Mathématiques🎓 objectif bac

الهندسة في الفضاء المعادلة الديكارتية لمستوى في الفضاء

توظيف الجداء السلمي لتعيين معادلة ديكارتية لمستوٍ

🔊 La maîtresse lit pour toi
لتثبيت رفّ في حائط، لا يقيس النجّار المستوي كلّه: يكفيه أن يعرف نقطة واحدة من الحائط، و أن يعرف الاتّجاه العمودي عليه — و هو الاتّجاه الذي يعطيه ميزان الشاقول. هذان المعطيان يحدّدان الحائط تماما، و لا يبقى فيه أيّ التباس. فكيف نترجم «نقطة و اتّجاه عمودي» إلى معادلة واحدة تربط بين x و y و z؟

الجواب هو الجداء السلّمي، و لا شيء غيره. إذا كان الشعاع n عموديا على المستوي، فكلّ شعاع مرسوم داخل المستوي انطلاقا من نقطة معلومة A يكون عموديا عليه، أي أنّ جداءه في n منعدم. و هذا الانعدام، مكتوبا بالإحداثيات، هو المعادلة.

🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • التعرّف على شعاع ناظمي لمستو و على ما يترتّب عنه من تعامد
  • البرهان على أنّ مجموعة النقط التي تحقّق انعدام الجداء السلّمي هي مستو
  • كتابة معادلة ديكارتية لمستو يشمل نقطة و يقبل شعاعا ناظميا معلوما
  • قراءة شعاع ناظمي مباشرة على معادلة ديكارتية لمستو
  • تعيين معادلة ديكارتية لمستو معرّف بثلاث نقط ليست على استقامة واحدة
  • حفظ معادلات المستويات الإحداثية الثلاثة
  • الحكم على توازي أو تعامد مستويين انطلاقا من شعاعيهما الناظميين
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • الجداء السلّمي في الفضاء و عبارته التحليلية
  • معيار التعامد: انعدام الجداء السلّمي
  • الأشعة المرتبطة خطّيا و غير المرتبطة خطّيا
  • حلّ جملة معادلتين خطّيتين بمجهولين

1. الشعاع الناظمي لمستو

نقول عن شعاع غير معدوم إنّه ناظمي لمستو إذا كان عموديا على شعاعين غير مرتبطين خطّيا من هذا المستوي. و الشرط «غير مرتبطين خطّيا» ليس زينة: شعاعان مرتبطان خطّيا يحملان اتّجاها واحدا، و اتّجاه واحد لا يحدّد مستويا.

تعريف الشعاع الناظمي
(n ≠ 0 ; n ⊥ u ; n ⊥ v) ⟹ n ⊥ (P)
nالشعاع الناظمي للمستويuشعاع أوّل من المستويvشعاع ثان من المستوي، غير مرتبط خطّيا بالأوّل
✅النّتيجة: التعامد ينتقل إلى كلّ المستوي

يكفي التعامد على شعاعين لنكسب التعامد على الجميع، لأنّ كلّ شعاع من المستوي يُكتب بدلالة الشعاعين الأوّلين. و بالتالي كلّ مستقيم موجّه بالشعاع n هو مستقيم عمودي على المستوي.

n ⊥ (P) ⟹ (∀ w ∈ (P)) n.w = 0

2. المبرهنة الأساسية: نقطة و شعاع ناظمي يعيّنان مستويا

هذه هي المبرهنة التي يقوم عليها الدرس كلّه. اقرأها جيّدا: هي تقول إنّ مجموعة النقط التي تحقّق شرطا حسابيا بسيطا هي بالضبط مستو، لا أكثر و لا أقلّ.

المبرهنة

المستوي ⁦( P )⁩ هنا هو المستوي الذي يشمل A و يقبل n شعاعا ناظميا له. الصعوبة في البرهان ليست في الاتّجاه المباشر، بل في العكسي.

{M ; n.AM = 0} = (P)
⭐ ما تراه هو المبرهنة نفسها: مهما تحرّكت M داخل المستوي، تبقى الزاوية قائمة — و خارجه لا تبقى.

