☰ خطة العام · الرياضيات البحتة (بالعربية)

الضرب الاتجاهي والمساحات والضرب الثلاثي القياسي

الأسبوع 11 · The vector product: definition, coordinates, parallel vectors, areas, the scalar triple product and volumes · 3 دروس
3

المساحات بالضرب الاتجاهي، والضرب الثلاثي القياسي وحجم متوازي السطوح

Pure Mathematics Sec 3 Term 1, Unit 3, Lesson 3
Goalأوجد مساحات متوازيات الأضلاع والمثلثات بالضرب الاتجاهي، وأوجد الحجوم بالضرب الثلاثي القياسي.
New words
مساحة متوازي الأضلاع · ⁦‖A × B‖⁩ لمتوازي الأضلاع الذي ضلعاه المتجاوران ⁦A⁩ و⁦B⁩؛ ومساحة المثلث على ⁦A⁩ و⁦B⁩ نصفهاالضرب الثلاثي القياسي · ⁦A · (B × C)⁩ وهو عدد؛ ويساوي محدد ⁦٣‎ × ٣‎⁩ صفوفه ⁦A, B, C⁩متوازي السطوح · مجسم له ست أوجه كل منها متوازي أضلاع؛ والصندوق حالة خاصة منه
Explanation

خذ متوازي الأضلاع الذي ضلعاه المتجاوران ⁦A⁩ و⁦B⁩. قاعدته ⁦‖A‖⁩ وارتفاعه ⁦‖B‖ sin θ⁩ فمساحته ⁦‖A‖‖B‖ sin θ = ‖A × B‖⁩. والمثلث المقام على الضلعين نفسيهما مساحته نصفها: ⁦½‖A × B‖⁩. وللمثلث ⁦PQR⁩ نأخذ ⁦A = PQ⁩ و⁦B = PR⁩. ثم خذ ثلاثة متجهات ⁦A, B, C⁩ تخرج من نقطة واحدة. الضرب الثلاثي القياسي هو ⁦A · (B × C)⁩: نحسب ⁦B × C⁩ أولًا وناتجه متجه، ثم نضربه قياسيًا في ⁦A⁩ فيكون الناتج عددًا. ولا حاجة إلى أقواس في ⁦A · B × C⁩ لأن ⁦B × C⁩ يُحسب أولًا. وهو محدد ⁦٣‎ × ٣‎⁩ صفوفه المتجهات الثلاثة. والترتيب الدوري لا يغيره: ⁦A · (B × C) = B · (C × A) = C · (A × B)⁩، أما تبديل متجهين فيغير الإشارة. هندسيًا: المتجهات الثلاثة ثلاثة أحرف من متوازي سطوح وحجمه ⁦|A · (B × C)|⁩: مساحة القاعدة ⁦‖B × C‖⁩ في الارتفاع، وهو مركبة ⁦A⁩ في اتجاه ⁦B × C⁩. وإذا وقعت المتجهات الثلاثة في مستوى واحد كان المجسم مسطحًا وناتج الضرب الثلاثي ⁦٠‎⁩، وهذا اختبار لوقوع ثلاثة متجهات في مستوى واحد. ويُستعمل الضرب الثلاثي القياسي في الاستاتيكا وفي التصميم حيث تلزم الحجوم والعزوم.

