قطع مخروطي

من testwiki
اذهب إلى التنقل اذهب إلى البحث
أنواع القطوع المخروطية:
1. قطع مكافئ
2. دائرة وقطع ناقص
3. قطع زائد

في الرياضيات وبالتحديد في الهندسة الوصفية، القطع المخروطي هو منحنى ناتج عن تقاطع مخروط K مستو لا يمر برأس K وغير متماس له (التقاطع في هاتين الحالتين نقطة أو مستقيم).

دُرست القطع المخروطية منذ وقت طويل يعود إلى 200 قبل الميلاد عندما أجرى أبلونيوس البرغاوي دراسة تبين خصائصها.

الهندسة الإقليدية

التعريف التحليلي

في التحليل الرياضي القطع المخروطي هو المحل الهندسي لنقطة تتحرك بحيث تكون العلاقةُ بينَ بعدها عن نقطةٍ ثابتةٍ وبعدها عن مستقيمٍ ثابتٍ نسبةً ثابتةً. تسمى هذه النسبة الاختلاف المركزي (Eccentricity)، كما تسمى النقطة الثابتة البؤرة (Focus)، أما المستقيم الثابت فيسمى الدليل (directrix).

PS=e.PM

حيث:

- P هي نقطة (x,y) تقع على القطع.

- S البؤرة

- e معامل الاختلاف المركزي

- و m هي مسقط العمودي ل P على الدليل.

إذا كان الاختلاف المركزي مساويا للوحدة (يساوي الواحد) سُمِّيَ المنحنى قطعًا مكافئًا (Parabola)، وإذا كان الاختلاف المركزي أقل من الوحدة سمي المنحنى قطعا ناقصا (Ellipse)، وإذا كان الاختلاف المركزي أكبر من الوحدة سمي المنحنى قطعا زائدا (Hyperbola).

وتسمى القطوع المكافئة والناقصة والزائدة بالقطوع المخروطية، لأنه يمكن أن تتولد نتيجة قطع السطح المخروطي بمستو في وضع معين.

أنواع القطوع المخروطية

لها ثلاثة أنواع هي القطع المكافئ (شلجم)، القطع الزائد (هذلول)، والقطع الناقص (إهليلج). وقد تُعدُّ الدائرة نوعًا رابعًا (كما عدَّها أبولونيوس) أو يمكن عدُّها نوعا من القطوع الناقصة (عندما يكون المحوران متساويان). ويتشكل القطع الناقص والدائرة عندما يكون تقاطع المستوى والمخروط منحنى مغلق. وتتشكل الدائرة عندما يكون المستوى القاطع موازيًا لدائرة القاعدة المولدة للمخروط (وفي هذه الحالة يسمى مخروط دائري). بالنسبة لمخروط يميني (كما في الشكل المقابل في أعلى الصورة) يكون المستوى القاطع عموديًا على محور تماثل المخروط. إذا كان المستوى القاطع موازيا لخط واحد فقط من الخطوط المولدة للمخروط حينها يصبح القطع مفتوحًا وليس مغلقًا فيسمى قطعًا مكافئًا. وفي الحالة الأخيرة يتكون القطع الزائد وعندما يكون المستوى موازي لراسمين من رواسم المخروط وبالتالي يقطع كلا الطيتين، مكونًا بذلك منحنيين منفصلين ومفتوحين، يتم أحيانا تجاهل أحدهما والعمل بالآخر.

حالات شاذة

توجد حالات شاذة تنتج عندما يمر المستوى القاطع برأس المخروط Apex. التقاطع في هذه الحالات قد يكون خطًا مستقيما (إذا كان المستوى مماسًا لسطح المخروط)؛ أو نقطة (إذا كانت الزاوية بين المستوى ومحور المخروط أكبر من المماس)؛ أو زوجا من الخطوط المتقاطعة (عندما تكون الزاوية أصغر).

