Mathematics🎓 baccalaureate goal

الأعداد المركبة والتحويلات النقطية

التشابه المباشر: تعريف، النسبة، الزاوية و الكتابة المركبة

🔊 The teacher reads for you
تكبّر صورة على شاشة هاتفك بأصبعيك، ثمّ تديرها قليلا لتستوي. الوجوه داخل الصورة بقيت هي هي: لم يستطل أنف و لم تتّسع زاوية. الأطوال تغيّرت كلّها، و الاتجاهات تغيّرت كلّها، و مع ذلك لم تتشوّه الصورة إطلاقا. ما هو التحويل الذي يفعل هذا بالضبط، و هل يكفي عدد مركّب واحد لوصفه كلّه؟

الجواب في جملة: هذا التحويل اسمه التشابه المباشر، و هو التحويل الذي يحفظ نسب المسافات و الزوايا الموجّهة. و نعم، يكفيه عددان مركّبان في كتابة واحدة من الشكل ⁦z' = a z + b⁩: المعامل a يحمل النسبة و الزاوية معا، و الثابت b يحمل الموضع. هذا الدرس يبني هذا التعريف، ثمّ يبرهن على أنّ الكتابة المركّبة تصفه تماما، لا أكثر و لا أقلّ.

🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • تعريف التشابه المباشر بمحافظته على نسب المسافات و على الزوايا الموجّهة
  • إثبات أنّ لكلّ تشابه مباشر نسبة موجبة تماما، و تعيين هذه النسبة
  • تعيين زاوية تشابه مباشر، و معرفة أنّها لا تتعلّق باختيار النقطتين
  • كتابة تشابه مباشر بالأعداد المركّبة، و التعرّف على أنّ كلّ كتابة من هذا الشكل تعرّف تشابها مباشرا
  • التعرّف على طبيعة التحويل و على عناصره المميّزة انطلاقا من معامل الكتابة المركّبة
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • طويلة عدد مركّب و عمدته، و خواصّهما في الجداء و في القسمة
  • لاحقة نقطة و لاحقة شعاع في المستوي المركّب
  • تعريف الانسحاب و التحاكي و الدوران و العنصر المميّز لكلّ منها
  • الزوايا الموجّهة و علاقة شال بينها
ما يحفظه التشابه المباشر ليس الأطوال بل النسب بينها، مع الزوايا الموجّهة: لهذا تبقى الهيئة كما هي و إن تغيّر الحجم و الاتجاه.

1. تعريف التشابه المباشر

نقول عن تحويل نقطي S إنّه تشابه مباشر إذا حافظ على شيئين معا: على نسب المسافات، و على الزوايا الموجّهة. و لنكتب ذلك بدقّة، نأخذ أربع نقط من المستوي M و N و P و Q، و نسمّي صورها ⁦M′⁩ و ⁦N′⁩ و ⁦P′⁩ و ⁦Q′⁩.

المحافظة على نسب المسافات

ليست المسافات هي المحفوظة، بل النسبة بينها: قد تتضاعف كلّ الأطوال، المهمّ أن تتضاعف كلّها بالقدر نفسه.

P'Q'M'N' = PQMN
المحافظة على الزوايا الموجّهة

الزاوية الموجّهة تحمل القيس و الجهة معا، و التشابه المباشر يحفظهما معا — و كلمة « مباشر » في الاسم تشير بالضبط إلى حفظ الجهة.

(M'N' ; P'Q') = (MN ; PQ)
لهذه الكتابة شرطان لا بدّ من ذكرهما معا: يجب أن تختلف M عن N و أن تختلف P عن Q. الأوّل لأنّ المسافة بينهما تظهر في المقام، و الثاني لأنّ الزاوية الموجّهة لا تُعرَّف أصلا إذا كان أحد الشعاعين معدوما. الاكتفاء بالشرط الأوّل نقص شائع، و هو يجعل الكتابة بلا معنى في الحالة التي تنطبق فيها P على Q.

2. نسبة التشابه المباشر

الخاصيّة الأولى، و هي التي تحوّل التعريف إلى أداة حساب: كلّ تشابه مباشر يضرب كلّ المسافات في عدد حقيقي موجب تماما، هو نفسه لكلّ نقاط المستوي. هذا العدد يسمّى نسبة التشابه.

