Mathématiques🎓 objectif bac

الهندسة في الفضاء

توظيف الجداء السلمي لتعيين مجموعات نقط في الفضاء

🔊 La maîtresse lit pour toi
بلديتان تريدان بناء مركز صحّي على مسافة واحدة من قريتين، و شركة اتّصالات تريد معرفة كلّ المواقع التي يبلغها هوائي مداه ثابت. في الحالتين، ليس المطلوب نقطة واحدة، بل كلّ النقط التي تحقّق شرطا: مجموعة كاملة، لها شكل و اسم. فكيف نتعرّف على شكل مجموعة نقط معرّفة بشرط شعاعي، دون أن نجرّب النقط واحدة واحدة؟

الطريقة واحدة في كلّ التمارين، و هي في سطرين: نختصر مجموع الأشعة في شعاع واحد بواسطة نقطة ثابتة تسمّى المرجح، ثمّ نقرأ الشرط المتبقّي — إن كان «مسافة ثابتة» فالمجموعة سطح كرة، و إن كان «مسافتان متساويتان» فالمجموعة مستو. لا شيء غير ذلك.

🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • كتابة معادلة ديكارتية لسطح كرة معرّف بمركزه و نصف قطره
  • التعرّف على سطح الكرة ذي قطر معلوم بانعدام جداء سلّمي
  • تعريف مرجح جملة نقط مثقلة، و شرط وجوده
  • استعمال علاقة الاختزال لتحويل مجموع أشعة إلى شعاع واحد
  • تعيين مجموعة النقط التي يكون فيها طويلة مجموع أشعة ثابتة
  • تعيين مجموعة النقط المتساوية البعد عن نقطتين
  • البرهان على أنّ مستويا معيّنا بثلاث نقط هو مجموعة مراجيحها
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • الجداء السلّمي في الفضاء و معيار التعامد
  • المسافة بين نقطتين، و معادلة الدائرة في المستوي المماثلة لها
  • علاقة شال و العمليات على الأشعة
  • المرجح في المستوي، و مركز ثقل مثلّث

1. سطح الكرة: أوّل مجموعة نقط

سطح الكرة هو مجموعة النقط التي تبعد عن نقطة ثابتة بمسافة ثابتة. نكتب هذا الشرط بالإحداثيات، فنحصل على معادلة ديكارتية.

معادلة سطح كرة بمركزه و نصف قطره

ليس هذا إلّا كتابة المسافة بين نقطتين، مربّعة لنتخلّص من الجذر.

(x − xW)² + (y − yW)² + (z − zW)²=R²
Wمركز سطح الكرةRنصف القطر، عدد حقيقي موجب تماما

و هناك طريقة ثانية لتعريف سطح كرة: بقطر معلوم. و هي التي يظهر فيها الجداء السلّمي، لأنّ الزاوية المرسومة في نصف دائرة قائمة.

سطح الكرة ذو القطر المعلوم

⭐ الشرط يقول إنّ الشعاعين الواصلين من النقطة إلى طرفي القطر متعامدان. و هذا يشمل الطرفين نفسيهما، لأنّ الشعاع المعدوم عمودي على كلّ شعاع.

M ∈ (S) ⟺ MA.MB = 0
الزاوية القائمة هي التعريف نفسه: كلّ نقطة من السطح ترى القطر تحت زاوية قائمة، و لا نقطة أخرى تفعل.
مثال 1: معادلة سطح كرة بمركزه و نصف قطره

الفضاء منسوب إلى معلم متعامد و متجانس.

🎯المطلوب: اكتب معادلة ديكارتية لسطح الكرة الذي مركزه و نصف قطره معلومان.

📌المعطى: المركز و نصف القطر
W(2 ; 1 ; 0) ; R = √2
🔹الخطوة 1: الشرط

نكتب شرط المسافة مربّعا.

