☰ خطة العام · الرياضيات البحتة (بالعربية)

المستقيم في الفراغ: متجه الاتجاه وصور المعادلة الثلاث والزاوية بين مستقيمين

الأسبوع 12 · Lines in space: the direction vector, the vector, parametric and Cartesian equations, the angle between two lines, and parallel, perpendicular, intersecting and skew lines · 3 دروس
2

المعادلات البارامترية والمعادلة الكارتيزية للمستقيم، والانتقال بين الصور

Pure Mathematics Sec 3 Term 1, Unit 4, Lesson 1
Goalأكتب المعادلات البارامترية والمعادلة الكارتيزية (المتماثلة) للمستقيم وأنتقل بين الصور الثلاث.
New words
المعادلات البارامترية · ⁦x = x₁ + at, y = y₁ + bt, z = z₁ + ct⁩ معادلة لكل إحداثيالمعادلة الكارتيزية · ⁦(x − x₁)/a = (y − y₁)/b = (z − z₁)/c⁩ بعد حذف ⁦t⁩الوسيط · العدد ⁦t⁩ الذي يعين نقطة واحدة من المستقيم
Explanation

اكتب المعادلة المتجهة ⁦r = A + t d⁩ إحداثيًا إحداثيًا. فإذا كان ⁦A = (x₁, y₁, z₁)⁩ و⁦d = (a, b, c)⁩ حصلنا على المعادلات البارامترية: ⁦x = x₁ + at, y = y₁ + bt, z = z₁ + ct⁩. وبحل كل معادلة بالنسبة إلى ⁦t⁩ نجد ⁦t = (x − x₁)/a = (y − y₁)/b = (z − z₁)/c⁩ أي أن الكسور الثلاثة متساوية، وهذه هي المعادلة الكارتيزية (المتماثلة). وهذه الصورة تتطلب أن تكون ⁦a, b, c⁩ جميعها مخالفة للصفر لأننا لا نقسم على الصفر. فإذا كان ⁦a = ٠‎⁩ فإن ⁦x = x₁⁩ لا يتغير ويُكتب المستقيم ⁦x = x₁⁩ مع ⁦(y − y₁)/b = (z − z₁)/c⁩. ولقراءة نقطة واتجاه من معادلة كارتيزية تأكد أن كل بسط هو ⁦x⁩ أو ⁦y⁩ أو ⁦z⁩ ناقصًا عددًا بمعامل ⁦١‎⁩: اقسم البسط والمقام على المعامل. فمثلًا ⁦(٢‎x + ١‎)/٤‎ = (x + ½)/٢‎⁩ و⁦(٣‎ − y)/٣‎ = (y − ٣‎)/(−٣‎)⁩. عندئذ تعطي الأعداد في البسط النقطة وتعطي الأعداد في المقام الاتجاه. تنبيه: المعادلة الواحدة ⁦ax + by + cz + d = ٠‎⁩ تمثل مستويًا وليست مستقيمًا في الفراغ. والمستقيم في الفراغ يحتاج معادلتين مثل التساويين في الصورة الكارتيزية. وإذا أُعطيت نقطتان ⁦A⁩ و⁦B⁩ فخذ ⁦d = AB⁩ ثم استعمل أيًّا من النقطتين.

الصورةالمستقيم المار بالنقطة ⁦(١‎, −٢‎, ٣‎)⁩ واتجاهه ⁦(٣‎, ٢‎, −٤‎)⁩
المتجهة⁦r = (١‎, −٢‎, ٣‎) + t(٣‎, ٢‎, −٤‎)⁩
البارامترية⁦x = ١‎ + ٣‎t, y = −٢‎ + ٢‎t, z = ٣‎ − ٤‎t⁩
الكارتيزية⁦(x − ١‎)/٣‎ = (y + ٢‎)/٢‎ = (z − ٣‎)/(−٤‎)⁩
Worked examples
المستقيم المار بالنقطة ⁦P(١‎, −٢‎, ٣‎)⁩ واتجاهه ⁦(٣‎, ٢‎, −٤‎)⁩: بارامتريًا ⁦x = ١‎ + ٣‎t, y = −٢‎ + ٢‎t, z = ٣‎ − ٤‎t⁩، وكارتيزيًا ⁦(x − ١‎)/٣‎ = (y + ٢‎)/٢‎ = (z − ٣‎)/(−٤‎)⁩ كما في الجدول.
المستقيم المار بالنقطتين ⁦A(٢‎, ١‎, −٣‎)⁩ و⁦B(٥‎, −١‎, ٠‎)⁩: ⁦d = AB = (٣‎, −٢‎, ٣‎)⁩. بارامتريًا ⁦x = ٢‎ + ٣‎t, y = ١‎ − ٢‎t, z = −٣‎ + ٣‎t⁩. وكارتيزيًا ⁦(x − ٢‎)/٣‎ = (y − ١‎)/(−٢‎) = (z + ٣‎)/٣‎⁩. التحقق: ⁦t = ١‎⁩ تعطي ⁦(٥‎, −١‎, ٠‎) = B⁩.
صفر في الاتجاه. المستقيم المار بالنقطة ⁦(٤‎, ١‎, −٢‎)⁩ واتجاهه ⁦(٠‎, ٢‎, ٥‎)⁩: ⁦x = ٤‎, y = ١‎ + ٢‎t, z = −٢‎ + ٥‎t⁩. وصورته الكارتيزية ⁦x = ٤‎⁩ مع ⁦(y − ١‎)/٢‎ = (z + ٢‎)/٥‎⁩.
من الصورة الكارتيزية إلى نقطة واتجاه: ⁦(٢‎x + ١‎)/٤‎ = (٣‎ − y)/٣‎ = (z + ٥‎)/٦‎⁩. نعيد الكتابة ⁦(x + ½)/٢‎ = (y − ٣‎)/(−٣‎) = (z + ٥‎)/٦‎⁩. النقطة ⁦(−½, ٣‎, −٥‎)⁩ والاتجاه ⁦(٢‎, −٣‎, ٦‎)⁩ وطوله ⁦٧‎⁩ فجيوب تمام الاتجاه ⁦(٢‎/٧‎, −٣‎/٧‎, ٦‎/٧‎)⁩.
Class activity

ترجم وتحقق. اختر أي نقطة وأي اتجاه بأعداد صحيحة صغيرة واكتب الصور الثلاث للمستقيم. ثم اختر قيمة لـ ⁦t⁩ وأوجد النقطة وتحقق أن إحداثياتها تحقق المعادلة الكارتيزية.

Practice
1
اكتب المعادلات البارامترية للمستقيم المار بالنقطة ⁦(−٢‎, ٠‎, ٤‎)⁩ واتجاهه ⁦(١‎, ٥‎, −٢‎)⁩.
2
اكتب المعادلة الكارتيزية للمستقيم المار بالنقطتين ⁦(١‎, ١‎, ١‎)⁩ و⁦(٣‎, ٢‎, −١‎)⁩.
3
اكتب ⁦x = ٣‎ − ٢‎t, y = ١‎ + t, z = −٤‎t⁩ في الصورة الكارتيزية.
4
أوجد نقطة ومتجه اتجاه للمستقيم ⁦(x + ٣‎)/٢‎ = (٢‎y − ٤‎)/٦‎ = (٥‎ − z)/٣‎⁩.
5
أثبت أن النقطة ⁦(٧‎, −١‎, −٢‎)⁩ على المستقيم ⁦(x − ١‎)/٣‎ = (y − ٣‎)/(−٢‎) = (z − ٢‎)/(−٢‎)⁩.