و البرهان قصير و يستحقّ أن يُقرأ سطرا سطرا، لأنّه هو الذي يفسّر من أين يأتي هذا الثبات. ننطلق من المساواة التي يعطيها التعريف:

نقطة الانطلاق: التعريف
P'Q'M'N' = PQMN
🔹الخطوة: تبادل الوسطين

نجمع في كلّ طرف ما يخصّ ثنائيّة واحدة: على اليمين كلّ ما يخصّ الثنائيّة الأولى، و على اليسار كلّ ما يخصّ الثانية.

P'Q'PQ = M'N'MN

و الآن ننظر إلى ما حصلنا عليه: الطرف الأيمن لا يتعلّق إلّا بالنقطتين P و Q، و الطرف الأيسر لا يتعلّق إلّا بالنقطتين M و N، و مع ذلك هما متساويان مهما كانت هذه النقط. و مقدار لا يتغيّر مهما غيّرنا النقط هو عدد ثابت. نسمّيه k.

✅النّتيجة: نسبة التشابه

النسبة موجبة تماما لأنّها حاصل قسمة مسافتين، و المسافة عدد موجب؛ و لا يمكن أن تنعدم لأنّ التحويل تقابلي، فصورتا نقطتين مختلفتين مختلفتان.

M'N' = k MN
kنسبة التشابه المباشر، عدد حقيقي موجب تماما
حالة خاصّة تستحقّ اسما: إذا كانت النسبة تساوي 1 فإنّ التشابه المباشر يحفظ المسافات نفسها لا نسبها فقط، فنقول عنه إنّه تقايس موجب، أو إزاحة. و الإزاحات في المستوي نوعان لا ثالث لهما: الانسحاب و الدوران.

3. زاوية التشابه المباشر

النسبة تصف كم يكبر الشكل أو يصغر. بقي أن نصف بكم يدور. و هنا مفاجأة صغيرة: الزاوية الموجّهة بين شعاع و شعاع صورته هي أيضا مقدار ثابت، لا يتعلّق باختيار النقطتين.

و السبب هو التعريف نفسه: التشابه المباشر يحفظ الزوايا الموجّهة، فمهما أخذت من ثنائيّات وجدت الزاوية بين الشعاع الأصلي و شعاع صورته هي نفسها. هذا المقدار الثابت يسمّى زاوية التشابه المباشر.

زاوية التشابه المباشر

لاحظ الفرق مع الكتابة السابقة: هنا نقارن شعاعا بصورته هو، لا شعاعين مختلفين.

(MN ; M'N') = θ
θزاوية التشابه المباشر، مقيسة بالرديان و معرّفة بترديد دورة كاملة
لا تخلط بين الكتابتين: المساواة التي في التعريف تقارن زاويتين بين شعاعين مختلفين قبل التحويل و بعده؛ أمّا زاوية التشابه فتقارن شعاعا واحدا بصورته. الأولى تقول « الشكل لم يتشوّه »، و الثانية تقول « الشكل دار بهذا القدر ».

4. الكتابة المركّبة لتشابه مباشر

ننتقل الآن إلى الأداة التي تجعل كلّ هذا حسابا بسيطا. المستوي المركّب يرفق بكلّ نقطة لاحقتها، و السؤال هو: ما شكل العلاقة بين لاحقة النقطة و لاحقة صورتها بتشابه مباشر؟

كلّ تشابه مباشر من المستوي المركّب له كتابة مركّبة من الشكل ⁦z' = a z + b⁩، حيث a و b عددان مركّبان و a يختلف عن الصفر.

و العكس صحيح أيضا، و هو الأهمّ في التمارين: كلّ تحويل كتابته المركّبة من هذا الشكل هو تشابه مباشر، نسبته طويلة المعامل a. لنقرأ برهان هذا الاتّجاه، لأنّه يعطي في الوقت نفسه النسبة و الزاوية.