عندما يصبح المخروط أسطوانة أي عندما يكون الرأس واقعا في منطقة اللانهاية تنتج قطوع أسطوانية. بالرغم من أن ذلك يتسبب غالبًا في قطع ناقص أو دائرة، إلا أن هناك حالة شاذة تنتج خط أو خطين متوازيين عندما يكون مستوى القطع، بالتوالي، متماس للأسطوانة أو قاطعا لها (بشرط أن يكون موازي لراسم من رواسمها)

الاختلاف المركزي

انظر أيضاً: لا مركزية (رياضيات)

شروط التعريف الأربعة الواردة أعلاه يمكن جمعها في شرط واحد يعتمد على نقطة افتراضية F (البؤرة) ومستقيم L (الدليل) لا يمر بالنقطة F وعدد حقيقي غير سالب e (هو معامل الاختلاف المركزي). القطع المخروطي المقابل يتكون من جميع النقاط التي تبعد عن F مسافةً تساوي e مرة بعدها عن L. إذا كانت e بين 0 و 1 نحصل على قطع ناقص، إذا كانت e=1 نتحصل على قطع مكافئ وإذا كانت أكبر من 1 نحصل على قطع زائد.

يوجد دليلان وبؤرتان لكل من القطع الزائد والناقص. المسافة من المركز إلى الدليل هي a/e، بينماa  هو نصف المحور الأكبر للقطع الناقص، أو المسافة من المركز إلى قمة القطع الزائد. المسافة من المركز للبؤرة هي ae .

في حالة الدائرة يكون معامل الاختلاف المركزي e= 0 ويمكن تخيل أن الدليل قد اُسْتُبْعِد لانهائيًا عن المركز. لكن من غير المفيد استخدام التعبير: إن الدائرة تتكون من كل النقاط التي التي تبعد مسافة e مرة بعدها عن L لأننا سنحصل على 0 مضروبة في مالانهاية.

لذلك فإن المميز الأساسي ما يخص القطع المخروطي هو مقياس يبين لأي مدى يبعد القطع عن أن يكون دائرة. لقيمة معطاة a ، كلما اقتربت e  من 1 كلما نقص طول نصف المحور والأصغر.

محددات القطع

محددات القطع في حالة القطع الناقص

بالإضافة إلى الاختلاف المركزي (e)، والبؤر، والدليل، ترتبط العديد من الميزات والأطوال الهندسية بقطع مخروطي.

المحور الرئيسي: هو المستقيم الذي يشمل بؤر القطع الناقص أو القطع الزائد، ومركزها هي مركز المنحنى. القطع المكافئ ليس له مركز.

الاختلاف المركزي الخطي c قالب:إنج هي المسافة بين المركز والبؤرة.

الوتر العمودي البؤري قالب:لات الوتر الموازي للدليل ويمر عبر البؤرة؛  نصف طوله هو نصف الوتر العمودي البؤري (ℓ).

المحدد البؤري p قالب:إنج هو المسافة بين البؤرة المقابلة.

المحور الأكبر قالب:إنج هو الوتر بين الرأسين: أطول وتر للقطع الناقص، وأقصر وتر بين فرعَيْ القطع الزائد، يطلق على نصف طوله اسم نصف المحور الأكبر a

المحور الأصغر قالب:إنج هو أقصر قطر للقطع الناقص، ونصف طوله يطلق عليه نصف المحور الأصغر b، نفس القيمة b كما في المعادلة القياسية أدناه. على سبيل القياس، بالنسبة للقطع الزائد، نسمي أيضًا المعلمة b في المعادلة القياسية، شبه المحور الأصغر.

فيما يلي علاقة بعض المحددات المذكورة أعلاه بالاختلاف المركزي:[١]

  •  =pe
  •  c=ae
  •  p+c=ae

بالنسبة القطوع المخروطية في الوضع القياسي، فإن هذه المحددات لها القيم التالية، مع أخذ a,b>0.