البرهان، الاتّجاه المباشر. نفرض أنّ M نقطة من المستوي. عندئذ الشعاع AM شعاع من المستوي، و الشعاع الناظمي عمودي على كلّ شعاع من المستوي.

الاتّجاه المباشر
M ∈ (P) ⟹ AM ∈ (P) ⟹ n.AM = 0

البرهان، الاتّجاه العكسي، و هو الجهة التي تسقط من أغلب الأوراق. نفرض هذه المرّة أنّ ⁦n.AM = 0⁩، و نريد أن نستنتج أنّ M من المستوي. نعتبر المستقيم الذي يشمل A و يوجّهه الشعاع الناظمي، ثمّ نسمّي H مسقط M العمودي على هذا المستقيم.

🔹الخطوة 1: تقطيع الشعاع بالمسقط

علاقة شال، لا أكثر: نمرّ بالنقطة H في طريقنا من A إلى M.

AM = AH + HM
🔹الخطوة 2: الجزء المهمل

⭐ هذه هي الخطوة التي يجب ألّا تُقفز: النقطة H مسقط M على المستقيم الموجّه بالشعاع n، إذن الشعاع HM عمودي على n بحكم تعريف المسقط.

n.HM = 0
🔹الخطوة 3: نقل الفرضية إلى المسقط
n.AH=n.AM − n.HM=0
🔹الخطوة 4: شعاعان مرتبطان خطّيا

النقطتان A و H من المستقيم الموجّه بالشعاع n، فالشعاع الواصل بينهما محمول على هذا الاتّجاه.

AH = k n ; k ∈ ℝ
🔹الخطوة 5: التعويض
n.AH=k ‖n‖²=0
🔹الخطوة 6: العامل غير المعدوم

الشعاع الناظمي غير معدوم بحكم التعريف، فطويلته غير معدومة، و الجداء لا ينعدم إلّا بانعدام العامل الآخر.

‖n‖² ≠ 0 ⟹ k = 0
✅النّتيجة: المسقط ينطبق على النقطة الثابتة
AH = 0 ⟹ H = A

و ما دام مسقط M العمودي على المستقيم هو A نفسها، فالشعاع AM عمودي على الشعاع الناظمي، أي أنّ M تنتمي إلى المستوي الذي يشمل A و يقبل n شعاعا ناظميا. الاتّجاهان محقّقان، و المجموعتان متساويتان.

3. من المبرهنة إلى المعادلة

ننسب الفضاء الآن إلى معلم متعامد و متجانس، و نكتب المبرهنة بالإحداثيات. هنا يظهر الشكل الذي ستستعمله في كلّ تمرين.

خاصية: كلّ مستو يقبل معادلة ديكارتية

⭐ معاملات المعادلة هي إحداثيات الشعاع الناظمي: هذه الجملة وحدها تختصر نصف تمارين الباب، لأنّها تسمح بقراءة الشعاع الناظمي على المعادلة بالعين.

a x + b y + c z + d=0
aالإحداثية الأولى للشعاع الناظميbالإحداثية الثانية للشعاع الناظميcالإحداثية الثالثة للشعاع الناظميdعدد حقيقي يحدّده انتماء نقطة معلومة إلى المستوي

البرهان. ننطلق من المبرهنة السابقة و نكتبها بالإحداثيات، مع نقطة معلومة من المستوي.

🔹الخطوة 1: كتابة الشرط بالإحداثيات
a(x − xA) + b(y − yA) + c(z − zA)=0
🔹الخطوة 2: النشر
a x + b y + c z − (a xA + b yA + c zA)=0
✅النّتيجة: تسمية الثابت

الحدّ الثابت ليس عددا يسقط من السماء: هو محسوب من النقطة المعلومة و من الشعاع الناظمي، و لا شيء غيرهما.

d=−(a xA + b yA + c zA)

و العكس صحيح كذلك: كلّ معادلة من هذا الشكل، بشرط أن تكون المعاملات الثلاثة غير معدومة معا، تمثّل مستويا شعاعه الناظمي هو الشعاع ذو الإحداثيات الثلاثة.

