درس Barycentre dans le plan — الأولى باك علوم تجريبية

درس «Barycentre dans le plan» لتلاميذ الأولى باك علوم تجريبية بالفرنسية والعربية: Barycentre de deux points - Propriété caractéristique - Coordonnées - Barycentre de trois et quatre points - Associativité - Applications. Cours Barycentre dans le plan — 1ère année Bac sciences expérimentales.

📖 حل فـ MathsClick (الورقة بخط اليد، بالعربية والفرنسية)

Barycentre de deux points pondérés

Point pondéré et définition

Définition Point pondéré

Un point pondéré est un couple $(A;\alpha)$ où $A$ est un point du plan et $\alpha$ un nombre réel, appelé coefficient (ou poids) de $A$.

Théorème Existence et unicité

Soient $(A;\alpha)$ et $(B;\beta)$ deux points pondérés tels que $\alpha+\beta\neq0$.

Il existe un unique point $G$ tel que :

$\alpha\overrightarrow{GA}+\beta\overrightarrow{GB}=\vec{0}$

$G$ s’appelle le barycentre du système pondéré $\{(A;\alpha),(B;\beta)\}$ ; on écrit : $G$ = Bar$\{(A;\alpha),(B;\beta)\}$.

Réponse Pourquoi la condition $\alpha+\beta\neq0$ ?

>> On transforme la relation avec la relation de Chasles $\overrightarrow{GB}=\overrightarrow{GA}+\overrightarrow{AB}$.

$\alpha\overrightarrow{GA}+\beta\overrightarrow{GB}=\vec{0}$

$\iff\alpha\overrightarrow{GA}+\beta\overrightarrow{GA}+\beta\overrightarrow{AB}=\vec{0}$

$\iff(\alpha+\beta)\overrightarrow{AG}=\beta\overrightarrow{AB}$

  • Si $\alpha+\beta\neq0$ : $\overrightarrow{AG}=\dfrac{\beta}{\alpha+\beta}\overrightarrow{AB}$ ⇒ un seul point $G$ ✔.
  • Si $\alpha+\beta=0$ (avec $\alpha\neq0$ et $A\neq B$) : la relation devient $\vec{0}=\beta\overrightarrow{AB}$, impossible ✘ : pas de barycentre.

Construction du barycentre

Méthode Construire $G$

1. On vérifie que $\alpha+\beta\neq0$.

2. On calcule le coefficient $\dfrac{\beta}{\alpha+\beta}$ (le coefficient de $B$ au numérateur).

3. On place $G$ grâce à : $\overrightarrow{AG}=\dfrac{\beta}{\alpha+\beta}\overrightarrow{AB}$.

Exemple $G$ = Bar$\{(A;2),(B;1)\}$

$2+1=3\neq0$ ✔, donc $G$ existe.

$\overrightarrow{AG}=\dfrac{1}{2+1}\overrightarrow{AB}$

$=\dfrac{1}{3}\overrightarrow{AB}$

$G$ est sur $[AB]$, au tiers de $[AB]$ en partant de $A$ (plus près de $A$, qui a le plus grand coefficient)

Exemple $G$ = Bar$\{(A;3),(B;-1)\}$

$3+(-1)=2\neq0$ ✔, donc $G$ existe.

$\overrightarrow{AG}=\dfrac{-1}{3+(-1)}\overrightarrow{AB}$

$=-\dfrac{1}{2}\overrightarrow{AB}$

$G$ est sur la droite $(AB)$, en dehors de $[AB]$, du côté de $A$

Erreur fréquente

  • Écrire $\overrightarrow{AG}=\dfrac{\alpha}{\alpha+\beta}\overrightarrow{AB}$ : faux ! Au numérateur, c’est le coefficient de l’autre point $B$.
  • Oublier de vérifier $\alpha+\beta\neq0$ avant de parler du barycentre.

Propriétés

Propriété Homogénéité

Pour tout réel $k\neq0$ : Bar$\{(A;\alpha),(B;\beta)\}$ = Bar$\{(A;k\alpha),(B;k\beta)\}$.

>> On peut donc multiplier ou diviser tous les coefficients par un même réel non nul pour les simplifier.

