נוסחת אוילר, ואיך היא קשורה למתנד הרמוני

הנוסחה $latex e^{i\pi}+1=0$ זכתה לפופולריות רבה בתור "הנוסחה היפה ביותר במתמטיקה", ואני נוטה להסכים – יש משהו מאוד אלגנטי ונאה בנוסחה הזו (אמנם, אני חושב שבמתמטיקה מגיעים מתישהו לשלב שבו היופי האמיתי לא נמצא בנוסחאות, אלא ברעיונות מורכבים יותר – וכשמגיעים לשם, נוסחת אוילר מחווירה לעומת חלק מהדברים שאפשר לגלות). מה שמרשים בה הוא האופן שבו היא קושרת את חמשת הקבועים ה"בסיסיים" במתמטיקה – $latex 0,1,e,\pi,i$. בפוסט הזה אני מקווה להסביר מעט על האופן שבו הנוסחה הזו צצה ומדוע היא אינה עד כדי כך בלתי צפויה – במילים אחרות, מדוע סביר שיהיה קשר בין ערכים אלו דווקא. אני מקווה שאחרי היכרות קצרה עם מאחורי הקלעים של הנוסחה הזו, היא תהיה רק יפה יותר.

נתחיל מתיאור קצר של מרכיבי הנוסחה, שיושפע מהפוסטים שכתבתי לא מזמן על פונקצית האקספוננט ופונקציות הסינוס והקוסינוס. את $latex 1$ אין צורך להכיר לאף אחד – הוא היה קיים משחר ההיסטוריה, ומהווה את הצעד הראשון בדרך לבניית המספרים הטבעיים. לעומתו, $latex 0$ היה שנוי במחלוקת אלפי שנים והפך לחלק מהסטנדרט רק בסוף המאה ה-19. שניהם חשובים בהיותם מספרים "נייטרלים" ביחס לאחת מפעולות האריתמטיקה: $latex 0+x=x$ ו-$latex 1\cdot x=x$. במבנים אלגבריים שמנסים להכליל את השלמים תמיד יהיה מצוי איבר שמתפקד כ-$latex 0$ ואיבר שמתפקד כ-$latex 1$. בפרט, בהגדרה של שדה תמיד נדרש קיומם של $latex 0,1$ ושיהיו שונים אלו מאלו – לא נדרשים שום איברים אחרים, ובפרט גם הקבוצה $latex \left\{ 0,1\right\} $ מהווה בעצמה שדה. מכאן ש-$latex 0,1$ הם אכן "טבעיים" ולא סתם מספרים שנבחרו שרירותית לנוסחה הזו.

המספר $latex e$ הוצג בפוסט שעסק באקספוננט: כזכור, אקספוננט ($latex \exp\left(x\right)$) היא הפונקציה היחידה שנגזרתה שווה לעצמה וערכה ב-$latex 0$ (אחד מהמספרים ה"טבעיים" שדיברנו עליהם) הוא $latex 1$ (המספר ה"מעניין" השני). הראיתי בפוסט ההוא שניתן לחשוב על הפונקציה הזו כעל העלאה בחזקה של מספר מסויים: $latex e$. כלומר, $latex \exp\left(x\right)=e^{x}$ (ולכן $latex e=\exp\left(1\right)$).

המספר $latex \pi$ כמעט ולא זקוק להצגה – הוא מוכר ביותר בתור היחס שבין היקף מעגל לקוטרו (בגאומטריה אוקלידית). בפוסטים שבהם הצגתי את הפונקציות הטריגונומטריות – סינוסים וקוסינוסים – הוא צץ באופן חצי-טבעי, תרתי משמע: הראיתי שהפונקציות הללו הן מחזוריות, עם מחזור של $latex 2\pi$. אם כן, מדוע הסימן המיוחד הוענק דווקא ל-$latex \pi$ ולא ל-$latex 2\pi$ (למשל, היה אפשר לתת סימון מיוחד ליחס בין היקף מעגל לרדיוסו)? נימוק מעניין אחד הוא ששטח עיגול היחידה הוא $latex \pi$ (ואכן, לפעמים נהוג להגדיר קבוע זה באמצעות שטח עיגול היחידה). נימוק מטופש אחר – אם נותנים את הסימון ל-$latex \pi$, נוסחת אוילר יוצאת יפה יותר.

$latex i$ הוא בכלל יצור מוזר בתכלית… אה, רגע, לא. $latex i$ הוא מספר מרוכב המקיים $latex i^{2}=-1$. כבר עסקתי באופן שבו המרוכבים נבנים באופן "טבעי" מהממשיים, כך שאיני הולך לחזור על הדיון הזה כעת. שאלה קצת יותר מעניינת היא מדוע הנציג ה"טבעי" ביותר של המספרים המרוכבים הוא דווקא שורש $latex -1$; למה לא לקחת, למשל, שורש יחידה מסדר 3? יש שני מספרים מרוכבים לא ממשיים שכשמעלים אותם בחזקת 3 מקבלים 1: $latex \omega=\frac{-1+\sqrt{-3}}{2}$ ו-$latex \omega^{2}=\frac{-1-\sqrt{-3}}{2}$. המספרים הללו מעט יותר מסורבלים מאשר $latex i$, שכן העלאה שלהם בריבוע לא נותנת מספר ממשי, ובכלל – הם דורשים הוצאת שורש למספר ממשי שאין לו שורש שלם ($latex \sqrt{3}$) וגועל נפש. לכן ככל הנראה יותר טבעי לבנות את המרוכבים בעזרת $latex i$, שהוא שורש יחידה מסדר 4.