⛔ انتبه إلى صياغة الشرط: نقول «غير معدومة معا»، أي لا تنعدم كلّها في آن واحد. لا نقول «كلّها غير معدومة». المستوي ذو المعادلة ⁦z = 0⁩ معاملاه الأوّلان معدومان، و هو مستو تماما. الخلط بين الصياغتين يفقدك المستويات الإحداثية كلّها.

نبرهن على العكس. نأخذ معادلة من هذا الشكل، و نفرض مثلا أنّ المعامل الأوّل غير معدوم (و إلّا اخترنا معاملا آخر غير معدوم، و الأمر لا يتغيّر).

🔹الخطوة 1: نقطة صريحة تحقّق المعادلة

نعوّض: العبارة تعطي ⁦a × (−d/a) + 0 + 0 + d⁩، أي ⁦−d + d = 0⁩. النقطة تنتمي فعلا إلى المجموعة.

A(−da ; 0 ; 0)
🔹الخطوة 2: الشعاع الواصل بها
AM = (x + da ; y ; z)
🔹الخطوة 3: جداؤه في الشعاع ذي المعاملات
AM.n=a(x + da) + b y + c z
✅النّتيجة: نعثر على المعادلة نفسها

العامل a يضرب الكسر فيعطي d بالضبط. إذن انتماء M إلى المجموعة يكافئ انعدام هذا الجداء، و بالمبرهنة السابقة المجموعة مستو.

AM.n=a x + b y + c z + d
مثال 1: معادلة مستو يشمل نقطة و يقبل شعاعا ناظميا

هذا هو التمرين الأساسي للباب: من نقطة و شعاع ناظمي إلى معادلة، في ثلاثة أسطر.

🎯المطلوب: اكتب معادلة ديكارتية للمستوي الذي يشمل النقطة A و يقبل الشعاع المعطى شعاعا ناظميا له.

📌المعطى: النقطة و الشعاع الناظمي
A(−2 ; 0 ; 1) ; n(0 ; −1 ; 5)
🔹الخطوة 1: كتابة الشرط

نكتب مباشرة شرط التعامد بين الشعاع الناظمي و الشعاع الواصل بين النقطة الثابتة و النقطة المتحرّكة.

0 × (x + 2) + (−1) × (y − 0) + 5 × (z − 1)=0
🔹الخطوة 2: النشر
−y + 5z − 5=0
✅النّتيجة

نضرب في ناقص واحد لنجعل المعامل الأوّل غير المعدوم موجبا: هذا لا يغيّر المستوي.

y − 5z + 5 = 0
⭐ المعامل المعدوم لا يعني اختفاء المتغيّر من الذهن، بل من الكتابة فقط: غياب x من المعادلة الأخيرة يعني أنّ المستوي يوازي محور الفواصل. اقرأ دائما هذا المعنى الهندسي في معادلاتك.
مثال 2: هل ثلاث نقط تعيّن مستويا؟

قبل الكلام عن معادلة مستو معرّف بثلاث نقط، يجب التأكّد من أنّ هذه النقط تعيّن مستويا فعلا.

🎯المطلوب: بيّن أنّ النقط الثلاث تعيّن مستويا.

📌المعطى: النقط الثلاث
A(−2 ; 0 ; 1) ; B(1 ; 0 ; −3) ; C(1 ; −1 ; 2)
🔹الخطوة 1: الشعاع الأوّل
AB = (3 ; 0 ; −4)
🔹الخطوة 2: الشعاع الثاني
AC = (3 ; −1 ; 1)
🔹الخطوة 3: اختبار الارتباط الخطّي على الفاصلة

لو كان الشعاعان مرتبطين خطّيا لكانت كلّ إحداثية من الثاني حاصل ضرب الأولى في نفس العدد. الفاصلتان متساويتان، فالعدد المطلوب هو 1.

