הצגת המקור של הדף "I (מספר)"

{{שם שגוי|''i'' (מספר)}}
[[קובץ:ImaginaryUnit5.svg|ממוזער|המיקום של i ושל i- על [[המישור המרוכב]], שבו הציר האופקי הוא המספרים הממשיים והציר האנכי הוא הציר המדומה]]
המספר '''''i''''', ידוע גם כ'''יחידת המספר המדומה''' או '''היחידה המדומה''', הוא אחד מפתרונות ה[[משוואה ממעלה שנייה|משוואה הריבועית]] (לצד המספר ''i-''): <math>x^2+1=0</math>. מכיוון שאין מספר ממשי שמקיים את זהות זו, ותחת הנחת [[סגירות (אלגברה)|סגירות]] לחיבור ו[[כפל]] ב[[סקלר (מתמטיקה)|סקלר]] של היחידה הדמיונית, ניתן להרחיב את המישור הממשי על ידי הכללת היחידה הדמיונית במישור חדש, אשר כולל את היחידה הדמיונית – מישור [[מספר מרוכב|המספרים המרוכבים]]. החשיבות העיקרית של הוספת היחידה הדמיונית היא בעובדה שעל ידי הכללת היחידה הדמיונית כ[[צירוף ליניארי]] שלה עם המספר 1 ([[מישור גאוס]]), לכל [[פולינום]] מדרגה ''n'' יהיו ''n'' שורשים ([[המשפט היסודי של האלגברה]]).

==היסטוריה==
יצירתו של המספר i, ביחד עם המספרים המרוכבים הייתה בתחילת המאה ה־16, ומיוחסת ל[[ג'ירולמו קרדאנו]], שנעזר בהגדרתם לצורך פתרון של המשוואה ממעלה שלישית. המספרים הוגדרו במפורש, בשנת 1572 על ידי רפאל בומבלי. באותה עת נחשבו מספרים כאלה לא אמיתיים. מתמטיקאים התקשו לקבל את המושג החדש, והדבר בא לידי ביטוי גם בשם שניתן להם. דקארט, הראשון שהשתמש במושג "[[מספר מדומה]]" בשנת 1637, ו[[צירוף ליניארי]] שלהם עם מספרים ממשים (כלומר, כל מספר מהצורה <math>a+bi</math>, כאשר <math>a</math> ו־<math>b</math> הם ממשיים) נקרא מספר מרוכב. המספרים המרוכבים נכנסו למתמטיקה באופן מלא בעקבות עבודותיהם של [[אוילר]] ו[[גאוס]].

==הגדרה==
היחידה המדומה ''i'' מוגדרת כמספר שמקיים את המשוואה <math>x^2 = -1</math>, או, באופן שקול, בתור שורש של הפולינום <math>x^2 +1</math>. לגבי הבחירה בין שני השורשים השונים, ראו [[#יחסי גומלין בין i ובין -i|בהמשך]].

אף על פי שהמבנה נקרא "מדומה", ועל אף שתפיסתית קשה אולי להבין את מהות ההגדרה, המבנה המתמטי הוא תקף לחלוטין, ממש כמו ה[[מספר ממשי|מספרים הממשיים]]. יתרה מכך, רוב הפעולות שתקפות למספרים ממשיים, תקפות גם ל[[מספרים מרוכבים]] (מספרים שמכילים צירוף ליניארי של i ואחד).

כמו כל מספר מרוכב, ''i'' יכול להיות מיוצג על ידי חלק ממשי וחלק מדומה: <math>Re(i)=0</math>, <math>Im(i)=1</math>. בהצגה לפי גודל ו[[זווית]] ([[הצגה קוטבית]]) – כלומר, אם נבקש לכתוב: <math>i=R\operatorname{exp}(i\theta)</math>, כך ש-R הוא גודלו, ו-θ היא הפאזה שלו – אז <math>R=1</math>, ו-<math>\theta=\pi/2</math>. במילים אחרות, i נמצא על [[מעגל היחידה]] של [[מישור גאוס]] בזווית של 90 מעלות ביחס לכיוון החיובי של הציר הממשי – כפי שמתואר באיור למעלה.

