الرياضيات🎓 هدف البكالوريا

الأعداد المركبة والتحويلات النقطية

التحويلات النقطية المألوفة: الانسحاب، التحاكي و الدوران

🔊 المعلّمة تقرأ لك
لوحة إشهار مستطيلة تُنقل من جدار إلى جدار آخر فلا يتغيّر منها شيء، و صورة صغيرة تُكبّر على الشاشة فتبقى هي هي و قد تضاعف طولها، و عقرب ساعة يدور حول محوره فيصل إلى موضع جديد دون أن يقصر أو يطول: ثلاث حركات مختلفة، و في الثلاث يحتفظ الشكل بهيئته. فما الذي يميّز كلّ حركة عن أختيها، و كيف نتعرّف عليها إذا لم يُعطَ لنا اسمها بل عبارتها في معلم؟

الجواب في جملة واحدة: كلّ واحد من هذه التحويلات الثلاثة يُعرَّف بعنصر واحد يميّزه — شعاع للانسحاب، مركز و نسبة للتحاكي، مركز و زاوية للدوران. و لكلّ واحد منها خاصية مميّزة تربط ثنائية النقط بصورتها، و هي المفتاح الذي نتعرّف به على التحويل حين لا يُعطى لنا اسمه. هذا الدرس يجمع الثلاثة في مكان واحد، ثمّ يعلّمك القراءة العكسية: من العبارة في معلم إلى اسم التحويل و عناصره.

🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • تعريف الانسحاب و التحاكي و الدوران، و معرفة العنصر المميّز لكلّ واحد منها
  • استعمال الخاصية المميّزة لكلّ تحويل للانتقال من ثنائية نقط إلى صورتها
  • التعرّف على انسحاب و تعيين شعاعه انطلاقا من عبارته في معلم
  • تعيين مركز تحاكٍ و نسبته انطلاقا من عبارته في معلم
  • التعرّف على دوران و تعيين زاويته، مع تحديد اتجاه هذه الزاوية
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • الشعاع و تساوي شعاعين، و إحداثيات شعاع في معلم متعامد و متجانس
  • الزاوية الموجهة لشعاعين، و أنّ الزوايا الموجهة تُحسب بترديد 2π
  • المسافة بين نقطتين و الجداء السلّمي لشعاعين بالإحداثيات
  • أنّ التحويل النقطي تقابل من المستوي نحو المستوي

1. الانسحاب: شعاع واحد يكفي

الانسحاب هو أبسط التحويلات الثلاثة: تعطيه شعاعا واحدا، فيدفع كلّ نقطة من المستوي بهذا الشعاع نفسه، لا أكثر و لا أقلّ.

تعريف الانسحاب الذي شعاعه u

اقرأ المساواة على أنّها أمر: انطلق من M، و ارسم شعاعا يساوي u، فتصل إلى ⁦M′⁩. و لأنّ الشعاع نفسه يُستعمل لكلّ نقاط المستوي، فالمستوي كلّه ينتقل دفعة واحدة.

MM' = u
uشعاع الانسحاب، معطى ثابتM'صورة النقطة M بالانسحاب

و أهمّ ما في الانسحاب أنّه يحفظ الأشكال و الأبعاد و الاتجاهات جميعا: صورة قطعة مستقيم قطعة مستقيم توازيها و تساويها طولا، و صورة زاوية زاوية تساويها. لهذا يقال إنّ الانسحاب تقايس، أي تحويل يحفظ المسافات.

الخاصية المميّزة للانسحاب

هذه هي العلامة التي نتعرّف بها على انسحاب: إذا كانت صورة كلّ ثنائية نقط ⁦(A ; B)⁩ ثنائية ⁦(A′ ; B′)⁩ يبقى فيها الشعاع نفسه، فالتحويل انسحاب. لاحظ أنّ الشعاع u لا يظهر في هذه المساواة: هو الفرق MM' و ليس الفرق AB.