θhOABC
Worked examples
متوازي أضلاع ضلعاه ⁦A = (٣‎, ٢‎, ٢‎)⁩ و⁦B = (١‎, −٢‎, ٢‎)⁩. ⁦A × B = (٢‎ × ٢‎ − ٢‎ × (−٢‎), −(٣‎ × ٢‎ − ٢‎ × ١‎), ٣‎ × (−٢‎) − ٢‎ × ١‎) = (٨‎, −٤‎, −٨‎)⁩. طوله ⁦√(٦٤‎ + ١٦‎ + ٦٤‎) = ١٢‎⁩ فمساحة متوازي الأضلاع ⁦١٢‎⁩ وحدة مربعة، ومساحة المثلث على الضلعين نفسيهما ⁦٦‎⁩.
مثلث رءوسه ⁦P(١‎, ٢‎, ٠‎)⁩ و⁦Q(٣‎, ١‎, ٤‎)⁩ و⁦R(٠‎, ٥‎, ٢‎)⁩. ⁦PQ = (٢‎, −١‎, ٤‎)⁩ و⁦PR = (−١‎, ٣‎, ٢‎)⁩. ⁦PQ × PR = (−١‎ × ٢‎ − ٤‎ × ٣‎, −(٢‎ × ٢‎ − ٤‎ × (−١‎)), ٢‎ × ٣‎ − (−١‎)(−١‎)) = (−١٤‎, −٨‎, ٥‎)⁩. طوله ⁦√(١٩٦‎ + ٦٤‎ + ٢٥‎) = √٢٨٥‎⁩ فالمساحة ⁦√٢٨٥‎/٢‎ ≈ ٨٫٤٤‎⁩ وحدة مربعة.
ليكن ⁦A = (١‎, ٠‎, ٢‎)⁩ و⁦B = (٣‎, ١‎, −١‎)⁩ و⁦C = (٢‎, ٢‎, ١‎)⁩. المحدد ⁦١‎ × (١‎ × ١‎ − (−١‎) × ٢‎) − ٠‎ + ٢‎ × (٣‎ × ٢‎ − ١‎ × ٢‎) = ٣‎ + ٨‎ = ١١‎⁩. إذن ⁦A · (B × C) = ١١‎⁩ وحجم متوازي السطوح ⁦١١‎⁩ وحدة مكعبة. وبالترتيب الدوري ⁦C · (A × B)⁩ يساوي ⁦١١‎⁩ أيضًا.
هل ⁦(١‎, ٢‎, ٣‎)⁩ و⁦(٢‎, −١‎, ١‎)⁩ و⁦(٤‎, ٣‎, ٧‎)⁩ في مستوى واحد؟ المحدد ⁦١‎ × (−٧‎ − ٣‎) − ٢‎ × (١٤‎ − ٤‎) + ٣‎ × (٦‎ + ٤‎) = −١٠‎ − ٢٠‎ + ٣٠‎ = ٠‎⁩. نعم، هي في مستوى واحد (الثالث يساوي ضعف الأول مضافًا إليه الثاني).
Class activity

حجم الطوبة. طوبة أبعادها ⁦٢‎⁩ و⁦٣‎⁩ و⁦٥‎⁩ وحدات وأحرفها على ⁦i, j, k⁩: ⁦A = ٢‎i⁩ و⁦B = ٣‎j⁩ و⁦C = ٥‎k⁩. تحقق بالمحدد أن ⁦A · (B × C) = ٣٠‎⁩ وهو الطول في العرض في الارتفاع. ثم أمِل الوجه العلوي بتغيير ⁦C⁩ إلى ⁦(١‎, ١‎, ٥‎)⁩: هل يتغير الحجم؟ (لا يتغير، فالقاعدة والارتفاع كما هما.)

Practice
1
أوجد مساحة متوازي الأضلاع الذي ضلعاه ⁦(٢‎, ٠‎, ١‎)⁩ و⁦(٠‎, ٣‎, ١‎)⁩.
2
مثلث فيه ⁦AB = (١‎, ١‎, ٢‎)⁩ و⁦AC = (٠‎, ٣‎, −١‎)⁩. أوجد مساحته.
3
أوجد حجم متوازي السطوح الذي أحرفه ⁦(١‎, ١‎, ٠‎)⁩ و⁦(٠‎, ٢‎, ١‎)⁩ و⁦(٣‎, ٠‎, ١‎)⁩.
4
لأي قيمة ⁦k⁩ تقع المتجهات ⁦(١‎, ٢‎, ١‎)⁩ و⁦(٢‎, k, ٣‎)⁩ و⁦(٠‎, ١‎, −١‎)⁩ في مستوى واحد؟
5
أثبت أن ⁦A · (B × C)⁩ تتغير إشارته عند تبديل ⁦B⁩ و⁦C⁩، مستعملًا ⁦A = (١‎, ٠‎, ٠‎)⁩ و⁦B = (٠‎, ١‎, ٠‎)⁩ و⁦C = (٠‎, ٠‎, ١‎)⁩.