(x − 2)² + (y − 1)² + z²=2
🔹الخطوة 2: نشر القوس الأوّل
x² − 4x + 4
🔹الخطوة 3: نشر القوس الثاني
y² − 2y + 1
🔹الخطوة 4: جمع النشرين مع الحدّ الأخير
x² + y² + z² − 4x − 2y + 5=2
✅النّتيجة

ننقل العدد 2 إلى الطرف الأيسر: 5 ناقص 2 يساوي 3.

x² + y² + z² − 4x − 2y + 3=0
⭐ الشكل المنشور يُتعرّف عليه بعلامتين: معاملات المربّعات الثلاثة متساوية، و لا يوجد حدّ فيه جداء متغيّرين. متى رأيت هذا الشكل، فكّر في سطح كرة و ارجع إلى الشكل المختصر بإكمال المربّعات.
مثال 2: سطح كرة معرّف بقطره، ثمّ نقطة منه

نعتبر سطح الكرة الذي قطره القطعة الواصلة بين النقطتين المعطاتين، ثمّ نبحث عن قيم عدد حقيقي مجهول.

🎯المطلوب: اكتب معادلة ديكارتية لسطح الكرة، ثمّ عيّن قيمتي العدد الحقيقي المجهول حتّى تكون النقطة ذات الإحداثيات ⁦(a ; 1 ; 0)⁩ نقطة منه.

📌المعطى: طرفا القطر
A(1 ; 0 ; −2) ; B(0 ; −1 ; 2)
🔹الخطوة 1: الشعاع الأوّل

نكتب الشعاعين انطلاقا من النقطة المتحرّكة نحو طرفي القطر.

MA = (1 − x ; −y ; −2 − z)
🔹الخطوة 2: الشعاع الثاني
MB = (−x ; −1 − y ; 2 − z)
🔹الخطوة 3: الشرط

نكتب انعدام الجداء السلّمي.

(1 − x)(−x) + (−y)(−1 − y) + (−2 − z)(2 − z)=0
🔹الخطوة 4: نشر الحدّ الأوّل
x² − x
🔹الخطوة 5: نشر الحدّ الثاني
y² + y
🔹الخطوة 6: نشر الحدّ الثالث

الحدّ الثالث جداء مجموع في فرق، فيعطي فرق مربّعين.

z² − 4
🔹الخطوة 7: معادلة سطح الكرة
x² + y² + z² − x + y − 4=0
🔹الخطوة 8: التعويض

ننتقل إلى السؤال الثاني: نعوّض بإحداثيات النقطة ذات المجهول.

a² + 1 + 0 − a + 1 − 4=0
🔹الخطوة 9: المعادلة من الدرجة الثانية
a² − a − 2 = 0
🔹الخطوة 10: التحليل
(a − 2)(a + 1) = 0
✅النّتيجة
a = 2 ; a = −1
⭐ كلمة «قيمتي» في نصّ التمرين تنبّهك مسبقا إلى عدد الحلول: المطلوب قيمتان، فإن وجدت واحدة فتّش عن الثانية، و إن وجدت ثلاثا فراجع حسابك. اقرأ صيغة السؤال، فهي جزء من المعطى.

2. المرجح: الأداة التي تختصر مجموع الأشعة

المسائل الحقيقية لا تعطي شرطا بسيطا مثل «المسافة ثابتة»، بل شرطا على مجموع أشعة. و الأداة التي تختصر هذا المجموع في شعاع واحد هي المرجح. نبدأ بوجوده.

مبرهنة: وجود المرجح و وحدانيته

⭐ الشرط الوحيد هو أن يكون مجموع المعاملات غير معدوم، و بدونه لا وجود للمرجح أصلا. تحقّق منه دائما قبل أن تكتب حرف المرجح.

Σ ai ≠ 0 ⟹ (∃! G) a₁ GA₁ + a₂ GA₂ + ... + an GAn = 0
Gمرجح الجملةaiالمعامل المرفق بالنقطة ذات الرتبة نفسها
حالة خاصة: شرط تسمية المرجح مركز ثقل

لمّا تتساوى المعاملات غير المعدومة يسمّى المرجح مركز ثقل الجملة. و مركز ثقل مثلّث هو نقطة تقاطع متوسّطاته، و أنت تعرفه منذ المستوي.

a₁=a₂=...=an ≠ 0

و الآن العلاقة التي من أجلها كتبنا كلّ هذا. هي التي تحوّل مجموع أشعة إلى شعاع واحد، و منها إلى مسافة.