نأخذ نقطتين M و N لاحقتاهما m و n، و صورتيهما بالتحويل، و نطرح الكتابتين:

لاحقة صورة النقطة الأولى
m' = a m + b
لاحقة صورة النقطة الثانية
n' = a n + b
🔹الخطوة: الفرق بين اللاحقتين

الثابت b يزول عند الطرح — و هذا هو مفتاح البرهان كلّه: الثابت يحرّك الشكل و لا يغيّر شيئا من هيئته.

n' − m'=a n − a m=a(n − m)
🔹الخطوة: طويلة الفرق

طويلة الجداء تساوي جداء الطويلتين، و طويلة الفرق بين لاحقتين هي المسافة بين النقطتين.

M'N' = |a| × MN

المسافات إذن مضروبة كلّها في نفس العدد الموجب: نسب المسافات محفوظة. أمّا الزوايا، فنأخذ ثنائيّة أخرى P و Q و نحسب حاصل قسمة الفرقين:

🔹الخطوة: حاصل قسمة الفرقين

المعامل a يظهر في البسط و في المقام معا، فيتبسّط تماما: ما يبقى لا يحمل أثرا للتحويل.

q' − p'n' − m'=q − pn − m
✅النّتيجة: الزوايا الموجّهة محفوظة
(M'N' ; P'Q') = (MN ; PQ)

بقيت الزاوية. نطبّق الحساب نفسه على شعاع واحد و صورته: الفرق بين اللاحقتين بعد التحويل يساوي المعامل مضروبا في الفرق قبله، فتكون الزاوية بين الشعاعين هي عمدة المعامل.

🔹الخطوة: الزاوية بين شعاع و صورته

لأنّ حاصل قسمة الفرقين يساوي المعامل a بالضبط، كما رأينا قبل قليل.

arg(n' − m'n − m) ≡ arg(a) [2π]
نسبة التشابه بدلالة المعامل
k = |a|
زاوية التشابه بدلالة المعامل
θ = arg(a)
و لا توجد تشابهات مباشرة أخرى: كلّ تشابه مباشر يُكتب على هذا الشكل، و كلّ كتابة من هذا الشكل تعطي تشابها مباشرا. فالعددان a و b يصفان التحويل وصفا تامّا، و العمل كلّه يصير قراءة لهذين العددين.

5. قراءة طبيعة التحويل على المعامل وحده

و بما أنّ المعامل a يحمل النسبة و الزاوية، فهو وحده يكفي لمعرفة طبيعة التحويل. و هذه هي الحالات، مرتّبة:

✅النّتيجة: طبيعة التحويل تُقرأ على المعامل
الشرط على المعاملطبيعة التحويلالعناصر المميّزة
⁦a = 1⁩انسحابشعاع لاحقته b
⁦a ∈ ℝ ; a ≠ 0 ; a ≠ 1⁩تحاكٍمركز و نسبة
⁦|a| = 1 ; a ≠ 1⁩دورانمركز و زاوية
⁦|a| ≠ 1 ; a ∉ ℝ⁩تشابه مباشر ليس أحد الثلاثةمركز و نسبة و زاوية
السطران الثاني و الثالث يتقاطعان في حالة واحدة فقط: المعامل الذي يساوي ⁦−1⁩. و التقاطع ليس تناقضا، بل هو نفس التحويل يُسمّى باسمين.
انتبه إلى شرط الدوران: الشرط الصحيح هو أن تكون طويلة المعامل تساوي 1 و أن يختلف المعامل عن 1 — و ليس أن يكون المعامل غير حقيقي. فالمعامل الذي يساوي ⁦−1⁩ حقيقي و طويلته تساوي 1، و التحويل الموافق له دوران زاويته نصف دورة، أي تناظر مركزي. من يشترط « غير حقيقي » يُخرج كلّ أنصاف الدورات من عائلة الدورانات دون أن ينتبه.
مركز التشابه، لمّا يوجد، هو ببساطة النقطة الصامدة: النقطة التي تنطبق على صورتها. تُوجد بحلّ المعادلة التي تقول إنّ اللاحقة لا تتغيّر. و في حالة الانسحاب وحده لا توجد نقطة صامدة، لأنّ المعادلة تصير مستحيلة.