אם כן, אלו כל מרכיבי הנוסחה. איך מתרחש הפלא שכולם מתחברים יחד? שורש העניין נעוץ בשאלה מה בכלל המשמעות של העלאת $latex e$ בחזקת מספר דמיוני – $latex i$ כפול משהו. על העלאה בחזקה ממשית דיברתי די הרבה, אבל איך המרוכבים יכולים בכלל להיכנס לסיפור? זו נשמעת כמו רמאות. אני מכיר רק דרך אחת להסביר את העניין ולכן אשתמש בה, למרות שהיא מעט טכנית ועלולה להבהיל אנשים – הגרסה המלאה של נוסחת אוילר, $latex e^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta$. זו נוסחה שחושפת את הקשר העמוק שבין אקספוננט ובין הפונקציות הטריגונומטריות, וגם תסגור לנו פינה שנותרה פתוחה עד כה: הפתרון הכללי של משוואה דיפרנציאלית מסדר שני במקדמים קבועים (כשאין שורש מרובה – זה מקרה מסובך לכשעצמו שאין טעם לדבר עליו כעת).

נתחיל בהוכחה "יבשה" (שהיא לדעתי יפהפיה) לנוסחה הזו, ואז ננסה לתת אינטואיציה. כזכור, אנחנו עדיין תקועים עמוק בשלב שבו אנו מחפשים הגדרה בעלת משמעות ל-$latex e^{i\theta}$. כזכור, ראינו כי ניתן לתאר את $latex e^{x}$ באמצעות טור חזקות אינסופי: $latex e^{x}=1+x+\frac{x^{2}}{2}+\frac{x^{3}}{3!}+\frac{x^{4}}{4!}+\dots$. מכיוון שקל מאוד לדבר על טורי חזקות גם בהקשר של מספרים מרוכבים, והתיאוריה עובדת גם שם פחות או יותר בשלמותה (למעשה, במובן מסויים התיאוריה יותר שלמה עבור מרוכבים, אך לא אכנס לכך כעת ברצינות – דוגמה היא התכנסות הטור של $latex \frac{1}{1+x^{2}}$, שרדיוס התכנסותו הוא 1 אך בלי לדעת על קיומם של מרוכבים לא ברור מדוע), מתבקש להגדיר את $latex e^{i\theta}$ גם כן באמצעות טורי חזקות – פשוט נציב $latex i\theta$ במקום $latex x$ ונראה מה נקבל. התוצאה היא טור שעדיין מתכנס, אבל כעת נראה שונה למדי מהטור ה"רגיל" – פתאום מתחילים לצוץ בו מינוסים, ומופעים של $latex i$. אנחנו מקבלים: $latex e^{i\theta}=1+i\theta-\frac{\theta^{2}}{2!}-i\frac{\theta^{3}}{3!}+\frac{\theta^{4}}{4!}+\dots$. כעת אפשר לבצע מניפולציות לטור ולפרק אותו לשני טורים. צריך לומר כאן אזהרה כלשהי – לא ניתן לעשות זאת לכל טור מתכנס. משפט מפורסם של רימן מראה שאם יש טור שמתכנס אך אינו מתכנס בהחלט (כלומר, $latex \sum a_{n}$ מתכנס אך $latex \sum\left|a_{n}\right|$ אינו מתכנס) אז אפשר, על ידי שינוי של סדר הסכימה של הטור, לקבל איזה סכום שרק נרצה, וגם להראות שסכום הטור שואף לאינסוף או "מזפזפ". המשפט המטורלל הזה ראוי לפוסט משל עצמו ואני מקווה לכתוב כזה בקרוב, אך עבור הטור "שלנו" זה לא תקף. וכך נוכל לקבל את הנוסחה הבאה: $latex e^{i\theta}=\left(1-\frac{\theta^{2}}{2!}+\frac{\theta^{4}}{4!}-\dots\right)+i\left(\theta-\frac{\theta^{3}}{3!}+\frac{\theta^{5}}{5!}-\dots\right)$. מי שזוכר את הפוסט על הפונקציות הטריגונומטריות ודאי זוכר שהראיתי כי הטור שבסוגריים השמאליים הוא הטור של $latex \cos\theta$, והטור בסוגריים הימנים הוא הטור של $latex \sin\theta$, וזהו סוף הסיפור.