قطع مخروطي معادلة الاختلاف المركزي (قالب:تعبير رياضي) الاختلاف المركزي الخطي (قالب:تعبير رياضي) نصف الوتر العمودي البؤري (قالب:تعبير رياضي) محدد بؤري (قالب:تعبير رياضي)
دائرة x2+y2=a2 0 0 a
قطع ناقص x2a2+y2b2=1 1b2a2 a2b2 b2a b2a2b2
قطع مكافئ y2=4ax 1 غير موجود 2a 2a
قطع زائد x2a2y2b2=1 1+b2a2 a2+b2 b2a b2a2+b2

المعادلة الجبرية

يمكن تمثيل معادلة القطع المخروطي بأشكال مختلفة منها:

  1. إذا كان الاختلاف المركزي يساوي ھ وكانت البؤرة عند نقطة الأصل (0,0) والدليل مستقيما عموديا على محور السينات يقطعه على بعد ف فإن معادلة القطع المخروطي تعطى بالمعادلة التالية:

(1 - ھ^2) س^2 + 2ھ^2 ف س + ص^2 = ھ^2 ف

  1. معادلة من الدرجة الثانية في متغيرين س، ص ويمكن كتابة هذه المعادلة على الصورة التالية:

أ س^2 + 2ب س ص + جـ ص^2 + 2د س + 2ھ ص + و = 0

الإحداثيات الديكارتية

في النظام الإحداثي الديكارتي يكون منحنى دالة تربيعية في متغيرين دوما قطعا مخروطيا، وكل القطوع المخروطية تتكون بهذه الطريقة. معادلتها تكون في الصورة:

Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F=0 حيث A, B, C ليسوا جميعًا أًصفارًا.

نحسب المميّز B24AC لمعرفة نوع القطع.

  • إذا كان B24AC<0، نحصل على معادلة قطع ناقص (مالم يكن المخروط منحلا، مثلًا x2+y2+10=0
    • إذا كان A=C وB=0 المعادلة تمثل دائرة؛
  • إذا كان B24AC=0، نحصل على معادلة قطع مكافئ.
  • إذا كان B24AC>0، نحصل على معادلة قطع زائد.

لاحظ أن A و B هي معاملات لا تمثل أي أطوال للمحاور الأكبر والأصغر كما سيتم تعريفها في القسم التالي

في تعبير المصفوفات تصبح المعادلات السابقة كالتالي:

[xy].[AB/2B/2C].[xy]+Dx+Ey+F=0.

أو

[xy1].[AB/2D/2B/2CE/2D/2E/2F].[xy1]=0.

و

B24AC=4|AB/2B/2C|.

رغم تغيير الإحداثيات يمكن وضع هذه المعادلات في صورة قياسية:

  • الدائرة: x2+y2=r2
  • القطع الناقص: x2a2+y2b2=1,x2b2+y2a2=1
  • القطع المكافئ:y2=4ax, x2=4ay
  • القطع الزائد:x2a2y2b2=1,x2b2y2a2=1
  • القطع الزائد القائم:xy=c2

مثل هذه الصيغ تكون متماثلة حول محور x، وفيما يخصُّ الدائرة والقطع الزائد والناقص حول محور y و القطع الزائد القائم هي حالة التماثل الوحيدة التي تكون حول y=x وy=x. لذلك فان دالتها العكسية هي نفس الدالة الأصلية.

يمكن كتابة هذه الصيغ القياسية في صورة معادلات وسيطية (بارامترية):

  • الدائرة: (acosθ,asinθ)
  • القطع الناقص: (acosθ,bsinθ)
  • القطع المكافئ: (at2,2at)
  • القطع الزائد: (asecθ,btanθ) أو (±acoshu,bsinhu)
  • القطع الزائد القائم:(ct,ct)

الإحداثيات المتجانسة

في الإحداثيات المتجانسة، القطع المخروطي يمكن تمثيلها كالتالي:

A1x2+A2y2+A3z2+2B1xy+2B2xz+2B3yz=0.