Propriété Isobarycentre — Position de $G$

  • Si $\alpha=\beta\neq0$, $G$ est le milieu $I$ de $[AB]$ : on l’appelle l’isobarycentre de $A$ et $B$.
  • Le barycentre de $A$ et $B$ appartient toujours à la droite $(AB)$.
  • Si $\alpha$ et $\beta$ ont le même signe, $G$ appartient au segment $[AB]$.
  • Si $\alpha$ et $\beta$ sont de signes contraires, $G$ est hors de $[AB]$, du côté du point de plus grand coefficient en valeur absolue.

Exemple Simplifier les coefficients

Bar$\{(A;4),(B;-6)\}$ : on divise par $2$.

Bar$\{(A;4),(B;-6)\}$ = Bar$\{(A;2),(B;-3)\}$

Propriété caractéristique

Théorème

Soit $G$ = Bar$\{(A;\alpha),(B;\beta)\}$ avec $\alpha+\beta\neq0$. Pour tout point $M$ du plan :

$\alpha\overrightarrow{MA}+\beta\overrightarrow{MB}=(\alpha+\beta)\overrightarrow{MG}$

Réponse Démonstration

>> On introduit $G$ dans chaque vecteur (relation de Chasles).

$\alpha\overrightarrow{MA}+\beta\overrightarrow{MB}=\alpha(\overrightarrow{MG}+\overrightarrow{GA})+\beta(\overrightarrow{MG}+\overrightarrow{GB})$

$=(\alpha+\beta)\overrightarrow{MG}+\alpha\overrightarrow{GA}+\beta\overrightarrow{GB}$

$=(\alpha+\beta)\overrightarrow{MG}+\vec{0}$

car $\alpha\overrightarrow{GA}+\beta\overrightarrow{GB}=\vec{0}$ (définition de $G$).

Remarque Utilité

  • Elle réduit une somme de deux vecteurs en un seul vecteur : $\alpha\overrightarrow{MA}+\beta\overrightarrow{MB}$ devient $(\alpha+\beta)\overrightarrow{MG}$.
  • Avec $M=A$, on retrouve $\overrightarrow{AG}=\dfrac{\beta}{\alpha+\beta}\overrightarrow{AB}$.

Exemple

Réduire $\vec{u}=2\overrightarrow{MA}+3\overrightarrow{MB}$, où $M$ est un point quelconque.

$2+3=5\neq0$ : soit $G$ = Bar$\{(A;2),(B;3)\}$.

$\vec{u}=5\overrightarrow{MG}$

Coordonnées du barycentre

Propriété

Dans un repère $(O;\vec{i},\vec{j})$, si $G$ = Bar$\{(A;\alpha),(B;\beta)\}$ alors :

$x_G=\dfrac{\alpha x_A+\beta x_B}{\alpha+\beta}$ et $y_G=\dfrac{\alpha y_A+\beta y_B}{\alpha+\beta}$

>> C’est la propriété caractéristique avec $M=O$ : $\overrightarrow{OG}=\dfrac{\alpha\overrightarrow{OA}+\beta\overrightarrow{OB}}{\alpha+\beta}$.

Exemple

$A(1;2)$, $B(4;-1)$ et $G$ = Bar$\{(A;2),(B;1)\}$.

$x_G=\dfrac{2\times1+1\times4}{2+1}$

$=\dfrac{6}{3}=2$

$y_G=\dfrac{2\times2+1\times(-1)}{2+1}$

$=\dfrac{3}{3}=1$

$G(2;1)$

Vérification : $\overrightarrow{AB}(3;-3)$ et $\overrightarrow{AG}(1;-1)$, donc $\overrightarrow{AG}=\dfrac{1}{3}\overrightarrow{AB}$ ✔.

Application

Soient $A$ et $B$ deux points distincts et $C$ le point tel que $\overrightarrow{AC}=\dfrac{3}{4}\overrightarrow{AB}$. Écrire $C$ comme barycentre de $A$ et $B$.

Réponse

>> On fait apparaître $\overrightarrow{CA}$ et $\overrightarrow{CB}$ avec la relation de Chasles.

