☰ 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
3

الزاوية بين مستقيمين، والمستقيمان المتوازيان والمتعامدان والمتقاطعان والمتخالفان

Pure Mathematics Sec 3 Term 1, Unit 4, Lesson 1
Goalأوجد الزاوية بين مستقيمين وأحدد هل هما متوازيان أم متعامدان أم متقاطعان أم متخالفان.
New words
الزاوية بين مستقيمين · الزاوية الحادة (أو القائمة) بين متجهي اتجاههماالمستقيمان المتعامدان · متجها اتجاههما يحققان ⁦d₁ · d₂ = ٠‎⁩المستقيمان المتخالفان · مستقيمان غير متوازيين وليس لهما نقطة مشتركة؛ ولا يقعان في مستوى واحد
Explanation

الزاوية بين مستقيمين هي الزاوية بين متجهي اتجاههما، لكن للمستقيم اتجاهين ⁦d⁩ و⁦−d⁩ فنأخذ الزاوية الحادة (أو القائمة): ⁦cos θ = |d₁ · d₂|/(‖d₁‖‖d₂‖)⁩ حيث ⁦٠‎° ≤ θ ≤ ٩٠‎°⁩. والقيمة المطلقة في البسط تفعل ذلك. وإذا أُعطي المستقيمان بجيوب تمام الاتجاه فإن ⁦cos θ = |ℓ₁ℓ₂ + m₁m₂ + n₁n₂|⁩. وهناك حالات خاصة: يتعامد المستقيمان عندما ⁦d₁ · d₂ = ٠‎⁩ ويتوازيان عندما ⁦d₁ = kd₂⁩ (أو ⁦d₁ × d₂⁩ المتجه الصفري). والمستقيمان المتوازيان اللذان يشتركان في نقطة هما المستقيم نفسه. في المستوى يتقاطع أي مستقيمين غير متوازيين. أما في الفراغ ففيه احتمال ثالث: المستقيمان غير المتوازيين إما أن يتقاطعا في نقطة واحدة وإما أن يكونا متخالفين، أي لا يتقاطعان ولا يتوازيان، مثل حرف على أرض الغرفة وحرف آخر مختلف الاتجاه على سقفها. وللحكم نعطي المستقيمين وسيطين مختلفين: ⁦s⁩ للأول و⁦t⁩ للثاني. نساوي الإحداثيات فنحصل على ثلاث معادلات في مجهولين. نحل معادلتين منها ثم نختبر الثالثة: إذا تحققت تقاطع المستقيمان في النقطة التي وجدناها، وإذا لم تتحقق فهما متخالفان. وقد يتقاطع المستقيمان المتعامدان وقد يتخالفان، فالتعامد يقارن الاتجاهين فقط.