A'B' = AB
  • الانسحاب تحويل تقابلي، و تحويله العكسي هو الانسحاب الذي شعاعه ⁦−u⁩.
  • إذا كان الشعاع u غير معدوم فليس للانسحاب أيّة نقطة صامدة: كلّ نقطة تتحرّك.
  • إذا كان الشعاع u معدوما فكلّ نقطة صامدة، و التحويل هو التحويل المطابق.
انتبه إلى التسمية في الحالة الأخيرة: الانسحاب الذي شعاعه معدوم هو التحويل المطابق، أي الذي يرفق كلّ نقطة بنفسها. و لا يصحّ أن نسمّيه « تحويلا ثابتا »: التحويل الثابت يرسل المستوي كلّه إلى نقطة واحدة، فلا يكون تقابليا، و ليس تحويلا نقطيا أصلا.

2. التحاكي: مركز و نسبة

التحاكي يحتاج معطيين: نقطة ثابتة نسمّيها المركز، و عددا حقيقيا نسمّيه النسبة. المركز هو الوحيد الذي لا يتحرّك، و النسبة هي معامل التكبير أو التصغير.

تعريف التحاكي الذي مركزه Ω و نسبته k

النقطة ⁦M′⁩ على المستقيم المارّ بـ Ω و M، و بعدها عن Ω يساوي بعد M مضروبا في k. و إشارة k هي التي تقرّر الجهة: إذا كانت موجبة بقيت ⁦M′⁩ في جهة M، و إذا كانت سالبة انتقلت إلى الجهة المقابلة من Ω.

ΩM' = k ΩM
Ωمركز التحاكي، النقطة الصامدة الوحيدةkنسبة التحاكي، عدد حقيقي غير معدوم
النسبة k لا تكون معدومة أبدا: لو كان ⁦k = 0⁩ لانطبقت كلّ الصور على المركز Ω وحده، و لضاع التقابل. و إذا كان ⁦k = 1⁩ فإنّ المساواة تصبح ⁦ΩM' = ΩM⁩ لكلّ نقطة، أي أنّ كلّ نقطة صامدة: التحويل هو التحويل المطابق، و لم يعد لمركزه معنى لأنّ كلّ نقطة تصلح مركزا. لهذا نستبعد الحالة ⁦k = 1⁩ كلّما تكلّمنا عن تحاكٍ له مركز وحيد.
  • إذا اختلفت M عن Ω اختلفت صورتها ⁦M′⁩ عن Ω، و النقط Ω و M و ⁦M′⁩ على استقامة واحدة.
  • التحاكي تحويل تقابلي، و تحويله العكسي هو التحاكي الذي مركزه Ω نفسه و نسبته ⁦1/k⁩.
  • المركز Ω هو النقطة الصامدة الوحيدة كلّما كانت النسبة تخالف 1.
الخاصية المميّزة للتحاكي

هنا تظهر النسبة k في المساواة نفسها، بخلاف الانسحاب. و منها نستنتج مباشرة العلاقة بين الطولين: كلّ الأطوال تُضرب في القيمة المطلقة للنسبة.

A'B' = k AB
أثر التحاكي على الأطوال

نأخذ الطويلة في الطرفين: طول الصورة يساوي الطول الأصلي مضروبا في ⁦|k|⁩، و ليس في k، لأنّ الطول عدد موجب.

A'B' = |k| × AB
التحاكي ليس تقايسا إلّا إذا كانت القيمة المطلقة لنسبته تساوي 1. فإن كانت تخالف 1 تغيّرت كلّ الأطوال، فلم يعد التحويل يحفظ المسافات. و الحالة ⁦k = −1⁩ حالة خاصّة لطيفة: الأطوال محفوظة، و التحاكي يصير عندئذ التناظر المركزي بالنسبة إلى Ω.

3. الدوران: مركز و زاوية

الدوران أيضا يحتاج معطيين: مركزا و زاوية. المركز يبقى في مكانه، و كلّ نقطة أخرى تدور حوله على دائرة، فتحتفظ ببعدها عنه و تتغيّر جهتها بالزاوية المعطاة.