$4\overrightarrow{AC}=3\overrightarrow{AB}$

$\iff4\overrightarrow{AC}=3(\overrightarrow{AC}+\overrightarrow{CB})$

$\iff\overrightarrow{AC}-3\overrightarrow{CB}=\vec{0}$

$\iff\overrightarrow{CA}+3\overrightarrow{CB}=\vec{0}$

$C$ = Bar$\{(A;1),(B;3)\}$

Barycentre de trois points pondérés

Définition et propriété caractéristique

Définition

Soient $(A;\alpha)$, $(B;\beta)$ et $(C;\gamma)$ trois points pondérés tels que $\alpha+\beta+\gamma\neq0$.

Le barycentre du système est l’unique point $G$ tel que :

$\alpha\overrightarrow{GA}+\beta\overrightarrow{GB}+\gamma\overrightarrow{GC}=\vec{0}$

Propriété

  • Propriété caractéristique : pour tout point $M$, $\alpha\overrightarrow{MA}+\beta\overrightarrow{MB}+\gamma\overrightarrow{MC}=(\alpha+\beta+\gamma)\overrightarrow{MG}$.
  • Coordonnées : $x_G=\dfrac{\alpha x_A+\beta x_B+\gamma x_C}{\alpha+\beta+\gamma}$ et $y_G=\dfrac{\alpha y_A+\beta y_B+\gamma y_C}{\alpha+\beta+\gamma}$.
  • Homogénéité : on peut multiplier les trois coefficients par un même réel $k\neq0$.

Exemple

$A(0;0)$, $B(6;0)$, $C(0;3)$ et $G$ = Bar$\{(A;1),(B;1),(C;1)\}$.

$x_G=\dfrac{0+6+0}{3}=2$

$y_G=\dfrac{0+0+3}{3}=1$

$G(2;1)$

Associativité (barycentre partiel)

Théorème

Soit $G$ = Bar$\{(A;\alpha),(B;\beta),(C;\gamma)\}$. Si $\alpha+\beta\neq0$ et $H$ = Bar$\{(A;\alpha),(B;\beta)\}$, alors :

$G$ = Bar$\{(H;\alpha+\beta),(C;\gamma)\}$

>> On remplace deux points par leur barycentre affecté de la somme de leurs coefficients.

Méthode Construire le barycentre de trois points

1. On choisit deux points dont la somme des coefficients est non nulle et on construit leur barycentre partiel $H$.

2. On construit $G$ = Bar$\{(H;\alpha+\beta),(C;\gamma)\}$ comme barycentre de deux points.

Exemple $G$ = Bar$\{(A;1),(B;1),(C;2)\}$

$1+1+2=4\neq0$ ✔. Soit $H$ = Bar$\{(A;1),(B;1)\}$ : c’est le milieu de $[AB]$.

Par associativité : $G$ = Bar$\{(H;2),(C;2)\}$.

Les coefficients sont égaux : $G$ est le milieu de $[HC]$

Centre de gravité d’un triangle

Propriété

Le centre de gravité $G$ du triangle $ABC$ est l’isobarycentre de $A$, $B$ et $C$ : $G$ = Bar$\{(A;1),(B;1),(C;1)\}$.

Si $I$ est le milieu de $[BC]$, par associativité $G$ = Bar$\{(A;1),(I;2)\}$, donc :

$\overrightarrow{AG}=\dfrac{2}{3}\overrightarrow{AI}$

>> On retrouve que les trois médianes se coupent en $G$, aux deux tiers de chaque médiane à partir du sommet.

Barycentre de quatre points

Définition

Si $\alpha+\beta+\gamma+\delta\neq0$, le barycentre $G$ de $\{(A;\alpha),(B;\beta),(C;\gamma),(D;\delta)\}$ est l’unique point tel que :

$\alpha\overrightarrow{GA}+\beta\overrightarrow{GB}+\gamma\overrightarrow{GC}+\delta\overrightarrow{GD}=\vec{0}$

Les propriétés (caractéristique, coordonnées, homogénéité, associativité) restent vraies ; on regroupe les points par deux ou par trois.

Exemple Parallélogramme

$ABCD$ est un parallélogramme de centre $O$ et $G$ = Bar$\{(A;1),(B;1),(C;1),(D;1)\}$.

$O$ est le milieu de $[AC]$ : $O$ = Bar$\{(A;1),(C;1)\}$ ; et le milieu de $[BD]$ : $O$ = Bar$\{(B;1),(D;1)\}$.

Par associativité : $G$ = Bar$\{(O;2),(O;2)\}$.

