שורשי היחידה ופתרון המשוואה zⁿ=w

30%
📖שיעור
60 דקות

שורשי היחידה ופתרון המשוואה zⁿ=w

נמצא את n שורשי היחידה מסדר n ונראה שהם קודקודי מצולע משוכלל על מעגל היחידה. נפתור את המשוואה zn=wz^{n}=w בעזרת הוצאת שורש מן ההצגה הקוטבית, ונייצג את הפתרונות גרפית.

שורשי היחידה ופתרון המשוואה zⁿ=w

מבוא

מטרות השיעור

  • למצוא את n שורשי היחידה מסדר n (פתרונות )
  • להבין שהשורשים הם קודקודי מצולע משוכלל על מעגל היחידה
  • לפתור את המשוואה הכללית בעזרת ההצגה הקוטבית
  • לדעת שמספר הפתרונות הוא בדיוק n
  • לייצג את הפתרונות גרפית במישור גאוס

הרעיון המרכזי

שורשי היחידה מסדר n

פתרונות המשוואה נקראים שורשי היחידה מסדר n. נכתוב . כל שורש מקיים, לפי דה-מואבר, ולכן r=1, וזוויתו מקיימת . מכאן:

יש בדיוק n שורשים שונים, כולם על מעגל היחידה, והם מחלקים אותו ל-n קשתות שוות — כלומר הם קודקודי מצולע משוכלל בעל n צלעות.

פתרון המשוואה הכללית zn=wz^{n}=w

כדי לפתור כותבים את w בהצגה קוטבית . שורש מקיים, לפי דה-מואבר, ו-. לכן:

כל n הפתרונות בעלי אותו רדיוס , והם קודקודי מצולע משוכלל החסום במעגל ברדיוס זה. שימו לב: מוציאים שורש מן הרדיוס (), לא מחלקים ב-n.

תכונה: סכום שורשי היחידה (n2)(n \ge 2) שווה אפס

שורשי היחידה הם סדרה הנדסית עם מנה . סכום הסדרה הוא , ומכיוון ש- המונה אפס, ולכן הסכום הוא 0. גאומטרית, הסימטריה של המצולע המשוכלל סביב הראשית גורמת לקודקודים "להתאזן".


דוגמאות מפורטות

דוגמה 1: שלושת שורשי היחידה מסדר 3

פתרו את z3=1z^{3} = 1 וציירו את הפתרונות.

1

שלב 1 — רדיוס

r=31=1r = ^{3}\sqrt{1} = 1. כל השורשים על מעגל היחידה.

דוגמה 2: פתרון z⁴ = 16

פתרו את z4=16z^{4} = 16.

1

שלב 1 — w בקוטבי

16=16(cos0+isin0),R=1616 = 16 \cdot (\cos 0^{\circ} + i \cdot \sin 0^{\circ}), R = 16.

דוגמה 3: פתרון z³ = 8i

פתרו את z3=8iz^{3} = 8i.

1

שלב 1 — w בקוטבי

8i=8(cos90+isin90),R=8,φ=908i = 8 \cdot (\cos 90^{\circ} + i \cdot \sin 90^{\circ}), R = 8, \varphi = 90^{\circ}.

דוגמה 4: סכום שורשי היחידה

מהו סכום ארבעת שורשי היחידה מסדר 4?

1

שלב 1 — מוצאים את השורשים

הזוויות 0,90,180,2701,i,1,i0^{\circ},90^{\circ},180^{\circ},270^{\circ} ⟸ 1, i, -1, -i.

בדיקה מהירה

בדיקה מהירה

כמה פתרונות מרוכבים שונים יש למשוואה zn=wz^{n}=w, כאשר w מספר מרוכב שונה מאפס?

כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם

בדיקה מהירה

אחד משורשי היחידה מסדר 3 (פתרונות z3=1)z^{3}=1) הוא 1. מהו אחד משני השורשים האחרים?

כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם

בדיקה מהירה

מהי קבוצת הפתרונות של המשוואה z3=8iz^{3}=8i?

כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם


טעויות נפוצות

טעות נפוצה: מוצאים רק פתרון אחד

טעות: הפתרון היחיד של הוא .

נכון: שלושה פתרונות: .

למה זה קורה?

מתייחסים ל-zn=wz^{n}=w כמו למשוואה ממשית עם שורש יחיד.

איך מתקנים?

יש בדיוק n פתרונות. אחרי שמוצאים את הזווית הראשונה, מוסיפים 360n\frac{360^{\circ}}{n} שוב ושוב (k=0,,n1)(k=0,\ldots,n-1).

טעות נפוצה: מחלקים את הרדיוס ב-n במקום להוציא שורש

טעות: עבור כותבים r=16/4=4.

נכון: .

למה זה קורה?

בלבול בין הזווית (שמתחלקת ב-n) לבין הרדיוס (שממנו מוציאים שורש).

איך מתקנים?

הזווית מתחלקת ב-n, אך הרדיוס עובר שורש מסדר n:r=nRn: r=^{n}√R.

טעות נפוצה: קפיצות זווית לא שוות

ל-n=6 ההפרש הוא , ולא ערך אחר.

למה זה קורה?

מוסיפים לזווית הבסיס תוספות שגויות שאינן 360n\frac{360^{\circ}}{n}.

איך מתקנים?

בין שורשים עוקבים ההפרש הוא תמיד 360n\frac{360^{\circ}}{n}, כך שהם מחלקים את המעגל לחלקים שווים (מצולע משוכלל).

סיכום

מה למדנו?

שורשי היחידה ופתרון zⁿ=w:

  1. למשוואה (עם ) יש בדיוק n פתרונות.
  2. הרדיוס של כל פתרון: ; הזוויות: , .
  3. הפתרונות הם קודקודי מצולע משוכלל המחלק את המעגל ל-n חלקים שווים.
  4. סכום שורשי היחידה () הוא 0.

זכרו: שורש מן הרדיוס (לא חלוקה), n פתרונות, קפיצות של .

בשיעור הבא נשתמש בערך המוחלט ובמרחקים במישור גאוס כדי לזהות מקומות גאומטריים.


תרגול נוסף

עברו לתרגול כדי למצוא שורשי יחידה ולפתור משוואות מהצורה zⁿ=w!

תרגול