تعريف الدوران: البعد عن المركز محفوظ

النقطة ⁦M′⁩ تنتمي إلى الدائرة التي مركزها Ω و نصف قطرها ΩM: هذا الشرط وحده لا يكفي لتعيينها، فالدائرة تحمل عددا غير منته من النقط.

ΩM' = ΩM
Ωمركز الدوران، النقطة الصامدةθزاوية الدوران، عدد حقيقي
تعريف الدوران: الزاوية الموجهة

الشرط الثاني هو الذي يعيّن ⁦M′⁩ على تلك الدائرة تعيينا وحيدا. و لأنّ الزاوية موجهة، فإنّ إشارتها تحمل الاتجاه: موجبة يعني عكس اتجاه عقارب الساعة.

(ΩM ; ΩM') = θ

و المركز Ω نفسه له حكم خاصّ: الدوران يرفقه بنفسه، مهما كانت الزاوية.

  • الدوران تحويل تقابلي، و تحويله العكسي هو الدوران الذي مركزه Ω نفسه و زاويته ⁦−θ⁩.
  • إذا كانت الزاوية غير معدومة بترديد 2π فإنّ للدوران نقطة صامدة وحيدة هي المركز Ω.
  • إذا كانت الزاوية معدومة بترديد 2π فالدوران هو التحويل المطابق: كلّ نقطة صامدة.
لماذا نقول « غير معدومة بترديد 2π » و لا نكتفي بـ « غير معدومة »؟ لأنّ الزاوية 2π ليست معدومة في ظاهرها، و مع ذلك فالدوران بها هو دورة كاملة، أي التحويل المطابق، و له عدد غير منته من النقط الصامدة. الترديد بـ 2π ليس زينة في الكتابة: هو ما يجعل العبارة صحيحة.
الخاصية المميّزة للدوران: الطول

الدوران يحفظ المسافات: فهو إذن تقايس، تماما كالانسحاب و بخلاف التحاكي العامّ.

A'B' = AB
الخاصية المميّزة للدوران: الزاوية

و هذه هي علامته المميّزة: كلّ شعاع يدور بالزاوية θ نفسها. لاحظ الفرق مع التعريف: هناك كانت الزاوية بين ΩM و ⁦ΩM′⁩، و هنا بين شعاع و صورته، دون أن يتدخّل المركز.

(AB ; A'B') = θ
✅الخلاصة: التحويلات الثلاثة في نظرة واحدة
التحويلالعنصر المميّزالخاصية المميّزةالنقطة الصامدة
الانسحابشعاع⁦A'B' = AB⁩لا توجد
التحاكيمركز و نسبة⁦A'B' = k AB⁩المركز
الدورانمركز و زاوية⁦(AB ; A'B') = θ⁩المركز
العمود الثالث هو مفتاح التعرّف: الانسحاب يُبقي الشعاع كما هو، و التحاكي يضربه في عدد حقيقي، و الدوران يديره بزاوية ثابتة دون أن يمسّ طوله. و العمود الأخير مشروط: الانسحاب بلا نقطة صامدة إلّا إذا كان شعاعه معدوم، و المركز صامد وحده كلّما كان التحويل مخالفا للتحويل المطابق.
في اللوحات الثلاث المثلث الابتدائي واحد: ما يتغيّر هو ما يفعله التحويل به، لا الشكل نفسه.

و الآن إلى القراءة العكسية، و هي المطلوب في الامتحان: يُعطى لك تحويل بعبارته في معلم متعامد و متجانس، و يُطلب منك اسمه و عناصره. الطريقة واحدة في الحالات الثلاث: احسب ما تقوله الخاصية المميّزة، ثمّ اقرأ الجواب.

مثال 1: التعرّف على انسحاب

المستوي منسوب إلى معلم متعامد و متجانس. التحويل النقطي f يرفق بكلّ نقطة ⁦M(x ; y)⁩ النقطة ⁦M'(x' ; y')⁩.

🎯المطلوب: أثبت أنّ التحويل f انسحاب، ثمّ عيّن شعاعه.