$G=O$

Applications

Alignement de points

Méthode

Pour montrer que trois points $E$, $F$ et $K$ sont alignés, il suffit de montrer que l’un d’eux est barycentre des deux autres.

Exemple

$ABC$ est un triangle, $I$ = Bar$\{(A;1),(B;2)\}$, $J$ = Bar$\{(B;2),(C;3)\}$ et $G$ = Bar$\{(A;1),(B;2),(C;3)\}$. Montrer que $C$, $I$ et $G$ sont alignés.

$1+2=3\neq0$ ✔ : par associativité, $G$ = Bar$\{(I;3),(C;3)\}$.

$G$ est le milieu de $[IC]$ : $C$, $I$ et $G$ sont alignés

De même $G$ = Bar$\{(A;1),(J;5)\}$ : $A$, $J$ et $G$ sont alignés, donc les droites $(CI)$ et $(AJ)$ se coupent en $G$.

Ensembles de points

Méthode Déterminer l’ensemble des points $M$

1. On réduit chaque somme vectorielle avec la propriété caractéristique (on introduit le barycentre).

2. On obtient une relation simple entre distances, puis on reconnaît l’ensemble :

  • $MG=r$ avec $r>0$ : le cercle de centre $G$ et de rayon $r$ ;
  • $MG=0$ : le point $G$ ;
  • $MG=MG'$ : la médiatrice du segment $[GG']$.

Exemple

$A$ et $B$ sont deux points avec $AB=4$. Déterminer l’ensemble $(\Gamma)$ des points $M$ tels que $\|\overrightarrow{MA}+\overrightarrow{MB}\|=4$.

Soit $I$ le milieu de $[AB]$ : $I$ = Bar$\{(A;1),(B;1)\}$, donc $\overrightarrow{MA}+\overrightarrow{MB}=2\overrightarrow{MI}$.

$\|\overrightarrow{MA}+\overrightarrow{MB}\|=4\iff2MI=4$

$\iff MI=2$

$(\Gamma)$ est le cercle de centre $I$ et de rayon $2$

Exemple Somme de coefficients nulle

Déterminer l’ensemble des points $M$ tels que $\|\overrightarrow{MA}+\overrightarrow{MB}\|=\|\overrightarrow{MA}-\overrightarrow{MB}\|$.

  • $1+1\neq0$ : $\overrightarrow{MA}+\overrightarrow{MB}=2\overrightarrow{MI}$ ($I$ milieu de $[AB]$).
  • $1+(-1)=0$ : pas de barycentre, mais $\overrightarrow{MA}-\overrightarrow{MB}=\overrightarrow{BA}$ est un vecteur constant.

$2MI=AB\iff MI=\dfrac{AB}{2}$

L’ensemble est le cercle de diamètre $[AB]$

Erreur fréquente

  • Quand $\alpha+\beta=0$, il n’y a pas de barycentre : $\alpha\overrightarrow{MA}+\beta\overrightarrow{MB}=\alpha\overrightarrow{BA}$ ne dépend pas de $M$.
  • $\|k\overrightarrow{MG}\|=|k|\,MG$ : ne pas oublier la valeur absolue.

À retenir

  • $G$ = Bar$\{(A;\alpha),(B;\beta)\}$ existe $\iff\alpha+\beta\neq0$, et $\overrightarrow{AG}=\dfrac{\beta}{\alpha+\beta}\overrightarrow{AB}$.
  • Propriété caractéristique : $\alpha\overrightarrow{MA}+\beta\overrightarrow{MB}=(\alpha+\beta)\overrightarrow{MG}$ (pour réduire).
  • Associativité : on remplace deux points par leur barycentre affecté de la somme des coefficients.
  • Alignement : un point est barycentre des deux autres.

النسخة العربية

مرجح نقطتين متزنتين

النقطة المتزنة والتعريف

تعريف النقطة المتزنة

النقطة المتزنة زوج $(A;\alpha)$ حيث $A$ نقطة من المستوى و $\alpha$ عدد حقيقي يسمى معامل النقطة $A$.

مبرهنة الوجود والوحدانية

لتكن $(A;\alpha)$ و $(B;\beta)$ نقطتين متزنتين بحيث $\alpha+\beta\neq0$.