و نطبّق الآن على أمثلة، من الأبسط إلى الأكمل.

مثال 1: صورتا نقطتين و نسبة التشابه

المستوي المركّب منسوب إلى معلم متعامد و متجانس. التشابه المباشر S يرفق بكلّ نقطة M لاحقتها z النقطة ⁦M′⁩ لاحقتها z'، و النقطتان A و B إحداثيّاهما معطاة.

🎯المطلوب: عيّن صورتي النقطتين A و B، ثمّ احسب نسبة التشابه S

📌المعطى
z' = (1 + i)z − 2i
📌المعطى: لاحقة النقطة الأولى
zA = 1 − i
📌المعطى: لاحقة النقطة الثانية
zB = i
🔹الخطوة 1: نشر الجداء الأوّل

لحساب صورة نقطة نعوّض لاحقتها في الكتابة المركّبة، و نبدأ بنشر الجداء وحده حتّى لا تختلط الحدود.

(1 + i)(1 − i)=1 − i²=2
🔹الخطوة 2: لاحقة صورة النقطة الأولى
zA' = 2 − 2i
🔹الخطوة 3: نشر الجداء الثاني
(1 + i)i=i + i²=−1 + i
🔹الخطوة 4: لاحقة صورة النقطة الثانية
zB'=−1 + i − 2i=−1 − i
🔹الخطوة 5: الفرق بين لاحقتي الصورتين

التشابه المباشر يحفظ نسب المسافات، و النسبة هي حاصل قسمة المسافة بين الصورتين على المسافة بين النقطتين. و المسافة بين نقطتين هي طويلة الفرق بين لاحقتيهما.

zB' − zA'=(−1 − i) − (2 − 2i)=−3 + i
🔹الخطوة 6: الفرق بين لاحقتي النقطتين
zB − zA=i − (1 − i)=−1 + 2i
🔹الخطوة 7: طويلة البسط
|−3 + i|=√(9 + 1)=√10
🔹الخطوة 8: طويلة المقام
|−1 + 2i|=√(1 + 4)=√5
🔹الخطوة 9: تحقّق مستقلّ بطريق آخر
|1 + i|=√(1 + 1)=√2
✅النّتيجة: نسبة التشابه
k=√10√5=√2
الخطوة التاسعة ليست زائدة: هي طريق ثانٍ مستقلّ يعطي النسبة مباشرة من معامل z. لمّا يعطي الطريقان نفس العدد تكون واثقا من الحساب كلّه، و في البكالوريا تكسب بها نقطة التحقّق.

و يمكن أن نذهب أبعد ممّا يطلبه هذا التمرين، فنعيّن العنصرين الباقيين لهذا التشابه نفسه: زاويته و مركزه. لم يطلبهما المنهاج هنا، لكنّهما يكملان الصورة.

زاوية هذا التشابه
arg(1 + i) ≡ π4 [2π]
معادلة النقطة الصامدة
z = (1 + i)z − 2i
تجميع الحدود في طرف واحد
z − (1 + i)z = −2i
تبسيط المعادلة
−i z = −2i
✅النّتيجة: مركز هذا التشابه
Ω(2 ; 0)
مثال 2: التعرّف على دوران من كتابته المركّبة

🎯المطلوب: حدّد طبيعة التحويل S و عيّن عناصره المميّزة

📌المعطى
z' = i z + 1 − i
🔹الخطوة 1: طويلة المعامل

الطبيعة تُقرأ على المعامل، فنبدأ دائما بطويلته.

|i| = 1
🔹الخطوة 2: عمدة المعامل

الطويلة تساوي 1 و المعامل يختلف عن 1: التحويل دوران، و زاويته هي عمدة المعامل.

arg(i) ≡ π2 [2π]
🔹الخطوة 3: معادلة النقطة الصامدة

بقي المركز، و هو النقطة الصامدة.