📌المعطى: عبارة التحويل f
x' = x − 1
📌المعطى: العبارة الثانية
y' = y + 2
🔹الخطوة 1: إحداثيّا الشعاع MM'

للتعرّف على انسحاب نحسب إحداثيَّي الشعاع MM'، فهو ما يجب أن يكون ثابتا.

MM'(x' − x ; y' − y)
🔹الخطوة 2: الفاصلة

نعوّض بعبارتَي x' و y'.

x' − x=(x − 1) − x=−1
🔹الخطوة 3: الترتيبة

و نفعل الشيء نفسه مع الترتيبة.

y' − y=(y + 2) − y=2
🔹الخطوة 4: الشعاع ثابت

العددان ‏⁦−1⁩ و 2 لا يتعلّقان لا بـ x و لا بـ y: الشعاع MM' هو نفسه لكلّ نقطة M.

MM'(−1 ; 2)
✅النّتيجة: طبيعة التحويل
u(−1 ; 2)
ما دام الشعاع MM' لا يتعلّق بإحداثيَّي M، فالتحويل انسحاب و الشعاع هو الجواب. و إن ظهر فيه x أو y فليس بانسحاب: انتقل عندئذ إلى البحث عن نقطة صامدة.
مثال 2: التعرّف على تحاكٍ و تعيين عناصره

المستوي منسوب إلى معلم متعامد و متجانس. التحويل النقطي g يرفق بكلّ نقطة ⁦M(x ; y)⁩ النقطة ⁦M'(x' ; y')⁩.

🎯المطلوب: أثبت أنّ التحويل g تحاكٍ، ثمّ عيّن مركزه و نسبته.

📌المعطى: عبارة التحويل g
x' = (−12) x − 4
📌المعطى: العبارة الثانية
y' = (−12) y + 1
🔹الخطوة 1: شرط النقطة الصامدة على الفاصلة

للتحاكي مركز، و المركز نقطة صامدة: نبحث عنه أوّلا بكتابة أنّ الصورة هي النقطة نفسها.

x = (−12) x − 4
🔹الخطوة 2: جمع حدود x

ننقل الحدّ الذي فيه x إلى الطرف الأيسر.

x + (12) x = −4
🔹الخطوة 3: تبسيط الطرف الأيمن
(32) x = −4
🔹الخطوة 4: فاصلة المركز

نضرب الطرفين في ⁦2/3⁩.

x = −83
🔹الخطوة 5: شرط النقطة الصامدة على الترتيبة

نعيد الحساب نفسه على الترتيبة.

y = (−12) y + 1
🔹الخطوة 6: جمع حدود y
(32) y = 1
🔹الخطوة 7: ترتيبة المركز
y = 23
🔹الخطوة 8: المركز

النقطة الصامدة وحيدة، و هي المرشّح الوحيد ليكون مركزا.

Ω(−83 ; 23)
🔹الخطوة 9: نقل المبدأ إلى Ω على الفاصلة

بقي أن نتحقّق من الخاصية المميّزة. نطرح فاصلة المركز من الطرفين، أي نضيف ⁦8/3⁩.

x' + 83=(−12) x − 4 + 83
🔹الخطوة 10: تبسيط الثابت

نحسب العدد ‏⁦−4 + 8/3 = −4/3⁩.

x' + 83=(−12) x − 43
🔹الخطوة 11: التعميل على الفاصلة

نعامل ‏⁦−1/2⁩: لأنّ ⁦(−1/2) × (8/3) = −4/3⁩، فالحدّ الثابت هو بالضبط ما نحتاجه.

x' + 83=(−12)(x + 83)
🔹الخطوة 12: التعميل على الترتيبة

نعيد الخطوتين على الترتيبة: ⁦1 − 2/3 = 1/3⁩، و ⁦(−1/2) × (−2/3) = 1/3⁩.

y' − 23=(−12)(y − 23)
🔹الخطوة 13: قراءة شعاعية

المساواتان تقولان الشيء نفسه على الشعاعين ΩM و ⁦ΩM′⁩.