توجد نقطة وحيدة $G$ بحيث :

$\alpha\overrightarrow{GA}+\beta\overrightarrow{GB}=\vec{0}$

تسمى $G$ مرجح النظمة المتزنة $\{(A;\alpha),(B;\beta)\}$ ؛ ونكتب : ⁦$G$ = Bar$\{(A;\alpha),(B;\beta)\}$⁩.

جواب لماذا الشرط $\alpha+\beta\neq0$ ؟

>> نحوّل العلاقة بـ علاقة شال $\overrightarrow{GB}=\overrightarrow{GA}+\overrightarrow{AB}$.

$\alpha\overrightarrow{GA}+\beta\overrightarrow{GB}=\vec{0}$

$\iff\alpha\overrightarrow{GA}+\beta\overrightarrow{GA}+\beta\overrightarrow{AB}=\vec{0}$

$\iff(\alpha+\beta)\overrightarrow{AG}=\beta\overrightarrow{AB}$

  • إذا كان $\alpha+\beta\neq0$ : $\overrightarrow{AG}=\dfrac{\beta}{\alpha+\beta}\overrightarrow{AB}$ ⇐ نقطة وحيدة $G$ ✔.
  • إذا كان $\alpha+\beta=0$ (مع $\alpha\neq0$ و $A\neq B$) : تصبح العلاقة $\vec{0}=\beta\overrightarrow{AB}$، وهذا مستحيل ✘ : لا يوجد مرجح.

إنشاء المرجح

طريقة إنشاء $G$

1. نتحقق أن $\alpha+\beta\neq0$.

2. نحسب المعامل $\dfrac{\beta}{\alpha+\beta}$ (معامل $B$ في البسط).

3. ننشئ $G$ بواسطة : $\overrightarrow{AG}=\dfrac{\beta}{\alpha+\beta}\overrightarrow{AB}$.

مثال ⁦$G$ = Bar$\{(A;2),(B;1)\}$⁩

$2+1=3\neq0$ ✔، إذن $G$ موجودة.

$\overrightarrow{AG}=\dfrac{1}{2+1}\overrightarrow{AB}$

$=\dfrac{1}{3}\overrightarrow{AB}$

$G$ على $[AB]$، في ثلث $[AB]$ انطلاقاً من $A$ (أقرب إلى $A$ صاحبة المعامل الأكبر)

مثال ⁦$G$ = Bar$\{(A;3),(B;-1)\}$⁩

$3+(-1)=2\neq0$ ✔، إذن $G$ موجودة.

$\overrightarrow{AG}=\dfrac{-1}{3+(-1)}\overrightarrow{AB}$

$=-\dfrac{1}{2}\overrightarrow{AB}$

$G$ على المستقيم $(AB)$، خارج $[AB]$، من جهة $A$

خطأ شائع

  • كتابة $\overrightarrow{AG}=\dfrac{\alpha}{\alpha+\beta}\overrightarrow{AB}$ : خطأ ! في البسط نضع معامل النقطة الأخرى $B$.
  • نسيان التحقق من $\alpha+\beta\neq0$ قبل الحديث عن المرجح.

خاصيات

خاصية التجانس

لكل عدد حقيقي $k\neq0$ : ⁦Bar$\{(A;\alpha),(B;\beta)\}$ = Bar$\{(A;k\alpha),(B;k\beta)\}$⁩.

>> إذن يمكن ضرب أو قسمة كل المعاملات على نفس العدد غير المنعدم لتبسيطها.

خاصية المرجح المتساوي المعاملات — موضع $G$

  • إذا كان $\alpha=\beta\neq0$، فإن $G$ هي منتصف $I$ للقطعة $[AB]$ : نسميها المرجح المتساوي المعاملات للنقطتين $A$ و $B$.
  • مرجح $A$ و $B$ ينتمي دائماً إلى المستقيم $(AB)$.
  • إذا كان $\alpha$ و $\beta$ لهما نفس الإشارة، فإن $G$ تنتمي إلى القطعة $[AB]$.
  • إذا كانا مختلفي الإشارة، فإن $G$ خارج $[AB]$، من جهة النقطة ذات المعامل الأكبر بالقيمة المطلقة.

مثال تبسيط المعاملات

⁦Bar$\{(A;4),(B;-6)\}$⁩ : نقسم على $2$.