מכאן שההגדרה ה"טבעית" ל-$latex e^{i\theta}$ מניבה את נוסחת אוילר. בנוסחה הזו יש לנו לעת עתה רק שני קבועים "חשובים" – $latex e$ ו-$latex i$. אם כן, הכל מתחיל מכך שאנו בוחרים להשתמש ב-$latex e$ בתור הבסיס שלנו – אפשר היה אמנם לבחור בסיס אחר, אך כבר הסברתי מדוע הגיוני לבחור דווקא ב-$latex e$. כעת, אלמלא $latex i$ היה השורש של $latex -1$, הנוסחה הייתה הולכת לאבדון – הפירוק המקסים של הטור של $latex e^{i\theta}$ לשני טורים היה משתבש לגמרי. שימו לב מה היה הכרחי לעשות כדי לקבל מהטור של $latex e^{x}$ את הטורים של $latex \cos$ ו-$latex \sin$: היינו צריכים להשאיר איבר אחד כמות שהוא, את הבא אחריו לכפול במספר מרוכב כלשהו $latex z$, את הבא אחריו לכפול ב-$latex -1$ אבל לא בשום דבר אחר, ואת הבא אחריו לכפול ב-$latex -z$, ואז חוזר חלילה להתחלה. יש רק שני מספרים מרוכבים שמקיימים את התכונה הזו, שבעצם שקולה ל-$latex z^{2}=-1$, והם $latex i$ ו-$latex -i$ (ואכן, אפשר היה באותו אופן להוכיח "נוסחת אוילר" עבור $latex -i$; היינו מקבלים $latex e^{-i\theta}=\cos\theta-i\sin\theta$, אבל זה לא שונה מהותית מהנוסחה שכבר יש לנו, ומכל אחת ניתן לגזור את השניה).

כעת נעבור לקצת אינטואיציה גאומטרית. על המספרים המרוכבים אפשר לחשוב באופן גאומטרי כמישור – המספר $latex a+bi$ מייצג את הנקודה $latex \left(a,b\right)$ במישור. המרחק של נקודה מראשית הצירים, אם מודדים מרחק באופן האוקלידי הרגיל, הוא $latex \sqrt{a^{2}+b^{2}}$, ועל כן אפשר להגדיר את מעגל היחידה במישור המרוכב בתור כל המספרים $latex a+bi$ כך ש-$latex a^{2}+b^{2}=1$. כעת, הפלא ופלא: נתבונן במספר המרוכב שמוגדר על ידי $latex a=\cos\theta$, $latex b=\sin\theta$ עבור $latex \theta$ כלשהו – כלומר, על $latex e^{i\theta}$. המספר הזה מקיים $latex a^{2}+b^{2}=\cos^{2}\theta+\sin^{2}\theta=1$ (זוהי אחת מהנוסחאות הבסיסיות ביותר הנוגעות לסינוס וקוסינוס, והוכחתי אותה באופן לא-גאומטרי "טהור" בפוסט שעסק בהם). מכאן ש-$latex e^{i\theta}$ נמצא על מעגל היחידה, לכל $latex \theta$. יותר מכך – לא קשה להשתמש ברציפות של $latex \sin,\cos$ כדי להראות שכל נקודה על מעגל היחידה ניתנת להצגה בתור $latex e^{i\theta}$ שכזה. יותר מכך – אם אנחנו כבר מוכנים לקבל גם את המשמעות ה"גאומטרית" של $latex \sin,\cos$, אפשר להראות ש-$latex e^{i\theta}$ הוא הנקודה שנמצאת על מעגל היחידה והזווית שיוצרים הישר שמחבר אותה עם הראשית והישר שמהווה ציר $latex x$ היא בדיוק $latex \theta$ (יש שתי זוויות כאלו, בעצם; אני מדבר על הזווית שמהווה את "כמות הסיבוב" שנדרש כדי להביא את ציר $latex x$ לנוח על הקטע שמחבר את הראשית עם $latex e^{i\theta}$).

זה פותח פתח לתיאור של מספר מרוכב באופן כללי באמצעות אקספוננט: המספר $latex re^{i\theta}$, כאשר $latex r\ge0$ ממשי, מייצג את המספר המרוכב שמרחקו מהראשית הוא $latex r$ (דהיינו, $latex r=\sqrt{a^{2}+b^{2}}$) והזווית שלו ביחס לציר $latex x$ היא $latex \theta$. דרך הצגה זו מכונה "ההצגה הקוטבית" (או ההצגה הטריגונומטרית) של מספרים מרוכבים, ולעתים קרובות היא נוחה יותר מן ההצגה ה"רגילה" של $latex a+bi$ (למשל, לצורך העלאה בחזקה). באופן כללי במתמטיקה נוח לעתים לעבור למערכת קוארדינטות קוטבית שכזו, שבה נקודה נמדדת על ידי מרחק מהראשית וזווית ולא על ידי מרחק בשני צירים מאונכים זה לזה, כך שזוהי אינה הצגה בלעדית למספרים מרוכבים. אגב, בבית הספר לעתים קרובות משתמשים בקיצור $latex cis\theta$ כדי לתאר את $latex \cos\theta+i\sin\theta$ במקום $latex e^{i\theta}$; החסרון של דרך הצגה זו היא שבהצגת האקספוננט אפשר להמשיך ולבצע את כל פעולות חשבון החזקות הרגילות; כך למשל $latex e^{i\theta}\cdot e^{i\tau}=e^{i\left(\theta+\tau\right)}$ (כמובן, יש להוכיח זאת; אך אם תעיפו מבט בהוכחה לכך שנתתי בפוסט העוסק באקספוננט תראו שהיא עובדת ככתבה וכלשונה גם כאן – ולמעשה, היא יותר כללית אפילו מאשר עבור "רק" מספרים מרוכבים; מה קורה אם ה-$latex x$ של האקספוננט הוא מטריצה?).