z = i z + 1 − i
🔹الخطوة 4: تجميع الحدود
z(1 − i) = 1 − i
🔹الخطوة 5: حلّ المعادلة
z = 1
✅النّتيجة: مركز الدوران
Ω(1 ; 0)
لمّا يظهر نفس المقدار في الطرفين — هنا الفرق بين 1 و i — لا تنشر شيئا: بسّط مباشرة، فتجد اللاحقة الصامدة في سطر واحد.
مثال 3: التعرّف على تحاكٍ من كتابته المركّبة

🎯المطلوب: حدّد طبيعة التحويل S و عيّن عناصره المميّزة

📌المعطى
z' = 3 z − 5i
🔹الخطوة 1: طبيعة المعامل
a = 3
🔹الخطوة 2: نسبة التحاكي

المعامل عدد حقيقي يختلف عن 0 و عن 1: التحويل تحاكٍ نسبته هي المعامل نفسه.

k = 3
🔹الخطوة 3: معادلة النقطة الصامدة
z = 3 z − 5i
🔹الخطوة 4: تجميع الحدود
−2 z = −5i
🔹الخطوة 5: حلّ المعادلة
z = 5i2
✅النّتيجة: مركز التحاكي
Ω(0 ; 52)
نسبة التحاكي هي المعامل نفسه بإشارته، لا طويلته: لو كان المعامل يساوي ⁦−3⁩ لكانت النسبة ⁦−3⁩ و لانقلبت الجهة، مع أنّ الطويلة تبقى 3 في الحالتين.
مثال 4: التعرّف على انسحاب من كتابته المركّبة

🎯المطلوب: حدّد طبيعة التحويل S و عيّن عنصره المميّز

📌المعطى
z' = z − 1 + 5i
🔹الخطوة 1: قراءة المعامل
a = 1
🔹الخطوة 2: لاحقة شعاع الانسحاب

المعامل يساوي 1: التحويل انسحاب، و لاحقة شعاعه هي الثابت.

b = −1 + 5i
🔹الخطوة 3: معادلة النقطة الصامدة

و نتحقّق من أنّه لا توجد نقطة صامدة، كما يقتضي انسحاب شعاعه غير معدوم.

z = z − 1 + 5i
🔹الخطوة 4: تبسيط المعادلة
0 = −1 + 5i
✅النّتيجة: شعاع الانسحاب
u(−1 ; 5)
المساواة التي تنتهي إليها الخطوة الرابعة مستحيلة، لأنّ الطرف الأيسر عدد غير معدوم. و هذا ليس خطأ في الحساب بل هو الجواب: انسحابا شعاعه غير معدوم لا يترك أيّ نقطة في مكانها.
مثال 5: تشابه مباشر ليس انسحابا و لا تحاكيا و لا دورانا

🎯المطلوب: حدّد طبيعة التحويل S و عيّن عناصره المميّزة الثلاثة

📌المعطى
z'=(1 − i)z + i − 3
🔹الخطوة 1: طويلة المعامل
|1 − i|=√(1 + 1)=√2
🔹الخطوة 2: نسبة التشابه

الطويلة تختلف عن 1، فليس التحويل دورانا و لا انسحابا؛ و المعامل غير حقيقي، فليس تحاكيا. إذن هو تشابه مباشر عامّ، له نسبة و زاوية معا.

k = √2
🔹الخطوة 3: زاوية التشابه
arg(1 − i) ≡ −π4 [2π]
🔹الخطوة 4: معادلة النقطة الصامدة
z=(1 − i)z + i − 3
🔹الخطوة 5: نقل الحدود إلى طرف واحد
z − (1 − i)z = i − 3
🔹الخطوة 6: تبسيط الطرف الأيمن
i z = i − 3
🔹الخطوة 7: حلّ المعادلة

نضرب الطرفين في ⁦−i⁩ لنتخلّص من المعامل، لأنّ جداء i في ⁦−i⁩ يساوي 1.

z=−i(i − 3)=1 + 3i
✅النّتيجة: مركز التشابه
Ω(1 ; 3)
لقسمة عدد على i لا تكتب كسرا: اضرب في ⁦−i⁩ مباشرة. هذه حركة تختصر سطرين في كلّ تمرين تظهر فيه معادلة النقطة الصامدة.
مثال 6: البرهان على أنّ تحويلا هندسيّا تشابه مباشر

المستوي المركّب منسوب إلى معلم متعامد و متجانس. من أجل كلّ نقطة M من المستوي، نعتبر المعيّن المباشر الذي رؤوسه المبدأ ثمّ M ثمّ N ثمّ P، و الذي يحقّق أنّ المسافة بين P و M تساوي المسافة بين المبدأ و M.