علاقة الاختزال

⭐ هذه هي المبرهنة التي تشتغل في كلّ تمارين هذا الدرس: الطرف الأيمن فيه شعاع واحد، و طويلته مسافة. الطرف الأيسر فيه عدّة أشعة، و طويلته لا تقول شيئا.

a₁ MA₁ + a₂ MA₂ + ... + an MAn=(a₁ + a₂ + ... + an) MG
⭐ اقرأ علاقة الاختزال في الاتّجاهين. من اليمين إلى اليسار هي تعريف المرجح، و من اليسار إلى اليمين هي آلة حساب: كلّما رأيت مجموع أشعة تنطلق كلّها من نفس النقطة المتحرّكة، اختصره بمرجح. و المعامل الذي يظهر أمام الشعاع الوحيد هو دائما مجموع المعاملات، لا عددها.

3. التمييز بالمرجح: المستقيم و القطعة و المستوي

قبل الأمثلة، ثلاث نتائج تقول إنّ الأشكال التي تعرفها هي نفسها مجموعات مراجيح. نأخذ ثلاث نقط ليست على استقامة واحدة.

  1. المستقيم الحامل لنقطتين هو مجموعة مراجيح هاتين النقطتين.
  2. القطعة الواصلة بينهما هي مجموعة مراجيحهما بمعاملين من نفس الإشارة.
  3. المستوي المعيّن بثلاث نقط هو مجموعة مراجيح هذه النقط الثلاث.

البرهان على الأولى. نبدأ بالاتّجاه المباشر: نفرض أنّ M مرجح للنقطتين، و نبرهن على أنّها من المستقيم.

🔹الخطوة 1: عبارة الشعاع بدلالة المعاملين

نطبّق علاقة الاختزال بأخذ النقطة A نقطة انطلاق. الشعاعان مرتبطان خطّيا، إذن النقطة على المستقيم.

AM = (ba + b) AB

و الاتّجاه العكسي. نفرض الآن أنّ M من المستقيم، فيوجد عدد حقيقي k يحقّق ما يلي.

🔹الخطوة 2: ترجمة الانتماء
AM = k AB
🔹الخطوة 3: إدخال النقطة المتحرّكة بعلاقة شال
AM = k(AM + MB)
🔹الخطوة 4: تجميع الحدود
(1 − k) AM = k MB
✅النّتيجة: العلاقة التي تعرّف المرجح

نضرب في ناقص واحد الشعاع الأوّل لنقلبه. و مجموع المعاملين هو ⁦(1 − k) + k⁩، أي 1، و هو غير معدوم مهما كان k: المرجح موجود دائما.

(1 − k) MA + k MB = 0
✅الاستنتاج: مجموع المعاملين غير معدوم

المعاملان المطلوبان هما إذن ⁦(1 − k)⁩ للنقطة الأولى و k للنقطة الثانية، و مجموعهما يساوي 1 دائما: المرجح موجود مهما كان العدد المختار.

(1 − k) + k = 1 ≠ 0

و بأخذ العدد k في المجال من صفر إلى واحد، يكون المعاملان من نفس الإشارة، و نحصل على القطعة لا على المستقيم كلّه. هذا هو برهان النتيجة الثانية.

⭐ اقرأ الشكل من الأسفل: تحت النقطة الأولى معامل النقطة الثانية معدوم، لأنّ المرجح ينطبق عليها. هذه العلاقة وحدها تكفي لتذكّر أيّ طرف لأيّ نقطة.
⭐ كيف تتذكّر موضع المرجح دون حفظ الشكل؟ اجعل أحد المعاملين معدوما: المرجح ينطبق على النقطة الأخرى. ثمّ اجعل المعاملين موجبين: المرجح بينهما، و يميل نحو النقطة ذات المعامل الأكبر. و إن اختلفت الإشارتان، خرج المرجح من القطعة من جهة النقطة ذات المعامل الأكبر قيمة مطلقة. ثلاث حالات، و لا حاجة إلى حفظ.
مثال 3: مجموعة النقط التي طويلة مجموع أشعتها ثابتة

نعتبر ثلاث نقط من الفضاء ليست على استقامة واحدة، و نبحث عن مجموعة النقط التي تحقّق الشرط المكتوب.