שימו לב שההגדרה שלי של $latex e^{i\theta}$ "עובדת" גם אם אני לא יודע מהם סינוסים וקוסינוסים – נוסחת אוילר היא משפט, ולא סתם הגדרה (אף כי בספרים רבים מעדיפים דווקא כן להגדיר את $latex e^{i\theta}$ באמצעות הנוסחה). מכאן עולה דרך נוספת ומעניינת להגדיר את סינוס וקוסינוס: אלו הפונקציות שמתארות את ההיטל של $latex e^{i\theta}$ על הציר הממשי והציר המדומה. כלומר, אפשר לחשוב על סינוס וקוסינוס (שהן פונקציות ממשיות) כנובעות לא מגאומטריה ולא ממשוואות דיפרנציאליות, אלא מאנליזה מרוכבת! למעשה, זוהי אפילו הגדרה לא רעה בכלל – בעזרת נוסחת אוילר מיידית מקבלים את טורי הטיילור של סינוס וקוסינוס, ומכאן נוסחאות הגזירה שלהם נובעות מיידית, ומכאן שאר התכונות מתקבלות במהירות. יותר מכך – ניתן להשתמש בתכונות של $latex e^{i\theta}$ כדי לגזור תכונות של סינוס וקוסינוס. הנה דרך חדשה להוכיח את נוסחת הסכום: מכיוון ש-$latex e^{i\left(\theta+\tau\right)}=e^{i\theta}\cdot e^{i\tau}$, אפשר לכתוב את הנוסחה הזו גם בעזרת סינוסים וקוסינוסים, ומקבלים:

$latex \cos\left(\theta+\tau\right)+i\sin\left(\theta+\tau\right)=\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)\left(\cos\tau+i\sin\tau\right)=\left(\cos\theta\cos\tau-\sin\theta\sin\tau\right)+i\left(\sin\theta\cos\tau+\cos\theta\sin\tau\right)$

והשוואת המקדמים הממשי והמדומה של שני האגפים נותנת את נוסחאות הסכום ה"רגילות". זו הוכחה נחמדה למדי כי בה קל מאוד לזכור איך קורה שהסכום עבור קוסינוס מורכב ממכפלות "הומוגניות" ויש בו מינוס, ואילו עבור סינוס הסכום הוא "מעורבב" (כמובן, בתנאי שזוכרים איך מתנהג כפל מרוכבים).

ובכן, נוסחת אוילר הכללית, $latex e^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta$ היא מרתקת ומעניינת ויפה – אעז לומר שאפילו יותר יפה מהנוסחה ה"פרטית" של $latex e^{i\pi}+1=0$, בדיוק בגלל שיש יותר דברים מעניינים שמתקשרים אליה, אבל כעת הגיע הזמן לחזור לנוסחה ה"פרטית" ולהבין איך הקבוע שנותר בחוץ עד כה – $latex \pi$ – נכנס לעסק.

ובכן, כפי שכבר אמרתי, $latex \pi$ קשור בקשר הדוק לסינוס וקוסינוס, שכפי שראינו, צצים באופן טבעי כשעוסקים באקספוננט מרוכב, וכפי שראינו – הם קשורים בקשר עמוק למעגלים, כך שאין פה הפתעה של ממש. $latex e^{i\pi}$ היא הנקודה שמתקבלת כשהולכים בדיוק חצי מעגל (כי מחזור שלם של סינוס וקוסינוס, שמציין חזרה לנקודת ההתחלה, הוא $latex 2\pi$) ומכיוון שהטיול מתחיל ב-$latex \left(1,0\right)$, אחרי הליכה של $latex \pi$ "צעדים" נגיע לקצה השני של המעגל, $latex \left(-1,0\right)$. על כן $latex e^{i\pi}=-1$. לעתים מסתפקים בהצגת הנוסחה הזו בתור "נוסחת אוילר היפה", אבל שיפור קוסמטי מתקבל על ידי חיבור 1 לשני האגפים וקבלת $latex e^{i\pi}+1=0$, ובכך השגנו שתי ציפורים במכה אחת – עברנו מ-$latex -1$ ה"לא טבעי" ל-$latex 0,1$ ה"טבעיים"שקשקשתי כל כך הרבה על למה הם טבעיים בתחילת הפוסט. כלומר, יש משהו מלאכותי בהעברת הנוסחה לצורה ה"יפה" שלה. שימו לב ש-$latex e^{i2\pi}=1$, כך שאם היינו משתמשים בסימון מיוחד לא עבור $latex \pi$ אלא עבור $latex 2\pi$ היינו מקבלים נוסחה דומה ובמובנים מסויימים יפה יותר, כי אין בה את העברת האגפים ה"מלאכותית".