أو بتعبير المصفوفات:

[xyz].[A1B1B2B1A2B3B2B3A3].[xyz]=0.

المصفوفة M=[A1B1B2B1A2B3B2B3A3] تدعى «مصفوفة القطع المخروطي». Δ=det(M)=det([A1B1B2B1A2B3B2B3A3]) تدعى محددة القطع المخروطي. إذا كان Δ = 0 فإن القطع المخروطي يسمى «منحلًا Degenerate»، وهذا يعني أنه في الحقيقة عبارة عن اتحاد خطين مستقيمين. أي قطع مخروطي يتقاطع مع نفسه هو قطع منحلة، ولكن ليس كل القطوع المنحلة تقاطع نفسها، وفي هذه الحالة يكون القطع خطًا مستقيماً.

على سبيل المثال القطع المخروطي

[xyz].[100010000].[xyz]=0 يختزل اتحاد المستقيمين:
{x2y2=0}={(x+y)(xy)=0}={x+y=0}{xy=0}.

وبالمثل يختزل القطع المخروطي أحيانًا خطًا مفردا:

{x2+2xy+y2=0}={(x+y)2=0}={x+y=0}{x+y=0}={x+y=0}.

δ=det([A1B1B1A2]) يدعى مميز القطع المخروطي. إذا كان δ == 0 فالقطع المخروطي مكافئ، إذا كان δ<0 فهو زائد، واذا كان δ>0 فهو ناقص. إذا كان δ>0 و A1 = A2 فهي دائرة، أما إذا كان δ<0 و A1 == -A2 فهو قطع زائد قائم. يمكن اثبات أنه في مستوى الإسقاط المركب CP2 قطعين مخروطيين بينهما 4 نقاط مشتركة (إذا أخذنا في الاعتبار التعددية Multiplicity) أي لا يوجد أكثر من 4 نقاط تقاطع وتوجد دائمًا نقطة تقاطع واحدة (الاحتمالات: 4 نقاط تقاطع مختلفة، أو نقطتي تقاطع فرديتين ونقطة تقاطع مزدوج، أو نقطتي تقاطع مزدوج، أو نقطة تقاطع فردي ونقطة تقاطع بتعددية 3، أو نقطة تقاطع واحدة بتعددية 4). إذا وجدت نقطة تقاطع واحدة على الأقل ذات تعددية > 1 يقال أن القطعين المخروطيين متماسين. أما إذا كان هناك نقطة تقاطع واحدة ذات تعددية 4 يقال أن القطعين متلامسين osculating.

إضافة لما سبق فإن كل خط مستقيم يقاطع كل من القطعين المخروطيين مرتين. إذا كانت نقطة التقاطع مزدوجة عُدَّ الخط مماسًا ويسمى المماس. لأن كل مستقيم يقاطع القطع مرتين فإن كلا القطعين المخروطيين له نقطتين في مالانهاية (تقاطع النقاط مع خط المالانهاية) فإذا كانت النقطتان حقيقيتان فلابد أن يكون القطع زائدًا، وإذا كانتا تخيليتين فلابد أن يكون القطع ناقصًا، أما إذا كان للقطع نقطة واحدة مزدوجة في مالانهاية فهو مكافئ.

تطبيقات

انظر إلى تطبيقات الدائرة والقطع الناقص والقطع المكافئ والقطع الزائد.