ΩM' = (−12) ΩM
🔹الخطوة 14: التحقّق، الطرف الأيسر عند الفاصلة المعدومة

نتحقّق عدديا قبل أن نسلّم: نأخذ نقطة فاصلتها معدومة و نقارن الطرفين.

x' + 83=−4 + 83=−43
🔹الخطوة 15: التحقّق، الطرف الأيمن

و الطرف الأيمن عند القيمة نفسها.

(−12)(0 + 83)=−43
✅النّتيجة: نسبة التحاكي
k = −12
راقب إشارتَي التعميل: داخل القوس يظهر دائما الفرق بين الإحداثية و إحداثية المركز، فإذا كانت إحداثية المركز سالبة صار الفرق جمعا، و إذا كانت موجبة بقي طرحا. و لا تسلّم قبل التحقّق العددي: خطوتان أخيرتان تكشفان أيّ خطأ في الإشارة.
مثال 3: التحويل العكسي لتحاكٍ

نعود إلى التحاكي g من المثال السابق: مركزه ⁦Ω(−8/3 ; 2/3)⁩ و نسبته ⁦−1/2⁩.

🎯المطلوب: عيّن التحويل العكسي للتحاكي g، ثمّ تحقّق من جوابك بالحساب.

📌المعطى: التحاكي g
k = −12
🔹الخطوة 1: نسبة التحويل العكسي

الخاصية تقول إنّ التحويل العكسي تحاكٍ له المركز نفسه، و نسبته مقلوب النسبة.

k' = 1k
🔹الخطوة 2: حساب المقلوب

نعوّض بـ ⁦k = −1/2⁩ و نحسب المقلوب.

k'=1−12=−2
🔹الخطوة 3: العبارة على الفاصلة

نكتب عبارة التحاكي الجديد من خاصيته المميّزة، بالمركز نفسه.

x' + 83 = −2(x + 83)
🔹الخطوة 4: نشر الفاصلة

ننشر: ⁦−2x − 16/3 − 8/3 = −2x − 8⁩.

x' = −2 x − 8
🔹الخطوة 5: نشر الترتيبة

و بالمثل على الترتيبة: ⁦−2y + 4/3 + 2/3 = −2y + 2⁩.

y' = −2 y + 2
🔹الخطوة 6: التحقّق

نتحقّق بتركيب التحويلين: ننطلق من صورة x بالتحويل g و نطبّق عليها التحويل الجديد.

−2((−12) x − 4) − 8=x + 8 − 8=x
✅النّتيجة: نسبة التحويل العكسي
k' = −2
التحويل العكسي لتحاكٍ يحتفظ بالمركز نفسه؛ ما يتغيّر هو النسبة وحدها، و تصير مقلوبها. و التحقّق بالتركيب سطر واحد يقيك من خطأ في الإشارة.
اتجاه القوس هو الذي يفصل بين ⁦π/2⁩ و ⁦−π/2⁩: الطولان المتساويان و التعامد وحدهما لا يكفيان للتمييز بينهما.
مثال 4: التعرّف على دوران، مع تحديد اتجاه الزاوية

المستوي منسوب إلى معلم متعامد و متجانس. التحويل النقطي h يرفق بكلّ نقطة ⁦M(x ; y)⁩ النقطة ⁦M'(x' ; y')⁩.

🎯المطلوب: بيّن أنّ ⁦OM' = OM⁩ و أنّ الشعاعين OM و OM' متعامدان، ثمّ حدّد طبيعة التحويل h.

📌المعطى: عبارة التحويل h
x' = −y
📌المعطى: العبارة الثانية
y' = x
🔹الخطوة 1: مربّع البعد الابتدائي

نبدأ بالمسافة إلى المبدأ. و ننتبه: ما يُحسب بالإحداثيات هو مربّع الطول، لا الطول.

OM² = x² + y²
🔹الخطوة 2: مربّع البعد النهائي

نعوّض ⁦x' = −y⁩ و ⁦y' = x⁩ في المربّع نفسه.