==התנהגות של ''i'' בחזקות שלמות וגדולות מ־2==

:<math>i^3 = i^2 i = (-1) i = -i</math>
:<math>i^4 = i^3 i = (-i) i = -(i^2) = -(-1) = 1</math>
:<math>i^5 = i^4 i = (1) i = i</math>
ומכאן שקיימת מחזוריות, וניתן להכליל ב[[אינדוקציה מתמטית|אינדוקציה]] את ההתנהגות של ''i'' בחזקת ''k'' טבעי כלשהו:
:<math>i^{4k} = 1</math>
:<math>i^{4k+1} = i</math>
:<math>i^{4k+2} = -1</math>
:<math>i^{4k+3} = -i</math>
בדומה ניתן לומר:
:<math>i^0 = i^{1-1} = i^1i^{-1} = i^1\frac{1}{i} = i\frac{1}{i} = \frac{i}{i} = 1 \,</math>
:בהתאם לנאמר נוכל לקבוע זהות נוספת ביחס ל-''i'':
:<math>i^k = i^{k \pmod 4}\,</math>
:דרך אחרת לקבל תוצאות אלו היא באמצעות [[נוסחת אוילר (אנליזה מרוכבת)|נוסחת אוילר]]
:<math>i^n = \cos(n\pi/2)+i\sin(n\pi/2)</math>

כאשר מעלים את ''i'' בחזקת עצמו:
:<math>i^i = \left( e^{i (\pi/2 + 2k \pi)} \right)^i = e^{i^2 (\pi/2 + 2k \pi)} = e^{- (\pi/2 + 2k \pi)}</math>

==יחסי גומלין בין ''i'' ובין {{משמאל לימין|''-i''}} ==
מעצם היותם שני שורשים של אותה [[משוואה ממעלה שנייה|המשוואה הריבועית]]: <math>x^2+1=0</math> הם נקראים [[צמוד מרוכב|צמודים מרוכבים]], ומתקיים:
<math>\bar{i}=-i</math> (קרי: ''i'' צמוד שווה מינוס ''i'').

בנוסף, שני המספרים הם גם נגדיים וגם הופכים אחד של השני, תכונה הכרחית לקיום תת־[[מרחב וקטורי]] המדומה: <math>-i=1/i</math>, <math>i=-(-i)</math>. מאחר שלמשוואה <math>x^2+1=0</math>, אשר מגדירה את היחידה המדומה, יש שני פתרונות, קיימת בעייתיות מסוימת בהגדרה. עם זאת, אם בוחרים באחד מהם להיות ''i'', אז האחר הוא בהכרח [[מספר נגדי|המספר הנגדי]] (וההופכי) לו. לאור זאת, אין שוני אלגברי בהגדרתם הבסיסית, אך בהינתן בחירה של אחד מהם, נוכל להגדיר את יחסי הגומלין לעיל.

== שורשים של ''i'' ==
מהסעיף הקודם נובע שנדרשת זהירות כאשר מבקשים להוציא [[שורש של מספר]] מרוכב בכלל, ובפרט של היחידה המדומה: במספרים הממשיים, ה[[טווח של פונקציה|טווח]] של השורש מוגדר להיות המספרים האי־שליליים, אבל במספרים המרוכבים אין דרך לשמור על העיקרון בצורה פשוטה. למשל, אילו היה ניתן להגדיר את השורש בצורה עקבית עם המקובל במספרים הממשיים, היה מתקבל:
:<math>-1 = i \cdot i = \sqrt{-1} \cdot \sqrt{-1} = \sqrt{(-1) \cdot (-1)} = \sqrt{1} = 1</math>
שהיא סתירה.

במקום זאת, לפונקציות מרוכבות רבות (ביניהן: שורש, [[לוגריתם]] ולפעמים אפילו חזקה) מוגדרים [[ענף (מתמטיקה)|ענפים]] שונים, כך שכל אחד מהם הוא [[פונקציה רציפה (אנליזה)|פונקציה רציפה]]. בפרט, לכל מספר יכולים להיות כמה שורשים שונים.

=== שורשים ריבועיים ===
[[קובץ:Imaginary2Root.svg|ממוזער|200px|ייצוג השורשים הריבועיים של i במישור המרוכב]]
[[קובץ:Imaginary3Root.svg|ממוזער|200px|ייצוג של השורשים של i ממעלה 3 על המישור המרוכב]]
ל-<math>i</math> יש שני שורשים ריבועיים שהם:<!--{{הערה|[http://www.blackpast.org/aah/haynes-martha-euphemia-lofton-1890-1980 מקור1]}} המקור לא תומך בטענה-->

:<math> \pm \left( \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}i \right) = \pm \frac{\sqrt{2}}2 (1 + i). </math>

;הוכחה

:<math>
\begin{align}
\left( \pm \frac{\sqrt{2}}2 (1 + i) \right)^2 \ & = \left( \pm \frac{\sqrt{2}}2 \right)^2 (1 + i)^2 \ \\
 & = \frac{1}{2} (1 + 2i + i^2) \\
 & = \frac{1}{2} (1 + 2i - 1) \ \\
 & = i. \ \\
\end{align}
</math>

=== שורשים ממעלה שלישית ===
שלושת השורשים ממעלה שלישית של <math>i</math> הם:
*<math>-i</math>,
*<math>+\frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{i}{2}</math>,
*<math>-\frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{i}{2}</math>.