التاريخ

مينايخموس والأعمال القديمة

يعتقد أن التعريف الأول لقطع مخروطي قدمه مينايخموس (توفي عام 320 قبل الميلاد) وكان جزءًا من حله لمسألة ديلية (مضاعفة المكعب).[٢][٣] لم ينجُ عمله، ولا حتى الأسماء التي استخدمها لهذه المنحنيات، وهو معروف فقط من خلال الحسابات الثانوية.[٤] يختلف التعريف المستخدم في ذلك الوقت عن التعريف المستخدم اليوم. أنشئت المخاريط من خلال تدوير مثلث قائم حول أحد ساقيه، لذا فإن الوتر يولد سطح المخروط (يسمى هذا الخط مولد السطح). حُدِّدت ثلاثة أنواع من المخاريط من خلال زوايا قمة الرأس (تقاس ضعف الزاوية التي شكلها وتر المثلث والساق التي تدور حولها في المثلث القائم). ثم حُدِّد القطع المخروطي عن طريق تقاطع أحد هذه المخاريط مع مستوي مرسوم عموديًا على المولد. يتم تحديد نوع القطع من خلال نوع المخروط، أي من خلال الزاوية المتشكلة في قمة المخروط: إذا كانت الزاوية حادة، فإن القطع الناتج هو قطع ناقص؛ إذا كانت الزاوية قائمة، فإن القطع الناتج هو قطع مكافئ؛ وإذا كانت الزاوية منفرجة، فإن القطع الناتج هو قطع زائد (ولكن فقط فرع واحد من المنحنى).[٥]

يقال أن إقليدس (نحو 300 قبل الميلاد) كتب أربعة كتب عن القطوع المخروطية ولكن فقدت أيضًا.[٦] ومن المعروف أن أرخميدس (توفي عام 212 ق.م) درس القطوع المخروطية، بعد أن حدد المساحة التي يحدها القطع المكافئ والوتر في كتابه «تربيع القطع المكافئ». كان اهتمامه الرئيس في قياس مساحات وأحجام الأشكال المتعلقة بالقطوع، وقد بقي جزء من هذا العمل في كتابه عن المجسمات الدورانية للقطوع «عَنِ الْمَخروطانِيّات والْكُرَوانِيّات».[٧]

أبلونيوس البرغاوي

مخطوطةٌ لترجمةٍ عربيةٍ من «كتاب أبلونيوس في المخروطات».

يرجع أعظم تقدم في دراسة المخروطات من قبل الإغريق إلى أبلونيوس البرغاوي (توفي عام 190 ق.م)، الذي تلخص كتابه «كتاب أبلونيوس في المخروطات» المكونة من ثمانية مجلدات وتوسِّع المعرفة الموجودة إلى حد كبير.[٨] جعلت دراسة أبلونيوس لخصائص هذه المنحنيات من الممكن إظهار أن أي مستوي يقطع مخروطًا مزدوجًا ثابتًا، بغض النظر عن الزاوية، ستنتج قطعًا مخروطيًا وفقًا للتعريف القديم، مما يؤدي إلى التعريف المستخدم بشكل شائع اليوم. كما يمكن الحصول على الدوائر غير القابلة للإنشاء بالطريقة القديمة بهذه الطريقة. قد يكون هذا سبب لماذا اعتبر أبلونيوس الدوائر نوعًا رابعًا من القطع المخروطي، وهو تمييز لم يعد يتم إجراؤه. استخدم أبلونيوس الأسماء التالية لهذه المنحنيات: ellipse ، و parabola و hyperbola ، واستعار المصطلحات من أعمال فيثاغورس السابقة حول المساحات.[٩]

يعود الفضل إلى ببس الرومي (توفي عام 350 م) في شرح أهمية مفهوم بؤرة القطع، وتفصيل مفهوم ذي الصلة بالدليل (Directrix)، بما في ذلك حالة القطع المكافئ (الذي يفتقر إليه أعمال أبلونيوس المعروفة).[١٠]

القوهي

تم وصف أداة لرسم القطوع المخروطية لأول مرة عام 1000 م من قبل عالم الرياضيات المسلم أبو سهل القوهي.[١١][١٢]

عمر الخيام

تُرجِمت أعمال أبلونيوس إلى اللغة العربية، ولم يبق الكثير من أعماله إلا النسخة العربية. وجد العلماء المسلمين تطبيقات النظرية، أبرزها عالم الرياضيات والشاعر المسلم عمر الخيام، الذي استخدم قطوعًا مخروطية لحل المعادلات الجبرية التي لا تزيد عن ثلاث درجات.[١٣][١٤]

أوروبا

مدّد يوهانس كبلر نظرية القطوع المخروطية من خلال «مبدأ الاستمرارية»، مقدمة لمفهوم النهايات. استخدم كيبلر مصطلح foci «البؤر» لأول مرة عام 1604.