⁦Bar$\{(A;4),(B;-6)\}$ = Bar$\{(A;2),(B;-3)\}$⁩

الخاصية المميزة

مبرهنة

لتكن ⁦$G$ = Bar$\{(A;\alpha),(B;\beta)\}$⁩ مع $\alpha+\beta\neq0$. لكل نقطة $M$ من المستوى :

$\alpha\overrightarrow{MA}+\beta\overrightarrow{MB}=(\alpha+\beta)\overrightarrow{MG}$

جواب البرهان

>> ندخل $G$ في كل متجهة (علاقة شال).

$\alpha\overrightarrow{MA}+\beta\overrightarrow{MB}=\alpha(\overrightarrow{MG}+\overrightarrow{GA})+\beta(\overrightarrow{MG}+\overrightarrow{GB})$

$=(\alpha+\beta)\overrightarrow{MG}+\alpha\overrightarrow{GA}+\beta\overrightarrow{GB}$

$=(\alpha+\beta)\overrightarrow{MG}+\vec{0}$

لأن $\alpha\overrightarrow{GA}+\beta\overrightarrow{GB}=\vec{0}$ (تعريف $G$).

ملاحظة الفائدة

  • تسمح باختزال مجموع متجهتين في متجهة واحدة : $\alpha\overrightarrow{MA}+\beta\overrightarrow{MB}$ تصبح $(\alpha+\beta)\overrightarrow{MG}$.
  • بأخذ $M=A$ نجد من جديد $\overrightarrow{AG}=\dfrac{\beta}{\alpha+\beta}\overrightarrow{AB}$.

مثال

اختزل $\vec{u}=2\overrightarrow{MA}+3\overrightarrow{MB}$ حيث $M$ نقطة ما.

$2+3=5\neq0$ : لتكن ⁦$G$ = Bar$\{(A;2),(B;3)\}$⁩.

$\vec{u}=5\overrightarrow{MG}$

إحداثيتا المرجح

خاصية

في معلم $(O;\vec{i},\vec{j})$، إذا كانت ⁦$G$ = Bar$\{(A;\alpha),(B;\beta)\}$⁩ فإن :

$x_G=\dfrac{\alpha x_A+\beta x_B}{\alpha+\beta}$ و $y_G=\dfrac{\alpha y_A+\beta y_B}{\alpha+\beta}$

>> إنها الخاصية المميزة مع $M=O$ : $\overrightarrow{OG}=\dfrac{\alpha\overrightarrow{OA}+\beta\overrightarrow{OB}}{\alpha+\beta}$.

مثال

$A(1;2)$ و $B(4;-1)$ و ⁦$G$ = Bar$\{(A;2),(B;1)\}$⁩.

$x_G=\dfrac{2\times1+1\times4}{2+1}$

$=\dfrac{6}{3}=2$

$y_G=\dfrac{2\times2+1\times(-1)}{2+1}$

$=\dfrac{3}{3}=1$

$G(2;1)$

تحقق : $\overrightarrow{AB}(3;-3)$ و $\overrightarrow{AG}(1;-1)$، إذن $\overrightarrow{AG}=\dfrac{1}{3}\overrightarrow{AB}$ ✔.

تطبيق

لتكن $A$ و $B$ نقطتين مختلفتين و $C$ النقطة بحيث $\overrightarrow{AC}=\dfrac{3}{4}\overrightarrow{AB}$. اكتب $C$ مرجحاً للنقطتين $A$ و $B$.

جواب

>> نُظهر $\overrightarrow{CA}$ و $\overrightarrow{CB}$ بعلاقة شال.

$4\overrightarrow{AC}=3\overrightarrow{AB}$

$\iff4\overrightarrow{AC}=3(\overrightarrow{AC}+\overrightarrow{CB})$

$\iff\overrightarrow{AC}-3\overrightarrow{CB}=\vec{0}$

$\iff\overrightarrow{CA}+3\overrightarrow{CB}=\vec{0}$

⁦$C$ = Bar$\{(A;1),(B;3)\}$⁩

مرجح ثلاث نقط متزنة

التعريف والخاصية المميزة

تعريف

لتكن $(A;\alpha)$ و $(B;\beta)$ و $(C;\gamma)$ ثلاث نقط متزنة بحيث $\alpha+\beta+\gamma\neq0$.

