المناهج الدراسية
تسجيل الدخول

المناهج الدراسية

الرياضيات البحتة — الصف الثالث الثانوي

نص الدرس

المتجهات في الفراغ والضرب القياسي والاتجاهي

الرياضيات البحتة — الصف الثالث الثانوي

المتجهات في الفراغ والضرب القياسي والاتجاهي

المتجهات في الفراغ الإحداثي

المتجهات في الفراغ الإحداثي

  • في الفراغ ثلاثي الأبعاد نستخدم ثلاثة محاور متعامدة مثل س وص وع، وتتقاطع في نقطة الأصل (0، 0، 0).
  • كل نقطة في الفراغ تُعين بثلاثة إحداثيات (أ، ب، ج).
كابلان من ركن الغرفة إلى نقطتين يمثلان المتجهات في الفراغ ثلاثي الأبعاد: |أ| = 3 و|ب| = 3 والجداء القياسي صفر.
كابلان من ركن الغرفة إلى نقطتين يمثلان المتجهات في الفراغ ثلاثي الأبعاد: |أ| = 3 و|ب| = 3 والجداء القياسي صفر.
  • المتجه المقيد بين نقطتين أ(س1، ص1، ع1) و ب(س2، ص2، ع2) هو المتجه AB، ومركباته هي:

AB = (س2 − س1، ص2 − ص1، ع2 − ع1)

  • أي أن مركبات المتجه تُحسب بطرح إحداثيات بداية المتجه من إحداثيات نهايته.

المتجه الموضعي والمقدار

  • المتجه الموضعي للنقطة (أ، ب، ج) هو المتجه الذي بدايته نقطة الأصل ونهايته النقطة نفسها، ويُكتب (أ، ب، ج) أو أ ل + ب م + ج ن حيث ل و م و ن متجهات الوحدة في اتجاهات المحاور.
  • مقدار المتجه a = (س، ص، ع) هو طوله، ويُحسب بالعلاقة:
  • |a| = √(س2 + ص2 + ع2)

متجه الوحدة

  • متجه الوحدة في اتجاه المتجه a غير الصفري هو المتجه a ÷ |a|، ومقداره يساوي الواحد الصحيح.
  • فمثلاً متجه الوحدة في اتجاه (3، 0، 4) هو (3 ÷ 5، 0، 4 ÷ 5).
المتجهات في الفراغ والضرب القياسي والاتجاهي · 1 / 8
العمليات على المتجهات

العمليات على المتجهات

  • إذا كان a = (س1، ص1، ع1) و b = (س2، ص2، ع2) وكان ك عدداً حقيقياً، فإن:
وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
الجمع والطرحa ± b = (س1 ± س2، ص1 ± ص2، ع1 ± ع2).
الضرب في عددك a = (ك س1، ك ص1، ك ع1).
التوازيالمتجهان a و b متوازيان إذا وُجد عدد ك بحيث b = ك aالمتجهانمتوازيانبحيث
•
  • ويجب أن نلاحظ أن الضرب في عدد يغير طول المتجه ولا يغير اتجاهه إلا إذا كان العدد سالباً
  • فيصبح الاتجاه معاكساً
ويجبنلاحظالضربيغير
المتجهات في الفراغ والضرب القياسي والاتجاهي · 2 / 8
الضرب القياسي

الضرب القياسي

التعريف الجبري

  • الضرب القياسي (الضرب النقطي) للمتجهين a = (س1، ص1، ع1) و b = (س2، ص2، ع2) هو عدد حقيقي، ويُكتب a · b، ويُحسب بالعلاقة:
  • a · b = س1 س2 + ص1 ص2 + ع1 ع2

التعريف الهندسي والزاوية بين متجهين

  • إذا كانت θ هي الزاوية المحصورة بين المتجهين، فإن a · b = |a| |b| جتا θ. ومنها نجد قانون الزاوية:
  • جتا θ = (a · b) ÷ (|a| |b|)
  • الضرب القياسي إبدالي a · b = b · a.
  • إذا كان a · b = 0 فإن المتجهين متعامدان، بشرط أن يكون كل منهما غير صفري.
  • a · a = |a|2، وهذا يفسر العلاقة بين الضرب القياسي والمقدار.
  • الضرب القياسي ناتج عدد وليس متجهاً.
المتجهات في الفراغ والضرب القياسي والاتجاهي · 3 / 8
الضرب الاتجاهي