3 = 1 × 3
🔹الخطوة 4: الاختبار يسقط على الترتيب

لكنّ الترتيبين لا يعطيان نفس العدد: صفر لا يساوي ناقص واحد.

0 ≠ −1
✅النّتيجة: الشعاعان غير مرتبطين خطّيا
(∀ k ∈ ℝ) AC ≠ k AB
⭐ لا تقفز هذه الخطوة أبدا في الامتحان: نقط على استقامة واحدة تعيّن عددا لا نهائيا من المستويات، و كلّ ما بعدها يسقط. سطر واحد يكفي، لكنّه سطر إجباري.
مثال 3: معادلة مستو معرّف بثلاث نقط

هذه هي الطريقة العامّة، و هي صالحة مهما كانت النقط: نبحث عن شعاع ناظمي، ثمّ نكتب المعادلة.

🎯المطلوب: اكتب معادلة ديكارتية للمستوي الذي يشمل النقط الثلاث السابقة.

📌المعطى: الشعاعان

نبقى مع نفس النقط الثلاث و مع الشعاعين اللذين حسبناهما.

AB = (3 ; 0 ; −4) ; AC = (3 ; −1 ; 1)
🔹الخطوة 1: شرط التعامد الأوّل

الشعاع الناظمي عمودي على الشعاعين معا: هذا يعطي جملة معادلتين بثلاثة مجاهيل.

3a − 4c = 0
🔹الخطوة 2: شرط التعامد الثاني
3a − b + c = 0
🔹الخطوة 3: اختيار قيمة

الجملة ناقصة معادلة، و هذا طبيعي: الشعاع الناظمي معرّف بجداء عدد حقيقي غير معدوم، فنختار قيمة مريحة لأحد المجاهيل.

a = 4
🔹الخطوة 4: الإحداثية الثالثة
3 × 4 − 4c = 0 ⟹ c = 3
🔹الخطوة 5: الإحداثية الثانية
3 × 4 − b + 3 = 0 ⟹ b = 15
🔹الخطوة 6: الشعاع الناظمي
n = (4 ; 15 ; 3)
🔹الخطوة 7: كتابة المعادلة
4(x + 2) + 15y + 3(z − 1)=0
✅النّتيجة
4x + 15y + 3z + 5=0
⭐ تحقّق دائما في سطرين: عوّض بإحداثيات النقط الثلاث في المعادلة المتحصّل عليها. هنا: العدد ⁦−8 + 0 + 3 + 5⁩ معدوم، و ⁦4 + 0 − 9 + 5⁩ معدوم، و ⁦4 − 15 + 6 + 5⁩ معدوم. ثلاثة تحقّقات، و لا يبقى للشكّ مكان.
⛔ الشعاع الناظمي ليس وحيدا، و هذا ليس عيبا: لو اخترنا ⁦a = 8⁩ لوجدنا الشعاع ⁦(8 ; 30 ; 6)⁩، و هو يعطي المعادلة نفسها بعد القسمة على 2. المهمّ أن يكون غير معدوم، و أن تُنجز الاختيارات على معامل غير معدوم. ⛔ و لا تنس أنّ المستوي الذي يشمل ثلاث نقط ليس هو المستوي الذي يقبل أحد أشعتها الناظمية: هما مستويان مختلفان تماما.
مثال 4: مستوي النقط الوحدوية الثلاث

النقط الوحدوية الثلاث للمعلم هي أشهر ثلاثية في الفضاء، و مستويها يستحقّ أن يُحفظ.

🎯المطلوب: اكتب معادلة ديكارتية للمستوي الذي يشمل النقط الوحدوية الثلاث.

📌المعطى: النقط الثلاث
A(1 ; 0 ; 0) ; B(0 ; 1 ; 0) ; C(0 ; 0 ; 1)
🔹الخطوة 1: الشعاع الأوّل
AB = (−1 ; 1 ; 0)
🔹الخطوة 2: الشعاع الثاني
AC = (−1 ; 0 ; 1)
🔹الخطوة 3: الجملة

نكتب شرطي التعامد كما في المثال السابق.