مرجح النظمة هو النقطة الوحيدة $G$ بحيث :

$\alpha\overrightarrow{GA}+\beta\overrightarrow{GB}+\gamma\overrightarrow{GC}=\vec{0}$

خاصية

  • الخاصية المميزة : لكل نقطة $M$، $\alpha\overrightarrow{MA}+\beta\overrightarrow{MB}+\gamma\overrightarrow{MC}=(\alpha+\beta+\gamma)\overrightarrow{MG}$.
  • الإحداثيتان : $x_G=\dfrac{\alpha x_A+\beta x_B+\gamma x_C}{\alpha+\beta+\gamma}$ و $y_G=\dfrac{\alpha y_A+\beta y_B+\gamma y_C}{\alpha+\beta+\gamma}$.
  • التجانس : يمكن ضرب المعاملات الثلاثة في نفس العدد $k\neq0$.

مثال

$A(0;0)$ و $B(6;0)$ و $C(0;3)$ و ⁦$G$ = Bar$\{(A;1),(B;1),(C;1)\}$⁩.

$x_G=\dfrac{0+6+0}{3}=2$

$y_G=\dfrac{0+0+3}{3}=1$

$G(2;1)$

الخاصية التجميعية (المرجح الجزئي)

مبرهنة

لتكن ⁦$G$ = Bar$\{(A;\alpha),(B;\beta),(C;\gamma)\}$⁩. إذا كان $\alpha+\beta\neq0$ و ⁦$H$ = Bar$\{(A;\alpha),(B;\beta)\}$⁩ فإن :

⁦$G$ = Bar$\{(H;\alpha+\beta),(C;\gamma)\}$⁩

>> نعوّض نقطتين بمرجحهما مرفقاً بمجموع معاملَيهما.

طريقة إنشاء مرجح ثلاث نقط

1. نختار نقطتين مجموع معاملَيهما غير منعدم وننشئ مرجحهما الجزئي $H$.

2. ننشئ ⁦$G$ = Bar$\{(H;\alpha+\beta),(C;\gamma)\}$⁩ كمرجح لنقطتين.

مثال ⁦$G$ = Bar$\{(A;1),(B;1),(C;2)\}$⁩

$1+1+2=4\neq0$ ✔. لتكن ⁦$H$ = Bar$\{(A;1),(B;1)\}$⁩ : إنها منتصف $[AB]$.

حسب الخاصية التجميعية : ⁦$G$ = Bar$\{(H;2),(C;2)\}$⁩.

المعاملان متساويان : $G$ منتصف $[HC]$

مركز ثقل مثلث

خاصية

مركز ثقل المثلث $ABC$ هو المرجح المتساوي المعاملات للنقط $A$ و $B$ و $C$ : ⁦$G$ = Bar$\{(A;1),(B;1),(C;1)\}$⁩.

إذا كانت $I$ منتصف $[BC]$، فحسب التجميعية ⁦$G$ = Bar$\{(A;1),(I;2)\}$⁩، إذن :

$\overrightarrow{AG}=\dfrac{2}{3}\overrightarrow{AI}$

>> نجد من جديد أن المتوسطات الثلاثة تتقاطع في $G$، في ثلثَي كل متوسط انطلاقاً من الرأس.

مرجح أربع نقط

تعريف

إذا كان $\alpha+\beta+\gamma+\delta\neq0$، فإن مرجح $\{(A;\alpha),(B;\beta),(C;\gamma),(D;\delta)\}$ هو النقطة الوحيدة $G$ بحيث :

$\alpha\overrightarrow{GA}+\beta\overrightarrow{GB}+\gamma\overrightarrow{GC}+\delta\overrightarrow{GD}=\vec{0}$

تبقى الخاصيات (المميزة، الإحداثيات، التجانس، التجميعية) صحيحة ؛ ونجمّع النقط مثنى مثنى أو ثلاثاً.

مثال متوازي الأضلاع

$ABCD$ متوازي أضلاع مركزه $O$ و ⁦$G$ = Bar$\{(A;1),(B;1),(C;1),(D;1)\}$⁩.

$O$ منتصف $[AC]$ : ⁦$O$ = Bar$\{(A;1),(C;1)\}$⁩ ؛ ومنتصف $[BD]$ : ⁦$O$ = Bar$\{(B;1),(D;1)\}$⁩.