OM'²=x'² + y'²=(−y)² + x²
🔹الخطوة 3: مقارنة المربّعين

و ⁦(−y)² = y²⁩، فنجد المجموع نفسه بترتيب مختلف.

OM'²=y² + x²=OM²
🔹الخطوة 4: المسافة محفوظة

مربّعان متساويان لعددين موجبين يعطيان عددين متساويين.

OM' = OM
🔹الخطوة 5: الجداء السلّمي

ننتقل إلى الزاوية: نحسب الجداء السلّمي للشعاعين OM و OM'.

x x' + y y'=x(−y) + y(x)=0
🔹الخطوة 6: التعامد

جداء سلّمي معدوم لشعاعين غير معدومين يعني التعامد، أي زاوية قدرها ⁦π/2⁩ قيمة مطلقة.

(OM ; OM') = ±π2
🔹الخطوة 7: حالة شاهدة

⚖️ هنا خطوة لا يجوز القفز عليها: التعامد يترك احتمالين، ⁦π/2⁩ و ‏⁦−π/2⁩. نفصل بينهما بحالة واحدة: نأخذ M على محور الفواصل و ننظر أين تقع صورتها.

M(1 ; 0) ⟶ M'(0 ; 1)
🔹الخطوة 8: تعيين الاتجاه

الصورة على محور التراتيب في الجهة الموجبة: الدوران في الاتجاه الموجب.

θ = +π2
✅النّتيجة: زاوية الدوران

و المركز هو النقطة الصامدة الوحيدة: ⁦x = −y⁩ و ⁦y = x⁩ يعطيان ⁦x = y = 0⁩.

θ = π2
الجداء السلّمي يعطيك قيمة الزاوية و لا يعطيك إشارتها أبدا، لأنّه لا يميّز بين زاوية و مقابلها. جرّب دائما نقطة واحدة بسيطة لتقرأ الاتجاه: هذه هي الخطوة التي تُنسى في الامتحان فتضيع نصف علامة السؤال.
في البكالوريا يأتي هذا الدرس مقدّمة لا غاية: يُطلب منك التعرّف على التحويل لتستعمل خاصيته بعد ذلك في برهان هندسي أو في حساب مركّب. اكتب دائما ثلاثة أسطر منفصلة — اسم التحويل، عنصره المميّز، ثمّ الخاصية التي ستستعملها — فحتّى إن أخطأت في الحساب الموالي تحتفظ بعلامة التعرّف. و لا تكتب « دوران زاويته ⁦π/2⁩ » دون أن تكون قد فصلت في الاتجاه.
جسر بين الدرسين: هذه التحويلات الثلاثة سترجع إليك في الدرس الموالي مكتوبة بالأعداد المركّبة على الشكل الواحد ⁦z' = a z + b⁩، و ستكتشف أنّ الفرق بينها كلّه محصور في العدد a وحده: طويلته تعطي النسبة و عمدته تعطي الزاوية. ما تراه اليوم ثلاث قواعد منفصلة سيصير قاعدة واحدة.
الخلاصة في خمسة أسطر: الانسحاب يُعرَّف بشعاع u و خاصيته ⁦A'B' = AB⁩ شعاعيا، و هو تقايس بلا نقطة صامدة. التحاكي يُعرَّف بمركز Ω و نسبة k غير معدومة، و خاصيته ⁦A'B' = k AB⁩ شعاعيا، و الأطوال تُضرب في القيمة المطلقة للنسبة، فلا يكون تقايسا إلّا إذا كانت هذه القيمة تساوي 1. الدوران يُعرَّف بمركز Ω و زاوية θ، و خاصيته أنّ الأطوال محفوظة و كلّ شعاع يدور بالزاوية θ. و للتعرّف على تحويل من عبارته: احسب MM' فإن كان ثابتا فهو انسحاب، و إلّا فابحث عن النقطة الصامدة ثمّ قارن ⁦ΩM′⁩ بـ ΩM.

الصفحة 1/8

© مدرستي — هذا الدرس من تأليف مدرستي · madrassati.net