−a + b = 0 ; −a + c = 0
🔹الخطوة 4: قراءة الجملة
a=b=c
🔹الخطوة 5: الشعاع الناظمي

نختار أبسط قيمة ممكنة.

n = (1 ; 1 ; 1)
🔹الخطوة 6: كتابة المعادلة
(x − 1) + y + z=0
✅النّتيجة
x + y + z − 1=0
⭐ احفظ هذه المعادلة: المستوي الذي يقطع المحاور الثلاثة عند الوحدة معادلته مجموع الإحداثيات يساوي 1. تظهر كثيرا في التمارين، و التعرّف عليها بالعين يوفّر عليك خمس دقائق.
مثال 5: مستو يوازي مستويا معلوما و يشمل المبدأ

نبقى مع المستوي السابق، و نبحث عن المستوي الذي يوازيه و يشمل مبدأ المعلم.

🎯المطلوب: اكتب معادلة ديكارتية للمستوي الذي يوازي المستوي السابق و يشمل مبدأ المعلم.

📌المعطى: الشعاع الناظمي المشترك

مستويان متوازيان لهما نفس الاتّجاه، إذن نفس الشعاع الناظمي: نحتفظ به كما هو.

n = (1 ; 1 ; 1)
🔹الخطوة 1: الشرط عند المبدأ
OM.n = 0
🔹الخطوة 2: كتابته بالإحداثيات
1 × x + 1 × y + 1 × z=0
✅النّتيجة
x + y + z = 0
⭐ الفرق بين مستويين متوازيين هو الحدّ الثابت وحده. هنا مررنا من «ناقص واحد» إلى «صفر». و بما أنّ النقطة الوحدوية الأولى تعطي 1 لا 0، فهي لا تنتمي إلى المستوي الجديد: المستويان متوازيان و متمايزان.

4. حالات خاصة تُحفظ

ثلاثة مستويات تعود في كلّ تمرين تقريبا: المستويات الإحداثية. معادلة كلّ واحد منها في سطر، و شعاعه الناظمي هو الشعاع الثالث من أشعّة الأساس.

✅النّتيجة: المستويات الإحداثية الثلاثة
المستوي الإحداثيمعادلتهشعاع ناظمي له
المستوي الأفقي، بشعاعي الأساس الأوّلين⁦z = 0⁩⁦k(0 ; 0 ; 1)⁩
المستوي بالشعاعين الثاني و الثالث⁦x = 0⁩⁦i(1 ; 0 ; 0)⁩
المستوي بالشعاعين الأوّل و الثالث⁦y = 0⁩⁦j(0 ; 1 ; 0)⁩
⭐ اقرأ السطر الأوّل: كلّ نقطة ارتفاعها معدوم تنتمي إليه، و الشعاع الصاعد عمودي عليه. نفس المنطق في السطرين الآخرين.

و لمّا يكون أمامنا مستويان، نحكم على وضعهما النسبي بشعاعيهما الناظميين وحدهما، دون أيّ رسم.

شرط التوازي
n = k n' ; k ≠ 0
شرط التعامد
n.n' = 0
⚖️ دقّة تستحقّ الانتباه: في شرط التوازي نشترط أن يكون العدد k غير معدوم. و الشرط محقّق تلقائيا هنا، لأنّ الشعاع الناظمي غير معدوم بحكم تعريفه — لكن من الأفضل أن تكتبه: في الامتحان، الشرط المسكوت عنه هو الشرط الذي يُنسى.
الوضع النسبي للمستويين يُقرأ على الشعاعين وحدهما: هذا هو الربح الحقيقي للمعادلة الديكارتية.
مثال 6: مستويان متوازيان

مستويان معطيان بمعادلتيهما، و لا شيء غير ذلك.

🎯المطلوب: عيّن الوضع النسبي للمستويين المعطيين بمعادلتيهما.

📌المعطى: معادلتا المستويين

نقرأ الشعاعين الناظميين مباشرة على المعاملات.