כעת לסגירת החוב שלי בנוגע למשוואות דיפרנציאליות. כזכור, עסקתי במשוואות מהצורה $latex af^{\prime\prime}+bf^{\prime}+f=0$ (כש-$latex a,b,c$ מקדמים ממשיים קבועים), וטענתי שהפונקציה $latex e^{\lambda x}$ מהווה פתרון למשוואה זו, כאשר $latex \lambda$ הוא שורש של המשוואה הריבועית $latex ax^{2}+bx+c=0$, וכל עוד יש למשוואה זו שני פתרונות שונים זה מזה, הכל אחלה כי אנחנו מקבלים שני פתרונות שונים מהותית למשוואה הדיפרנציאלית, שבאמצעותם ניתן לבנות כל פתרון אחר. הבעיה צצה כשלמשוואה $latex ax^{2}+bx+c=0$ לא היה פתרון ממשי כלל – למשל, המשוואה $latex x^{2}+1=0$. במקרה זה, כמו שאמרתי קודם, יהיו למשוואה בהכרח שני פתרונות מרוכבים שונים זה מזה, כך שהאחד הוא הצמוד של השני. כאן "נתקעתי" כי לא היה לי מושג מהו $latex e^{\lambda x}$ במקרה זה, ובכל מקרה לא הייתה לי סיבה להניח שהפונקציה הזו עדיין תקיים את המשוואה.

למרבה המזל, עכשיו אנחנו חכמים יותר. חקרנו את המשוואה $latex f^{\prime\prime}+f=0$ (שמתאימה ל-$latex x^{2}+1=0$) באופן עצמאי וגילינו באופן זה את קיום הפונקציות $latex \cos,\sin$ שפותרות אותה. נוסחת אוילר השלימה את החקירה הזו, כשקשרה את הפונקציות הללו שמצאנו לפונקציית האקספוננט שפתרה לנו את המשוואה במקרה הממשי. לכן משתלם לנו להגדיר את $latex e^{\lambda x}$ באמצעות נוסחת אוילר: דהיינו, אם $latex \lambda=r+i\theta$, אז $latex e^{\lambda x}=e^{rx}\cdot e^{i\theta x}=e^{rx}\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)$. אם תנסו לגזור את היצור הזה על פי כללי הגזירה הרגילים של פונקציות ממשיות תגלו כי אכן $latex \left(e^{\lambda x}\right)^{\prime}=\lambda e^{\lambda x}$, כפי שאנו מצפים מאקספוננט (קודם כל גזרו את $latex e^{ix}$ ותראו שאכן מקבלים $latex ie^{ix}$; מכאן זה עניין של חוקי האריתמטיקה הרגילים של נגזרות). לכן כשמציבים את $latex e^{\lambda x}$ בנוסחה מקבלים $latex \left(a\lambda^{2}+b\lambda+c\right)e^{\lambda x}$ שאכן שווה ל-$latex 0$, כנדרש.

הבעיה עם $latex e^{\lambda x}$ בתור פתרון הוא שאין מדובר על פתרון ממשי – הרי זוהי פונקציה מרוכבת. זה אמנם לגיטימי לכשעצמו ואפילו מעניין – הנה צצים פתרונות מרוכבים במקומות שבהם לא ציפינו להם – אבל אנחנו מעדיפים פתרונות ממשיים. הפאנץ' הוא שאפשר "לשלוף" את סינוס וקוסינוס מתוך הפתרונות $latex e^{\lambda x}$ שמצאנו – גם הם מהווים צירוף לינארי כלשהו שלהם (כשמרשים מקדמים מרוכבים). לשם כך, ראשית כל שימו לב לכך ש-$latex e^{-i\theta}=\cos\theta-i\sin\theta$ (לא קשה לראות זאת) ועל כן $latex e^{i\theta}+e^{-i\theta}=2\cos\theta$, כלומר $latex \cos\theta=\frac{e^{i\theta}+e^{-i\theta}}{2}$, ובדומה $latex \sin\theta=\frac{e^{i\theta}-e^{-i\theta}}{2i}$. אם תרצו, אלו הנוסחאות ה"הפוכות" לנוסחת אוילר, והן יפות בפני עצמן; כשאני מדבר על הגדרה של סינוס וקוסינוס באמצעות האקספוננט המרוכב, זו השורה התחתונה שאני מדבר עליה – להגדיר את הפונקציות הללו באמצעות המשוואות הללו (וזו אכן דרך נפוצה למדי להגדיר אותן). הנוסחאות כמובן תקפות גם אם נכפול את שני האגפים שלהם במספר ממשי כלשהו, ומכאן נובעת הנוסחה הכללית: אם $latex \lambda=r+i\theta$ אז $latex e^{rx}\cos\left(\theta x\right)=\frac{e^{\lambda x}+e^{\overline{\lambda}x}}{2}$, ובדומה עבור סינוס, $latex e^{rx}\sin\left(\theta x\right)=\frac{e^{\lambda x}-e^{\overline{\lambda}x}}{2}$. מכיוון ששתי הפונקציות הללו התקבלו כצירוף לינארי של שני פתרונות למשוואה הדיפרנציאלית המקורית, גם הם מהווים פתרון – אבל פתרון ממשי, ולא קשה להראות שהם "בלתי תלויים" במובן זה שכל פתרון אחר ניתן לכתיבה באמצעות צירוף לינארי שלהם (כמובן שפתרון מרוכב ידרוש צירוף לינארי עם מקדמים מרוכבים).