حسب التجميعية : ⁦$G$ = Bar$\{(O;2),(O;2)\}$⁩.

$G=O$

تطبيقات

استقامية النقط

طريقة

لإثبات أن ثلاث نقط $E$ و $F$ و $K$ مستقيمية، يكفي إثبات أن إحداها مرجح للنقطتين الأخريين.

مثال

$ABC$ مثلث، ⁦$I$ = Bar$\{(A;1),(B;2)\}$⁩ و ⁦$J$ = Bar$\{(B;2),(C;3)\}$⁩ و ⁦$G$ = Bar$\{(A;1),(B;2),(C;3)\}$⁩. بيّن أن $C$ و $I$ و $G$ مستقيمية.

$1+2=3\neq0$ ✔ : حسب التجميعية، ⁦$G$ = Bar$\{(I;3),(C;3)\}$⁩.

$G$ منتصف $[IC]$ : $C$ و $I$ و $G$ مستقيمية

وبالمثل ⁦$G$ = Bar$\{(A;1),(J;5)\}$⁩ : $A$ و $J$ و $G$ مستقيمية، إذن المستقيمان $(CI)$ و $(AJ)$ يتقاطعان في $G$.

مجموعات النقط

طريقة تحديد مجموعة النقط $M$

1. نختزل كل مجموع متجهي بالخاصية المميزة (ندخل المرجح).

2. نحصل على علاقة بسيطة بين مسافات، ثم نتعرف على المجموعة :

  • $MG=r$ مع $r>0$ : الدائرة التي مركزها $G$ وشعاعها $r$ ؛
  • $MG=0$ : النقطة $G$ ؛
  • $MG=MG'$ : واسط القطعة $[GG']$.

مثال

$A$ و $B$ نقطتان مع $AB=4$. حدد المجموعة $(\Gamma)$ للنقط $M$ بحيث $\|\overrightarrow{MA}+\overrightarrow{MB}\|=4$.

لتكن $I$ منتصف $[AB]$ : ⁦$I$ = Bar$\{(A;1),(B;1)\}$⁩، إذن $\overrightarrow{MA}+\overrightarrow{MB}=2\overrightarrow{MI}$.

$\|\overrightarrow{MA}+\overrightarrow{MB}\|=4\iff2MI=4$

$\iff MI=2$

$(\Gamma)$ هي الدائرة التي مركزها $I$ وشعاعها $2$

مثال مجموع المعاملات منعدم

حدد مجموعة النقط $M$ بحيث $\|\overrightarrow{MA}+\overrightarrow{MB}\|=\|\overrightarrow{MA}-\overrightarrow{MB}\|$.

  • $1+1\neq0$ : $\overrightarrow{MA}+\overrightarrow{MB}=2\overrightarrow{MI}$ ($I$ منتصف $[AB]$).
  • $1+(-1)=0$ : لا يوجد مرجح، لكن $\overrightarrow{MA}-\overrightarrow{MB}=\overrightarrow{BA}$ متجهة ثابتة.

$2MI=AB\iff MI=\dfrac{AB}{2}$

المجموعة هي الدائرة التي قطرها $[AB]$

خطأ شائع

  • عندما $\alpha+\beta=0$ لا يوجد مرجح : $\alpha\overrightarrow{MA}+\beta\overrightarrow{MB}=\alpha\overrightarrow{BA}$ لا تتعلق بـ $M$.
  • $\|k\overrightarrow{MG}\|=|k|\,MG$ : لا ننسى القيمة المطلقة.

للحفظ

  • ⁦$G$ = Bar$\{(A;\alpha),(B;\beta)\}$⁩ موجودة $\iff\alpha+\beta\neq0$، و $\overrightarrow{AG}=\dfrac{\beta}{\alpha+\beta}\overrightarrow{AB}$.
  • الخاصية المميزة : $\alpha\overrightarrow{MA}+\beta\overrightarrow{MB}=(\alpha+\beta)\overrightarrow{MG}$ (للاختزال).
  • التجميعية : نعوّض نقطتين بمرجحهما مرفقاً بمجموع المعاملين.
  • الاستقامية : إحدى النقط مرجح للنقطتين الأخريين.

فنفس الدرس

← كل الدروس والفروض ديال الأولى باك علوم تجريبية