طور جيرار ديزارغ وبليز باسكال نظرية القطوع المخروطية باستخدام شكل قديم للهندسة الإسقاطية، مما ساعد على توفير الدفع لدراسة هذا المجال الجديد. على وجه الخصوص، اكتشف باسكال مبرهنة تُعرف باسم «النجمة السداسية المُلْغَزَة» (hexagrammum mysticum) والتي يمكن من خلالها استنتاج العديد من الخصائص الأخرى للقطوع المخروطية.[١٥]

قام كل من رينيه ديكارت وبيير فيرمات بتطبيق الهندسة التحليلية المكتشفة حديثًا على دراسة القطوع المخروطية. كان لهذا تأثير الحد من المشاكل الهندسية للقطوع المخروطية إلى مشاكل في الجبر. ومع ذلك، كان جون واليس في كتابه 1655 أطروحة Tractatus de sectionibus conicis هو الذي عرّف أولاً القطوع المخروطية على أنها نماذج لمعادلات من الدرجة الثانية.[١٦] كُتِب في وقت سابق، ولكن تم نشره لاحقًا، يبدأ الكتاب Elementa Curvarum Linearum ليوهان دي فيت بإنشاء كيبلر الكينيماتيكي للقطوع ثم تطوير المعادلات الجبرية. وُصِف هذا العمل، الذي يستخدم منهجية فيرما وتدوين ديكارت بأنه أول كتاب حول هذا الموضوع.[١٧] صاغ دي فيت مصطلح Directrix.[١٧]

معرض

انظر أيضًا

مراجع

قالب:مراجع

مصادر

قالب:مراجع

  • معجم الرياضيات - تأليف لجنة من الخبراء من وزارة التربية والتعليم - عمان - طبعة مكتبة لبنان - ساحة رياض الصلح/ بيروت - 1980م.

روابط خارجية

قالب:شريط بوابات قالب:روابط شقيقة قالب:ضبط استنادي

  1. قالب:استشهاد بهارفارد دون أقواس
  2. According to فلوطرخس this solution was rejected by Plato on the grounds that it could not be achieved using only straightedge and compass, however this interpretation of Plutarch's statement has come under criticism.قالب:استشهاد بهارفارد دون أقواس
  3. قالب:استشهاد بهارفارد دون أقواس
  4. قالب:استشهاد بهارفارد دون أقواس
  5. قالب:استشهاد بهارفارد دون أقواس
  6. Heath, T.L., The Thirteen Books of Euclid's Elements, Vol. I, Dover, 1956, pg.16
  7. قالب:استشهاد بهارفارد دون أقواس
  8. Apollonius of Perga, Treatise on Conic Sections, edited by توماس ليتل هيث (Cambridge: Cambridge University Press, 2013). قالب:Webarchive
  9. قالب:استشهاد بهارفارد دون أقواس
  10. قالب:استشهاد بهارفارد دون أقواس
  11. قالب:استشهاد بكتاب
  12. قالب:استشهاد ويب
  13. Boyer, C. B., & قالب:Ill-WD2, A History of Mathematics (Hoboken: John Wiley & Sons, Inc., 1968), p. 219. قالب:Webarchive
  14. قالب:Ill-WD2, Geometry and Algebra in Ancient Civilizations (برلين/هايدلبرغ: Springer Verlag, 1983), p. 73. قالب:Webarchive
  15. قالب:استشهاد بهارفارد دون أقواس
  16. قالب:استشهاد بهارفارد دون أقواس
  17. ١٧٫٠ ١٧٫١ قالب:استشهاد بهارفارد دون أقواس
  18. د. حسن العيسوي. نمذجة وصفية قالب:Webarchive