🎯المطلوب: عيّن مجموعة النقط M من الفضاء التي تحقّق الشرط المعطى.

📌المعطى: الشرط
‖MA + MB + MC‖ = 3
🔹الخطوة 1: تعريف مركز الثقل G

المعاملات الثلاثة تساوي واحدا، و مجموعها 3 غير معدوم: المرجح موجود، و هو مركز ثقل المثلّث.

GA + GB + GC = 0
🔹الخطوة 2: اختصار المجموع

نطبّق علاقة الاختزال: مجموع المعاملات هو 3.

MA + MB + MC = 3 MG
🔹الخطوة 3: تعويض المجموع في الشرط
‖3 MG‖ = 3
🔹الخطوة 4: إخراج المعامل من الطويلة

طويلة جداء عدد في شعاع هي القيمة المطلقة للعدد مضروبة في الطويلة.

3 ‖MG‖ = 3
🔹الخطوة 5: القسمة على 3

⭐ هنا الخطوة التي لا يجب قفزها: نقسم الطرفين على مجموع المعاملات.

MG = 33
✅النّتيجة

الشرط صار «المسافة إلى نقطة ثابتة تساوي عددا ثابتا»: هذا تعريف سطح الكرة.

MG = 1
⭐ الجواب النهائي يُكتب بالكلمات، لا بالمعادلة وحدها: المجموعة هي سطح الكرة الذي مركزه مركز ثقل المثلّث و نصف قطره 1. من يكتب «المسافة تساوي 1» و يقف، لم يجب عن السؤال: السؤال يطلب تعيين المجموعة.
مثال 4: مجموعة النقط المتساوية البعد عن مرجحين

نبقى مع نفس النقط الثلاث، و نغيّر الشرط: هذه المرّة يتساوى مجموعان.

🎯المطلوب: عيّن مجموعة النقط M من الفضاء التي تحقّق تساوي الطويلتين.

📌المعطى: الشرط
‖MA + MB + MC‖ = ‖MA + 2 MB‖
🔹الخطوة 1: اختصار الطرف الأيسر

الطرف الأيسر معالج في المثال السابق: مرجحه مركز الثقل.

MA + MB + MC = 3 MG
🔹الخطوة 2: تعريف المرجح H

في الطرف الأيمن مجموع المعاملات هو ⁦1 + 2⁩، أي 3 كذلك: نسمّي مرجحه H.

HA + 2 HB = 0
🔹الخطوة 3: اختصار الطرف الأيمن
MA + 2 MB = 3 MH
🔹الخطوة 4: كتابة الشرط بالمرجحين
‖3 MG‖ = ‖3 MH‖
🔹الخطوة 5: تبسيط العامل المشترك

العامل 3 موجب و مشترك بين الطرفين، فنبسّطه.

3 MG = 3 MH
✅النّتيجة

الشرط صار «النقطة على نفس البعد من نقطتين ثابتتين»، و هذا هو تعريف المستوي المحور.

MG = MH
⭐ الجواب يُكتب بالكلمات: المجموعة هي المستوي المحور للقطعة الواصلة بين المرجحين G و H، أي المستوي العمودي عليها في منتصفها. ⚖️ و لاحظ أنّ العامل المشترك 3 لم يظهر صدفة: مجموع معاملات الطرف الأيمن يساوي مجموع معاملات الطرف الأيسر. لو اختلفا لما أمكن تبسيطه، و لكان الشرط شيئا آخر.
⚖️ شرط ضمني لا بدّ من ذكره: الجواب الأخير يفترض أنّ المرجحين متمايزان. فلو انطبقت النقطتان لكان الشرط محقّقا في كلّ الفضاء، و لما كانت المجموعة مستويا. في الأمثلة العددية تحقّق من التمايز بحساب المرجحين — و اكتب الشرط في ورقتك.
المستوي المحور ليس مجرّد اسم: هو المستوي العمودي على القطعة في منتصفها، و هو الجواب النموذجي لكلّ شرط من نوع «مسافتان متساويتان».