الضرب الاتجاهي

التعريف والصيغة

  • الضرب الاتجاهي (الضرب المتجهي) للمتجهين a و b ناتج متجه يُكتب a × b، ويُحسب بالمحدد:
  • a × b = (ص1 ع2 − ع1 ص2، ع1 س2 − س1 ع2، س1 ص2 − ص1 س2)
  • ويمكن تذكر هذه الصيغة بتكوين محدد 3 × 3 صفه الأول متجهات الوحدة ل، م، ن، والصفان التاليان مركبات المتجهين، ثم نفكه على الصف الأول.
وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
التعامد
  • المتجه a × b عمودي على كل من a و b
  • أي أن (a × b) · a = 0 و (a × b) · b = 0
المتجهعمودي
المقدار
  • |a × b| = |a| |b| جا θ
  • وهو يساوي مساحة متوازي الأضلاع المبني على المتجهين
يساويمساحةمتوازيالأضلاع
عدم الإبدال
  • b × a = − (a × b)
  • أي أن ترتيب الضرب يغير الاتجاه
ترتيبالضربيغيرالاتجاه
التوازيa × b = 0 إذا كان المتجهان متوازيينالمتجهانمتوازيين
متجهات الوحدة
  • ل × م = ن
  • م × ن = ل
  • ن × ل = م
  • والعكس بالعكس
والعكسبالعكس
ويمكن فهم اتجاه الضرب الاتجاهي بقاعدة اليد اليمنى
  • نضع أصابع اليد اليمنى في اتجاه المتجه الأول a
  • ثم نطويها نحو المتجه الثاني b
  • فيشير الإبهام إلى اتجاه a × b. ولهذا تكون ل × م في اتجاه المحور الموجب للحرف ن
أصابعالمتجهالأولنطويها
•
  • وبما أن الضرب الاتجاهي يعتمد على ترتيب المتجهين
  • فإن أي حساب لمساحة أو اتجاه يجب أن يلتزم بالترتيب الذي يحدده السؤال أو بعلامة القيمة المطلقة عند الحاجة إلى المقدار فقط
وبماالضربالاتجاهييعتمد

الضرب الثلاثي القياسي

  • إذا كان لدينا ثلاثة متجهات a و b و c فإن الكمية a · (b × c) تسمى الضرب الثلاثي القياسي، ومقدارها يساوي حجم متوازي السطوح المبني على المتجهات الثلاثة.
  • ولذلك نستخدم القيمة المطلقة للحجم:
  • الحجم = |a · (b × c)|
المتجهات في الفراغ والضرب القياسي والاتجاهي · 4 / 8
تطبيقات: المساحات والحجوم

تطبيقات: المساحات والحجوم

مساحة متوازي الأضلاع والمثلث

  • مساحة متوازي الأضلاع المبني على المتجهين a و b تساوي |a × b|.
  • ومساحة المثلث الذي رأسه A ويقع فيه الضلعان AB و AC تساوي نصف مساحة متوازي الأضلاع:
  • مساحة المثلث ABC = ½ |AB × AC|

حجم متوازي السطوح والهرم

  • حجم متوازي السطوح المبني على المتجهات a و b و c يساوي |a · (b × c)|، وحجم الهرم الثلاثي الذي يشترك مع متوازي السطوح نفسه في الأضلاع الثلاثة من رأس واحد يساوي سدس هذا الحجم، أي (1 ÷ 6) |a · (b × c)|.
  • وتفيد هذه العلاقات في حساب المساحات والحجوم في الأشكال الفراغية دون الحاجة إلى الرسم الدقيق.
المتجهات في الفراغ والضرب القياسي والاتجاهي · 5 / 8
أمثلة محلولة