=== באופן כללי ===
לפי [[המשפט היסודי של האלגברה]], לכל מספר מרוכב יש בדיוק n שורשים ממעלה n. עבור ''i'', השורשים ממעלה n הם n מספרים המפוזרים באופן אחיד על פני מעגל היחידה, כך שההפרש בארגומנט בין כל שני מספרים סמוכים הוא <math>2\pi/n +2\pi m</math> (כאשר <math>m</math> הוא [[מספר שלם]]).

בצורה מדויקת יותר, אם מסדרים את n השורשים לפי הארגומנט שלהם, אז השורש ה-''k'' ממעלה ''n'' של ''i'' הוא <math>e^{i \pi (1 + 4k)/2n}</math>, כאשר <math>k\in\left\{0,1,\dots,n-1\right\}</math>.

==פעולות נוספות שכוללות את ''i''==
;כפל של ''i'' במספר מרוכב:
:<math>i\,(a + bi) = ai + bi^2 = -b + ai.</math>

;הופכי של ''i'':
:<math>\frac{1}{i} = \frac{1}{i} \cdot \frac{i}{i} = \frac{i}{i^2} = \frac{i}{-1} = -i.</math>

;חילוק ב-''i'':
:<math>\frac{a + bi}{i} = -i\,(a + bi) = -ai - bi^2 = b - ai. </math>
:שקול לסיבוב המספר המרוכב בפאזה של 90 מעלות.

;עצרת
:<math>i! = \Gamma(1+i) \approx 0.4980 - 0.1549i.</math>
וכן
:<math>|i!| = \sqrt{\pi \over \sinh \pi} </math>{{הערה|{{קישור כללי|כתובת=http://www.wolframalpha.com/input/?i=abs(i!)|כותרת=abs(i!)"|אתר=באתר ''WolframAlpha''}}}}

=== פעולות נוספות ===
:<math>x^{ni} = \cos(n\ln x) + i \sin(n\ln x ).</math>

:<math>\sqrt[ni]{x} = \cos\left( \frac{\ln x}{n}\right) - i \sin\left(\frac{\ln x}{n}\right).</math>

:<math>\log_i(x) = {{2 \ln x } \over i\pi}.</math>

:<math>\cos(i) = \cosh(1) = {{e + 1/e} \over 2} = {{e^2 + 1} \over 2e} \approx 1.54308064... .</math>

:<math>\sin(i) = i\sinh(1) \, = {{e - 1/e} \over 2} \, i = {{e^2 - 1} \over 2e} \, i \approx 1.17520119 \, i... .</math>

:נשים לב שכל הפעולות האלו נבחרו ביחס לענף הראשי של הפונקציות הרב ערכיות במישור המרוכב.

== סימונים שונים ==
בענפי מדע רבים, כגון [[הנדסת חשמל]], נוהגים להחליף את השם של היחידה המדומה מ־''i'' ל־''j'', עקב החשש לבלבול בסימון בין היחידה הדמיונית וה[[זרם חשמלי|זרם החשמלי]] שגם הוא מסומן ב־''i'' קטנה. בהתאם לכך, שפת התכנות "[[פייתון]]" מסמנת את היחידה המדומה ב־j, ושפת התכנות [[MATLAB]] מקבלת את שני הסימונים.

חלק מספרי הלימוד משתמשים באות היוונית [[יוטא]]: <math>(\iota)</math> כדי למנוע בלבול עם אינדקסים שמסומנים באות הלטינית i.

== לקריאה נוספת ==
<div class="mw-content-ltr">
*{{cite book |first=Paul J. |last=Nahin |title=An Imaginary Tale: The Story of √−1 |location=Chichester |publisher=Princeton University Press |year=1998 |isbn=0-691-02795-1 }}
</div>

==קישורים חיצוניים==
* {{לא מדויק|2021/10/31/roots_of_minus_one_product|מה הקטע עם שורשים של מינוס 1?}}
* [https://maa.org/press/periodicals/convergence/eulers-investigations-on-the-roots-of-equations-factoring-rational-functions Euler's work on Imaginary Roots of Polynomials] at [https://maa.org/press/periodicals/convergence Convergence]
* [https://www.youtube.com/watch?v=hNmzOzVKwXY סרטון הסבר על המספר i] ביוטיוב
* {{MathWorld}}

==הערות שוליים==
{{הערות שוליים}}


[[קטגוריה:אלגברה בסיסית]]
[[קטגוריה:משוואות פולינומיות]]
[[קטגוריה:1 (מספר)]]