🎯المطلوب: أثبت أنّ النقطة N هي صورة النقطة M بتشابه مباشر، ثمّ عيّن نسبته

📌المعطى: أضلاع المعيّن متساوية
OM = OP
📌المعطى: القطر يساوي الضلع
MP = OM
📌المعطى: قاعدة المعيّن
ON = OM + OP
🔹الخطوة 1: لاحقة النقطة الثالثة

الأضلاع الثلاثة متساوية، فالمثلّث الذي رؤوسه المبدأ و النقطتان M و P متقايس الأضلاع، و هو مباشر. إذن P هي صورة M بدوران مركزه المبدأ و زاويته سدس دورة.

zP = eiπ3 zM
🔹الخطوة 2: ترجمة القاعدة إلى لواحق

قاعدة المعيّن تُترجم إلى جمع اللواحق، لأنّ لاحقة مجموع شعاعين هي مجموع اللاحقتين.

zN = zM + zP
🔹الخطوة 3: التعويض
zN = zM + eiπ3 zM
🔹الخطوة 4: إخراج العامل المشترك
zN = (1 + eiπ3) zM
🔹الخطوة 5: القيمة الجبريّة للمعامل

هذه كتابة مركّبة من الشكل المطلوب، بثابت معدوم. نحسب المعامل جبريّا.

1 + eiπ3 = 3 + i√32
🔹الخطوة 6: طويلة البسط
|3 + i√3|=√(9 + 3)=2√3
✅النّتيجة: نسبة التشابه
k=2√32=√3
الطريقة عامّة و تُحفظ: للبرهان على أنّ تحويلا تشابه مباشر، يكفي أن تصل إلى كتابته المركّبة على الشكل المعروف بمعامل غير معدوم. النسبة تأتي بعدها وحدها، و هي طويلة المعامل.
المثلّث المتقايس الأضلاع هو الذي يفسّر كلّ شيء: هو الذي يجعل الانتقال من M إلى P دورانا بسدس دورة، و منه تخرج الكتابة المركّبة كلّها.

و لهذا التشابه أيضا زاوية و مركز لم يطلبهما التمرين: زاويته هي عمدة المعامل، و مركزه هو المبدأ لأنّ الثابت في كتابته معدوم، فالمبدأ صامد.

زاوية هذا التشابه
arg(3 + i√32) ≡ π6 [2π]
سؤال « عيّن طبيعة التحويل و عناصره المميّزة » يكاد لا يغيب عن موضوع بكالوريا فيه أعداد مركّبة، و هو يُنقّط على ثلاث خطوات مكتوبة: طويلة المعامل، ثمّ عمدته إن لزم، ثمّ النقطة الصامدة. اكتب الثلاث و لو بدت لك واضحة. و احذر من إعطاء الطبيعة دون العناصر: « دوران » وحدها لا تساوي شيئا، الجواب هو « دوران مركزه كذا و زاويته كذا ».
الخلاصة: التشابه المباشر هو التحويل الذي يحفظ نسب المسافات و الزوايا الموجّهة. له نسبة موجبة تماما تضرب فيها كلّ المسافات، و زاوية ثابتة هي الزاوية بين كلّ شعاع و صورته. و له كتابة مركّبة وحيدة من الشكل ⁦z' = a z + b⁩ مع معامل غير معدوم؛ و العكس صحيح: كلّ كتابة من هذا الشكل تعرّف تشابها مباشرا. النسبة هي طويلة المعامل، و الزاوية هي عمدته، و المركز — إن وجد — هو النقطة الصامدة. و التحويلات المألوفة الثلاثة ليست إلّا حالات خاصّة من هذا التشابه، تُقرأ كلّها على المعامل وحده.

Page 1/12

© Madrassati — a lesson written by Madrassati · madrassati.net