أمثلة محلولة

وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
المثال الأول: مقدار المتجه.أوجد مقدار المتجه a = 2ل − م + 2نأوجد
الحل
  • المركبات هي (2
  • إذن |a| = √(4 + 1 + 4) = √9 = 3
المركبات
المثال الثاني: الزاوية بين متجهين.
  • أوجد الزاوية بين المتجهين a = (1
  • −1) و b = (3
  • 4) لأقرب درجة
أوجدالمتجهينلأقربدرجة
الحلa · b = 3 − 4 − 4 = −5. |a| = √6 و |b| = √29. إذن جتا θ = −5 ÷ (√6 × √29) = −5 ÷ √174 ≈ −0.379. ومنها θ ≈ 112°ومنها
المثال الثالث: حساب الضرب الاتجاهي.
  • إذا كان a = (1
  • 3) و b = (2
  • أوجد a × b وتحقق من أنه عمودي على a
أوجدوتحققعمودي
الحل
  • a × b = (2 × 1 − 3 × 0
  • 3 × 2 − 1 × 1
  • 1 × 0 − 2 × 2) = (2
  • −4)
التحقق
  • −4) · (1
  • 3) = 2 + 10 − 12 = 0
  • إذن المتجهان متعامدان
المتجهانمتعامدان
المثال الرابع: مساحة مثلث في الفراغ.
  • النقط A(1
  • 0) و B(0
  • 0) و C(0
  • 3) رؤوس مثلث. أوجد مساحته
النقطرؤوسأوجدمساحته
وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
الحل
  • AB = (−1
  • 0) و AC = (−1
  • 3). فيكون
فيكون
•
  • AB × AC = (2 × 3 − 0 × 0
  • 0 × (−1) − (−1) × 3
  • (−1) × 0 − 2 × (−1)) = (6
•
  • |AB × AC| = √(36 + 9 + 4) = √49 = 7
  • إذن مساحة المثلث = ½ × 7 = 3.5 وحدة مساحة
مساحةالمثلثوحدة
المثال الخامس: حجم متوازي السطوح.
  • أوجد حجم متوازي السطوح المبني على المتجهات a = (1
  • 0) و b = (0
  • 1) و c = (2
أوجدالمبنيالمتجهات
الحل
  • b × c = (1 × 1 − 1 × 0
  • 1 × 2 − 0 × 1
  • 0 × 0 − 1 × 2) = (1
  • −2)
•
  • a · (b × c) = 1 × 1 + 2 × 2 + 0 × (−2) = 5
  • إذن الحجم = |5| = 5 وحدات حجم
الحجموحدات
المثال السادس: الشرط العمودي.
  • أوجد قيمة ك التي تجعل المتجهين a = (ك
  • −1) و b = (1
  • 2) متعامدين
أوجدقيمةتجعلالمتجهين
الحل
  • شرط التعامد a · b = 0
  • أي ك × 1 + 2 × (−3) + (−1) × 2 = 0. إذن ك − 6 − 2 = 0
  • ومنها ك = 8
التعامدومنها
  • المثال السابع: المتجه العمودي على مستوى ومعادلته. أوجد متجهاً عمودياً على المستوى المار بالنقط A(1، 0، 0) و B(0، 1، 0) و C(0، 0، 1)، ثم أوجد معادلة هذا المستوى ومساحة المثلث ABC.
  • الحل AB = (−1، 1، 0) و AC = (−1، 0، 1). فيكون:
  • AB × AC = (1 × 1 − 0 × 0، 0 × (−1) − (−1) × 1، (−1) × 0 − 1 × (−1)) = (1، 1، 1).
  • المتجه (1، 1، 1) عمودي على المستوى، ومعادلته تكون 1(س − 1) + 1(ص − 0) + 1(ع − 0) = 0، أي س + ص + ع = 1.
  • التحقق النقط الثلاث تحقق المعادلة لأن كلاً منها مجموع إحداثياته يساوي 1.
  • مساحة المثلث = ½ |(1، 1، 1)| = ½ √3 وحدة مساحة.
  • المثال الثامن: إشارة الضرب الثلاثي. إذا كان حجم متوازي السطوح المبني على a و b و c يساوي 1، فما قيمة a · (b × c) إذا كان المتجهات الثلاثة بالترتيب (1، 0، 0) و (0، 1، 0) و (0، 0، 1)؟
الحل←b × c = (0، 1، 0) × (0، 0، 1) = (1، 0، 0). فيكون a · (b × c) = (1، 0، 0) · (1، 0، 0) = 1، وهي موجبة. ولو بدّلنا ترتيب المتجهين b و c لتغيرت الإشارة إلى −1، بينما يبقى الحجم 1 لأنه يؤخذ بالقيمة المطلقة.
المتجهات في الفراغ والضرب القياسي والاتجاهي · 6 / 8
أخطاء شائعة

أخطاء شائعة

وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
الخطأ في طرح الإحداثيات عند إيجاد المتجه بين نقطتين
  • المتجه AB هو (نهاية − بداية)
  • وليس (بداية − نهاية)
نهايةبدايةوليس
الخلط بين الضرب القياسي والاتجاهي
  • الناتج القياسي عدد
  • أما الاتجاهي فهو متجه عمودي على المستوى الذي يضم المتجهين
الناتجمتجهعموديالمستوى
إغفال الإشارة في الضرب الاتجاهي
  • b × a = − (a × b)
  • فإذا عكس الطالب الترتيب يجب أن يغير الإشارة
فإذاالطالبالترتيبيغير
الخطأ في حساب المساحة
  • مساحة المثلث تساوي نصف مقدار الضرب الاتجاهي
  • وليس المقدار نفسه
المثلثتساويمقدارالضرب
نسيان القيمة المطلقة في الحجم
  • الضرب الثلاثي القياسي قد يكون سالباً
  • والحجم دائماً موجب
الضربالثلاثيالقياسييكون
المتجهات في الفراغ والضرب القياسي والاتجاهي · 7 / 8
ملخص الدرس

ملخص الدرس

  • مركبات المتجه المقيد AB = (نهاية − بداية)، ومقداره √(س2 + ص2 + ع2).
  • الضرب القياسي a · b = س1س2 + ص1ص2 + ع1ع2 = |a| |b| جتا θ.
  • المتجهان المتعامدان يحققان a · b = 0.
  • الضرب الاتجاهي متجه عمودي على المستويين، ومقداره |a| |b| جا θ.
  • مساحة المثلث = ½ |AB × AC|، وحجم متوازي السطوح = |a · (b × c)|.
المتجهات في الفراغ والضرب القياسي والاتجاهي · 8 / 8