للحكم: اجعل لكل مستقيم وسيطًا مختلفًا ⁦s⁩ و⁦t⁩، وحل معادلتين من معادلات الإحداثيات الثلاث، ثم اختبر الثالثة
الاتجاهاننقطة مشتركة؟المستقيمان
متناسبان: ⁦d₁ = kd₂⁩لا توجد، أو كل النقطمتوازيان (أو منطبقان)
غير متناسبيننقطة واحدة بالضبطمتقاطعان
غير متناسبينلا توجدمتخالفان
Worked examples
أوجد الزاوية بين مستقيمين اتجاهاهما ⁦d₁ = (١‎, −٢‎, ٢‎)⁩ و⁦d₂ = (٤‎, ٠‎, ٣‎)⁩. ⁦d₁ · d₂ = ٤‎ + ٠‎ + ٦‎ = ١٠‎⁩ و⁦‖d₁‖ = ٣‎⁩ و⁦‖d₂‖ = ٥‎⁩. إذن ⁦cos θ = ١٠‎/١٥‎ = ٢‎/٣‎⁩ و⁦θ ≈ ٤٨٫٢‎°⁩.
مستقيمان متعامدان. ⁦d₁ = (٢‎, ٣‎, −١‎)⁩ و⁦d₂ = (١‎, ١‎, ٥‎)⁩ يعطيان ⁦٢‎ + ٣‎ − ٥‎ = ٠‎⁩ فالمستقيمان متعامدان. ولأي قيمة ⁦k⁩ يتعامد الاتجاهان ⁦(k, ٣‎, −١‎)⁩ و⁦(٢‎, k, ٥‎)⁩؟ ⁦٢‎k + ٣‎k − ٥‎ = ٠‎⁩ فيكون ⁦k = ١‎⁩.
متوازيان أم منطبقان؟ المستقيم المار بالنقطة ⁦(١‎, ٠‎, ٢‎)⁩ واتجاهه ⁦(١‎, −٢‎, ٣‎)⁩ والمستقيم المار بالنقطة ⁦(٠‎, ١‎, ٢‎)⁩ واتجاهه ⁦(−٢‎, ٤‎, −٦‎)⁩: الاتجاه الثاني يساوي ⁦−٢‎⁩ مرة الأول فهما متوازيان. والمتجه بين النقطتين المعلومتين ⁦(−١‎, ١‎, ٠‎)⁩ وليس مضاعفًا لـ ⁦(١‎, −٢‎, ٣‎)⁩ فالمستقيمان مختلفان.
هل يتقاطع ⁦r₁ = (١‎, ٠‎, ٢‎) + s(١‎, ١‎, −١‎)⁩ مع ⁦r₂ = (١‎, ٣‎, −٣‎) + t(٢‎, −١‎, ٣‎)⁩؟ من ⁦x⁩: ⁦١‎ + s = ١‎ + ٢‎t⁩؛ ومن ⁦y⁩: ⁦s = ٣‎ − t⁩؛ ومن ⁦z⁩: ⁦٢‎ − s = −٣‎ + ٣‎t⁩. الأوليان تعطيان ⁦s = ٢‎t⁩ و⁦٢‎t = ٣‎ − t⁩ فيكون ⁦t = ١‎⁩ و⁦s = ٢‎⁩. والثالثة: ⁦٢‎ − ٢‎ = ٠‎⁩ و⁦−٣‎ + ٣‎ = ٠‎⁩ فهما متفقتان. يتقاطعان في ⁦(٣‎, ٢‎, ٠‎)⁩. ولو بدأ المستقيم الثاني من ⁦(١‎, ٣‎, −٢‎)⁩ لأعطت المعادلة الثالثة ⁦٠‎⁩ مقابل ⁦١‎⁩ فيكون المستقيمان متخالفين.
Class activity

حروف الغرفة. وأنت في غرفة تخيّل ثلاثة حروف: حرف على الأرض بمحاذاة الحائط الشرقي، وحرف على الأرض بمحاذاة الحائط الشمالي، وحرف على السقف بمحاذاة الحائط الشرقي. أي أزواج منها متعامدة ومتقاطعة أو متوازية أو متخالفة؟ (حرف الأرض الشرقي والشمالي يتقاطعان ويتعامدان؛ وحرف الأرض الشرقي وحرف السقف الشرقي متوازيان؛ وحرف السقف الشرقي وحرف الأرض الشمالي متعامدان ومتخالفان.)

Practice
1
أوجد الزاوية بين مستقيمين اتجاهاهما ⁦(٢‎, ٢‎, −١‎)⁩ و⁦(٢‎, −٣‎, ٦‎)⁩.
2
هل المستقيمان اللذان اتجاهاهما ⁦(٣‎, −١‎, ٢‎)⁩ و⁦(١‎, ٥‎, ١‎)⁩ متعامدان؟
3
أوجد ⁦k⁩ و⁦m⁩ بحيث يوازي ⁦(k, −٢‎, ٤‎)⁩ المتجه ⁦(٣‎, m, −٦‎)⁩.
4
أثبت أن المستقيمين ⁦(٢‎, ١‎, ٠‎) + s(١‎, −١‎, ٢‎)⁩ و⁦(٣‎, −٢‎, ٥‎) + t(١‎, ١‎, −١‎)⁩ يتقاطعان وأوجد نقطة التقاطع.
5
أثبت أن المستقيمين ⁦(١‎, ٠‎, ١‎) + s(١‎, ١‎, ٠‎)⁩ و⁦(٠‎, ٢‎, ٠‎) + t(٠‎, ١‎, ١‎)⁩ متخالفان.