4. المستوي نفسه هو مجموعة مراجيح

ننهي بأقوى النتائج الثلاث: المستوي المعيّن بثلاث نقط ليس مجرّد شكل، بل مجموعة مراجيح هذه النقط. و البرهان يشبه برهان المستقيم، بمتغيّرين بدل واحد.

مثال 5: المستوي مجموعة مراجيح ثلاث نقط

هذه هي النتيجة الثالثة من التمييز بالمرجح، و برهانها يستحقّ أن يُقرأ سطرا سطرا.

🎯المطلوب: برهن أنّ المستوي المعيّن بثلاث نقط ليست على استقامة واحدة هو مجموعة مراجيح هذه النقط.

📌المعطى: شرط وجود المرجح

نعتبر ثلاث نقط ليست على استقامة واحدة. نبدأ بالاتّجاه المباشر: مرجح للنقط الثلاث، و نبرهن على أنّه من المستوي.

a + b + c ≠ 0
🔹الخطوة 1: عبارة الشعاع

نطبّق علاقة الاختزال بأخذ النقطة الأولى نقطة انطلاق.

AM=(ba + b + c) AB + (ca + b + c) AC
🔹الخطوة 2: الاستنتاج الأوّل

الشعاع مكتوب بدلالة شعاعين غير مرتبطين خطّيا من المستوي: هذا يعني أنّ النقطة منه.

M ∈ (ABC)
🔹الخطوة 3: ترجمة الانتماء

ننتقل إلى الاتّجاه العكسي: نأخذ نقطة من المستوي، فيوجد عددان حقيقيان يكتبان الشعاع بدلالة الشعاعين.

AM = x AB + y AC
🔹الخطوة 4: إدخال النقطة المتحرّكة

ندخل النقطة المتحرّكة في كلّ شعاع بعلاقة شال.

AM=x(AM + MB) + y(AM + MC)
🔹الخطوة 5: التجميع

نجمع الحدود التي تحوي الشعاع الأوّل في طرف واحد.

(1 − x − y) AM = x MB + y MC
🔹الخطوة 6: الشكل النهائي

نضرب الشعاع الأوّل في ناقص واحد لقلبه، فنحصل على الشكل الذي يعرّف المرجح.

(1 − x − y) MA + x MB + y MC=0
🔹الخطوة 7: مجموع المعاملات

نتحقّق من شرط الوجود: مجموع المعاملات الثلاثة.

(1 − x − y) + x + y=1 ≠ 0
✅النّتيجة
M ∈ (ABC) ⟺ (1 − x − y) MA + x MB + y MC = 0
⭐ مجموع المعاملات يساوي 1 دائما هنا، مهما كان العددان: هذا ليس صدفة، بل هو ما يجعل المرجح موجودا في كلّ الحالات. و هو أيضا ما يسمّى «الإحداثيات المرجحية» لنقطة من المستوي.

5. تمرين يجمع كلّ شيء: نسبة مسافتين ثابتة

ننهي الدرس بشرط من نوع جديد: لا مجموع أشعة، بل نسبة مسافتين. سنرى أنّ المرجح يحلّه كذلك، بشرط أن نبدأ بتحويل النسبة إلى فرق مربّعين.

مثال 6: مجموعة النقط التي نسبة بعديها عن نقطتين ثابتة

نعتبر نقطتين متمايزتين من المستوي المسافة بينهما 2، و نبحث عن مجموعة النقط التي بعدها عن الأولى يساوي ثلاثة أمثال بعدها عن الثانية.

🎯المطلوب: عيّن طبيعة مجموعة النقط M التي تحقّق الشرط المعطى على النسبة.

📌المعطى: النقطتان و الشرط
AB = 2 ; MAMB = 3
🔹الخطوة 1: التخلّص من النسبة

نضرب في المقام ثمّ نربّع: هذا يزيل النسبة و يزيل الجذور معا.