כאן הבה וניישם את מה שלמדנו למקרה שהבאתי כמוטיבציה לכל זה – תנועה הרמונית פשוטה.

כזכור, עבור תנועה הרמונית פשוטה הגענו למשוואה $latex f^{\prime\prime}=-\frac{k}{m}f$, כאשר $latex f$ הייתה פונקציה שמתארת את מיקום האובייקט שנע בתנועה הרמונית פשוטה, $latex k$ תיאר את "קבוע הקפיץ" שמושך אותו – ככל שהוא יותר גדול, על הגוף מופעל יותר כוח – ו-$latex m$ תיאר את מסת הגוף, כלומר את התנגדותו להאצה, אבל אפשר לחשוב על המערכת גם במובנים יותר מופשטים, לכל $latex f$ (לא רק של מרחק) שמקיימת משוואה כזו. לכן נוח לכרוך את $latex k,m$ לפרמטר אחד שמאפיין את המערכת, ועם קצת ראיית הנולד הכי טוב להגדיר $latex \omega^{2}=\frac{k}{m}$ ולקבל את המשוואה $latex f^{\prime\prime}=-\omega^{2}f$. מדוע ריבוע? שכן המשוואה האופיינית שמתקבלת מהמשוואה הדיפרנציאלית הזו היא $latex x^{2}=-\omega^{2}$, ופתרונותיה הם $latex \lambda=\pm i\omega$, וכך חמקנו מלהכניס שורשים לתמונה. מכיוון שפתרונות המשוואה האופיינית הם מדומים טהורים, אקספוננט ממשי הוא לא חלק מהפתרון; קיבלנו פתרונות פרטיים של $latex \cos\left(\omega x\right)$ ו-$latex \sin\left(\omega x\right)$. לכן הפתרון הכללי למשוואה הוא $latex a\sin\left(\omega x\right)+b\cos\left(\omega x\right)$, וסיימנו.

אלא שעוד לא סיימנו, כי הפתרון הזה לא "יפה" מספיק – הוא סכום של שתי פונקציות, וקשה לנו לצייר את האופן שבו התנועה הזו מתנהגת בראש אם היא שני גלים שנלחמים אחד נגד השני. לכן גם כאן הכי נוח לעבור להצגה קוטבית. חשבו שנייה על הנקודה במישור $latex \left(a,b\right)$; אפשר לחשוב עליה כעל נקודה שנמצאת במרחק $latex A$ מראשית הצירים ויוצרת זווית $latex \phi$עם ציר $latex x$, ממש כמו שהיה עבור מספרים מרוכבים. במקרה זה מתקיים $latex a=A\cos\phi$ ו-$latex b=A\sin\phi$, ולכן אנחנו מקבלים דרך אחרת לכתוב את הפתרון הכללי למשוואה: $latex A\cos\phi\sin\left(\omega x\right)+A\sin\phi\cos\left(\omega x\right)$. זה כבר נראה דומה באופן חשוד לנוסחת הסכום של סינוסים, ואכן – זה שווה ל-$latex A\sin\left(\omega x+\phi\right)$, וזהו הפתרון הכללי שבדרך כלל אוהבים לתת. הסכום של סינוס וקוסינוס הפך לגל סינוס בודד, שמתאפיין על ידי שלושה פרמטרים: $latex \omega$, שמגדיר את התדירות של התנודה, כלומר כמה מהר היא מתחילה לחזור על עצמה; $latex A$, שמגדיר את המשרעת של התנודה, כלומר מה הגדלים המקסימלים שאליהם היא עשויה להגיע (כמה רחוק העצם עשוי להגיע מנקודת שיווי המשקל), ו-$latex \phi$ שמתאר את הפאזה של המערכת – מדד כלשהו ל"כמה עמוק בתוך התנודה" המערכת הייתה כשהתחלנו למדוד את הזמן. שימו לב למשהו שעשוי לבלבל כאן – אני משתמש באות $latex x$ לסימון המשתנה של הפונקציה, אך חשוב להבין שמשתנה זה מתאר את הזמן – מלכתחילה הפונקציה שרצינו היא פונקציה שמתארת את מיקום האובייקט כתלות בזמן. לכן יותר ברור לכתוב $latex A\sin\left(\omega t+\phi\right)$ בתור הפונקציה שלנו.

