bi עם ו- (שניהם ממשיים).
  4. חזקות i מחזוריות במחזור 4: — נקבעות לפי השארית בחלוקה ב-4.
  5. שוויון מרוכבים: .

בשיעור הבא נלמד את ארבע פעולות החשבון במרוכבים ואת תכונות השדה — ובמיוחד מדוע במרוכבים אין יחס סדר.


תרגול נוסף

עברו לתרגול כדי להתאמן על הגדרת המספר המרוכב, חזקות i ושוויון בין מספרים מרוכבים!

תרגול