MA = 3 MB ⟹ MA² = 9 MB²
🔹الخطوة 2: كتابة الشرط بفرق مربّعين
MA² − 9 MB² = 0
🔹الخطوة 3: التحليل

مربّع المسافة هو مربّع طويلة الشعاع، و فرق المربّعين يُحلّل إلى جداء مجموع في فرق.

(MA − 3 MB).(MA + 3 MB) = 0
🔹الخطوة 4: تعريف المرجح الأوّل

المعاملان في القوس الأوّل مجموعهما ⁦1 − 3⁩، أي ناقص 2 و هو غير معدوم: للجملة مرجح، نسمّيه K.

KA − 3 KB = 0
🔹الخطوة 5: اختصار القوس الأوّل
MA − 3 MB = −2 MK
🔹الخطوة 6: تعريف المرجح الثاني

المعاملان في القوس الثاني مجموعهما ⁦1 + 3⁩، أي 4: للجملة مرجح كذلك، نسمّيه G.

GA + 3 GB = 0
🔹الخطوة 7: اختصار القوس الثاني
MA + 3 MB = 4 MG
🔹الخطوة 8: تعويض القوسين
(−2 MK).(4 MG) = 0
🔹الخطوة 9: إخراج العددين
−8 MG.MK = 0
✅النّتيجة

العدد ناقص ثمانية غير معدوم، فلا يبقى إلّا انعدام الجداء السلّمي، أي رؤية القطعة الواصلة بين المرجحين تحت زاوية قائمة.

MG.MK = 0
⭐ الجواب بالكلمات: المجموعة هي الدائرة التي قطرها القطعة الواصلة بين المرجحين G و K. ⚖️ و الحركة التي عليك حفظها هي التحليل إلى فرق مربّعين: كلّ شرط من الشكل «مسافة تساوي عدد أمثال مسافة» يُربّع، فيصير فرق مربّعين، فيصير جداء قوسين، و كلّ قوس يُختصر بمرجح. ثلاث خطوات آلية، و ينتهي الأمر دائما بدائرة، أو بسطح كرة إن كنّا في الفضاء.
⭐ تحقّق سريع في حالة عددية: ضع النقطتين على محور، الأولى عند 0 و الثانية عند 2. تجد المرجح الأوّل عند 3 و الثاني عند ⁦3/2⁩، فمركز الدائرة عند ⁦9/4⁩ و نصف قطرها ⁦3/4⁩. و لمّا تحسب النسبة عند كلّ من المرجحين تجد 3 في الحالتين: النقطتان من المجموعة فعلا، و هذا يؤكّد الجواب.
⛔ في البكالوريا، تمرين مجموعات النقط يُنقّط في ثلاث محطّات: تبرير وجود المرجح (مجموع المعاملات غير معدوم)، الاختصار بعلاقة الاختزال مع كتابة المعامل صحيحا، و تسمية المجموعة بالكلمات مع مركزها و نصف قطرها إن كانت سطح كرة. ⚖️ و انتبه إلى الحالات الحدّية: إن انطبق المرجحان فالمجموعة هي الفضاء كلّه، و إن كان العدد المعطى سالبا فالمجموعة خالية. جملة واحدة عن الحالة الحدّية تُنقَّط.
الخلاصة: تعيين مجموعة نقط يعني ترجمة شرط شعاعي إلى شرط على المسافات، و الأداة هي المرجح. متى كان مجموع المعاملات غير معدوم، وجد المرجح و اختُصر مجموع الأشعة في شعاع واحد بعلاقة الاختزال. من هنا تخرج ثلاث نهايات و لا رابع لها: شرط «مسافة ثابتة» يعطي سطح كرة، و شرط «مسافتان متساويتان» يعطي المستوي المحور، و شرط انعدام جداء سلّمي يعطي سطح الكرة ذا القطر المعلوم أو مستويا. و المستقيم و القطعة و المستوي هي نفسها مجموعات مراجيح، فالمرجح ليس حيلة حساب: هو وصف آخر للأشكال التي تعرفها.

Page 1/10

© Madrassati — leçon rédigée par Madrassati · madrassati.net