מה שעשינו עד כה היה לכתוב פתרון כללי למשוואה. כדי למצוא פתרון פרטי צריך למצוא את הפרמטרים $latex A,\phi$ שמתאימים למקרה שאנחנו ממדלים; שימו לב ש-$latex \omega$ כבר ידוע מראש. לצורך כך אפשר למדוד את מצב המערכת בזמן $latex t=0$. כזכור, אנחנו רוצים לדעת הן את ערך הפונקציה עצמה ב-$latex t=0$, והן את ערך הנגזרת הראשונה שלה ב-$latex t=0$, כלומר מצב המערכת נקבע על ידי מיקום ומהירות האובייקט בזמן $latex t=0$. המיקום הוא $latex A\sin\left(\phi\right)$, והמהירות היא $latex \omega A\cos\left(\phi\right)$. שימו לב למשהו מעניין שנובע מהמשוואות הללו – $latex \omega$ אינו תלוי לא במיקום ההתחלתי של המערכת, ולא במהירות ההתחלתית שלה; הוא מושפע רק מקבועים "פנימיים" שלה. זו למשל הסיבה מדוע שעון מטוטלת הוא מדוייק: מטוטלת מתנהגת כמו מתנד הרמוני (לא באופן מושלם כי העולם האמיתי לא מושלם, אבל מספיק טוב – כל עוד אפשר להזניח את החיכוך עם האוויר וכל עוד גודל הזווית שיוצרת המטוטלת קטן דיו), ולכן אין זה משנה כמה נרים אותה לפני שניתן לה להתנדנד, או מה המהירות שבה נדחוף אותה – קצב ההתנדנדות שלה יהיה תלוי רק בקבועים "פנימיים" (במקרה הזה, הוא תלוי באורך החוט של המטוטלת ובכוח המשיכה של כדור הארץ; דבר נאה נוסף שעולה ממשוואות המטוטלת הוא שלמסת המטוטלת אין השפעה על קצב התנודה). מהו קצב התנודה? ובכן, מכיוון שהמחזור של $latex \sin$ הוא $latex 2\pi$, ומכיוון ש-$latex t$ מוכפל ב-$latex \omega$, הרי שנשלים מחזור בכל פעם שבה $latex \omega t$ יהיה כפולה של $latex 2\pi$, כלומר המחזור הוא $latex T=\frac{2\pi}{\omega}$. הנה צץ לו פאי שוב, במערכת שאין לה שום קשר לגאומטריה של המישור (הרי המתנד ההרמוני המקורי שהבאתי כדוגמה – הגוף המחובר לקפיץ – היה חד ממדי).

ובכן, הגענו לסיומה של סאגת פאי-אקספוננט-סינוס-קוסינוס. אני מקווה שהצלחתי לשכנע לפחות חלק מהקוראים שפאי איננו יצור גאומטרי בלבד – וחשוב מכך, שהצלחתי להראות לקוראים שוב עד כמה המתמטיקה עוסקת בקשרים בין דברים שנראים שונים ולא קשורים זה לזה, אך בפועל הקשר ביניהם חזק והדוק מאוד: "האמנות של קריאה באותו שם לדברים שונים, ובשמות שונים לאותו הדבר".

22 תגובות בנושא “נוסחת אוילר, ואיך היא קשורה למתנד הרמוני”

  1. גדי, אם לא תזהר תהפוך בסוף לפיסיקאי :).
    פוסט בהיר כרגיל, ואני אתקטנן, שגם זה מתחיל להיות רגיל.
    בפסקה הלפני-אחרונה כתבת שזמן המחזור של המטוטלת תלוי באורך החוק של המטוטלת, אני מניח שרצית לכתוב אורך החוט. חוץ מזה זמן המחזור תלוי גם בתאוצת השטח במקום בו המטוטלת נמצאת, כך שזמן המחזור של מטיוטלת בראש האוורסט שונה מזה שבים-המלח (ואגב משתנה גם באזור של שדות נפט או גז-טבעי, שם צפיפות כדה"א נמוכה מהממוצע).
    בקשר לשורש יחידה דווקא מסדר רביעי ולא אחר, לא שווה להזכיר שזה נותן כמה תכונות חביבות לשדה הנוצר, כמו למשל שלמות אלגברית? או שאולי זה שייך לפוסט אחר?

  2. טעות ראשונה – יתוקן.

    עניין תאוצת השטח – לזה התכוונתי ב"כוח המשיכה של כדור הארץ" אבל זה אכן קצת לא ברור (ולא אטען שידעתי על דברים כמו שדות הנפט…)

    שלמות אלגברית מקבלים גם אם מוסיפים שורש יחידה מסדר שלישי. למעשה, כל הרחבה אלגברית לא טריוויאלית של הממשיים (דהיינו, כל הוספה של מספר אלגברי מעל הממשיים שאינו ממשי בעצמו) נותנת לנו את כל המרוכבים. דרך מאוד פשוטה לראות זאת: כל מספר אלגברי מעל הממשיים הוא מרוכב, כלומר מהצורה a+bi כאשר a,b ממשיים. קח את המספר הזה, חסר ממנו a, חלק אותו ב-b והנה – קיבלת שאם a+bi התווסף לשדה שלנו, גם i התווסף אליו, וקיבלנו את כל המרוכבים.