2x − 3y + 5z + 1 = 0 ; 4x − 6y + 10z − 7 = 0
🔹الخطوة 1: الشعاع الناظمي الأوّل
n = (2 ; −3 ; 5)
🔹الخطوة 2: الشعاع الناظمي الثاني
n' = (4 ; −6 ; 10)
🔹الخطوة 3: العلاقة بين الشعاعين

نبحث عن عدد حقيقي غير معدوم يربط بينهما: نقسم الإحداثيات المتقابلة.

n = (12) n'
🔹الخطوة 4: الاستنتاج الأوّل

العدد نصف، و هو غير معدوم، إذن الاتّجاهان واحد.

(P) ∥ (P')
🔹الخطوة 5: مقارنة الحدّ الثابت

يبقى أن نعرف إن كانا متمايزين: نضرب المعادلة الأولى في 2 و نقارن الحدّ الثابت.

2 × 1 = 2 ≠ −7
✅النّتيجة
(P) ∥ (P') ; (P) ≠ (P')
⭐ التوازي لا يكفي: قل دائما إن كان المستويان منطبقين أو متمايزين. الطريقة أسرع ممّا تظنّ: اجعل المعاملات متطابقة بالضرب، ثمّ قارن الحدّين الثابتين. إن تساويا فالمستويان واحد.
مثال 7: مستويان متعامدان

نغيّر المستوي الثاني، و نبقي على الأوّل كما هو.

🎯المطلوب: بيّن أنّ المستويين المعطيين متعامدان.

📌المعطى: معادلتا المستويين
2x − 3y + 5z + 1 = 0 ; 3x + 2y − 4 = 0
🔹الخطوة 1: الشعاع الناظمي الأوّل
n = (2 ; −3 ; 5)
🔹الخطوة 2: الشعاع الناظمي الثاني

المعادلة الثانية لا تحوي المتغيّر الثالث: معامله معدوم، و هذا يعني أنّ المستوي يوازي الاتّجاه الصاعد.

n' = (3 ; 2 ; 0)
🔹الخطوة 3: الجداء السلّمي
n.n'=2 × 3 + (−3) × 2 + 5 × 0
🔹الخطوة 4: الحساب
n.n' = 6 − 6 + 0
✅النّتيجة
n.n' = 0 ⟹ (P) ⊥ (P')
⭐ معامل معدوم في معادلة مستو يقرأ هندسيا: المستوي يوازي المحور الموافق لذلك المعامل. هنا المستوي الثاني «عمودي على الأرضية» بلغة الرسم، و هذا يساعد على تصوّر الوضع قبل الحساب.
⛔ في البكالوريا، معادلة المستوي هي باب الدخول إلى تمرين الهندسة الفضائية كلّه: منها تُحسب المسافات، و بها تُدرس التقاطعات. اكتب دائما الشعاع الناظمي في سطر مستقلّ قبل المعادلة — إن أخطأت في النشر، تحتفظ بنقطة الشعاع. ⚖️ و حين يُطلب مستو يشمل ثلاث نقط، ابدأ بسطر «النقط ليست على استقامة واحدة»: هو سطر منقّط، و نسيانه يكلّف أكثر ممّا يكلّف خطأ حسابي.
الخلاصة: نقطة و شعاع ناظمي يعيّنان مستويا واحدا، و انتماء نقطة إليه يكافئ انعدام الجداء السلّمي n.AM. مكتوبا بالإحداثيات، هذا الانعدام يعطي معادلة ديكارتية من الشكل ⁦a x + b y + c z + d = 0⁩، معاملاتها الثلاثة الأولى هي إحداثيات الشعاع الناظمي، و حدّها الثابت محسوب من نقطة معلومة. و العكس صحيح متى كانت المعاملات غير معدومة معا. من هنا تخرج ثلاث حركات: من نقطة و شعاع ناظمي إلى معادلة، و من ثلاث نقط إلى شعاع ناظمي ثمّ إلى معادلة، و من معادلتين إلى الوضع النسبي لمستويين بمقارنة شعاعيهما الناظميين.

Page 1/12

© Madrassati — leçon rédigée par Madrassati · madrassati.net