  3. כל הכבוד! ממש נהניתי. וזה גם קישר לי את הנוסחה הפיזיקלית לציון תנועה הרמונית כלומר Asin(wt+phi) לפיתרון של משוואות דיפרנציאליות. זה באמת מסוג הפוסטים שגורמים לך לראות קשר בין דברים שלא קישרת בינהם בעבר. תודה.

  4. הקישור של: i הוא בכלל יצור מוזר בתכלית, שבור.

    חוץ מזה, נוסחת אויילר הוצגה לי בעבר בתור ההוכחה לקיומו של אלוהים 🙂

  5. הקישור עובד לי כרגע.

    אני תמיד נוהג לומר שנוסחת אוילר היא ההוכחה לקיום אלוהים רק אם מסכימים שאוילר *הוא* אלוהים.

  6. שלום גדי,

    אני מעוניין לכתוב ב-latex בבלוג שפתחתי לאחרונה. האם תוכל לעזור לי בטיפים? (אני מודע לכך שהנושא לא מעניין את רוב הקוראים כאן, אז אשמח לתשובה באימייל)

    תודה,
    יובל

  7. היי יובל. כדי לכתוב ב-LaTeX אני משתמש בתוסף WP LaTeX ל-Wordpress. השימוש בו פשוט יחסית – כותבים $latex bla bla$, כש-bla bla הוא הקוד. בפועל אני כותב את הפוסטים בעזרת LyX וממיר אותם להטמל מתאים באמצעות סקריפט מקרטע תוצרת בית.

    אני עונה כאן ולא במייל כי אולי יש כאלו שהנושא מעניין אותם (בפרט כאלו שיגיעו לכאן על ידי חיפוש בעתיד).

  8. רק הערה אחת בקשר ל "אמנם, אני חושב שבמתמטיקה מגיעים מתישהו לשלב שבו היופי האמיתי לא נמצא בנוסחאות, אלא ברעיונות מורכבים יותר": לשוויונות יש נטיה לתפוס המון מהמבנה של תאוריות שלמות. למשל: גרותנדיק-רימן-רוך (ושלל המיקרים הפרטיים והמסקנות, למשל נתר, רימן-רוך , היזרברוך, רימן-הורביץ) תופס המון מהממבנה של K-theory ושל intersection theory, אטיה-סינגר (גר"ר לא מיקרה פרטי בגלל שגר"ר נכון בקרקטריסטיקה חיובית, אבל גאוס-בונה כן) תופס המון מהמבנה של גאומטריה רימנית ושל אופרטורים על יריעות – הוא בעצם המשפט הכי חזק המקשר בין טופולוגיה לאנליזה, שווין פלנשרל. בפיסיקה המשחק הזה עוד יותר קל – למשל: מקסוול, פעולה/תגובה (ניוטון), משוואות השדה של איינשטין, המודל הסטנדרטי (למרות שכאן אתה יכול לטעון להתחכמות).

    יש דיון חצי-פילוסופי על החשיבות של שוויונות בפרק 1 של A=B של ציילברגר, ווילף ופטרובצק.

  9. וואו, אני תלמיד תיכון בכיתה י'א ופעם ראשונה שאני נתקל באתר הזה ובפוסטים שלך אבל אני חושב שאני ימצא פה עוד כמה פוסטים שיעניינו אותי. לא למדתי מתמטיקה ברמה של אוניברסיטה אז אני עוד לא מכיר את כל המושגים אבל אתה מצליח להסביר בבירור מספיק כדי שאני יבין 🙂

  10. מצב החינוך בארץ בקרשים.

    אם תלמיד כיתה י"א שככל הנקרא גם חכם מהממוצע- אחרת לא היה מגיע לפה כותב: "אני יגיע" ולא "אני אגיע" אז באמת נחמץ הלב

  11. גדי שלום,

    ניסיתי בדרך דומה לזו שהצגת כאן להגיע בנוסחת מתנד הרמוני בעל ריסון חלש – למעבר מנוסחה שיש בה רק אקספוננט, לנוסחה שכוללת רק קוסינוס אחד (או רק סינוס אחד), ולא הצלחתי. יש לך טיפים למעבר הנ"ל?

    תודה,
    אמרי

  12. e בחזקת i*pi שווה 1- . נפעיל ln על שני האגפים , ונקבל : i*pi שווה ל (1-)ln . הייתכן ?

    e בחזקת i*2*pi שווה 1 . נפעיל ln על שני האגפים , ונקבל : i*2*pi שווה ל (1)ln שווה ל 0.
    כלומר : i*2*pi=0 ' הייתכן ?

    1. דווקא לא. פונקציית הלוגריתם היא פונקציה רב ערכית. אם נסמן ב ln0 את הערך ״הרגיל״ של הפונקציה אז למעשה קבוצת הערכים התואמת לערך X היא
      Ln(X)={ln(X)+iπk|k∈N}

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *