درس Produit scalaire : étude analytique et applications (le cercle) — الأولى باك علوم تجريبية

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Rappels sur le produit scalaire

Définition

Soient $\vec{u}$ et $\vec{v}$ deux vecteurs du plan.

  • Si $\vec{u}\neq\vec{0}$ et $\vec{v}\neq\vec{0}$ : $\vec{u}\cdot\vec{v}=\|\vec{u}\|\times\|\vec{v}\|\times\cos(\vec{u},\vec{v})$.
  • Si $\vec{u}=\vec{0}$ ou $\vec{v}=\vec{0}$ : $\vec{u}\cdot\vec{v}=0$.

Propriété Projection orthogonale

Si $H$ est le projeté orthogonal de $C$ sur la droite $(AB)$ :

$\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AH}$

  • $\overrightarrow{AB}$ et $\overrightarrow{AH}$ de même sens : $\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=AB\times AH$ ;
  • de sens contraires : $\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=-AB\times AH$.

Propriété Règles de calcul

  • $\vec{u}\cdot\vec{v}=\vec{v}\cdot\vec{u}$ et $\vec{u}\cdot\vec{u}=\|\vec{u}\|^2$ ;
  • $\vec{u}\cdot(\vec{v}+\vec{w})=\vec{u}\cdot\vec{v}+\vec{u}\cdot\vec{w}$ et $(k\vec{u})\cdot\vec{v}=k(\vec{u}\cdot\vec{v})$ ;
  • $\|\vec{u}+\vec{v}\|^2=\|\vec{u}\|^2+2\vec{u}\cdot\vec{v}+\|\vec{v}\|^2$ ;
  • $\vec{u}\perp\vec{v}\iff\vec{u}\cdot\vec{v}=0$.

Expression analytique du produit scalaire

Propriété

Le plan est rapporté à un repère orthonormé $(O;\vec{i},\vec{j})$. Si $\vec{u}(x;y)$ et $\vec{v}(x';y')$ :

$\vec{u}\cdot\vec{v}=xx'+yy'$

  • Norme : $\|\vec{u}\|=\sqrt{x^2+y^2}$.
  • Distance : $AB=\sqrt{(x_B-x_A)^2+(y_B-y_A)^2}$.
  • Orthogonalité : $\vec{u}\perp\vec{v}\iff xx'+yy'=0$.

Remarque

[!] Ces formules ne sont valables que dans un repère orthonormé.

Exemple

$A(1;2)$, $B(3;-2)$ et $C(5;3)$. Calculer $\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}$, puis la nature du triangle $ABC$.

$\overrightarrow{AB}(2;-4)$ et $\overrightarrow{AC}(4;1)$

$\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=2\times4+(-4)\times1$

$=8-4=4$

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

$\overrightarrow{BA}(-2;4)$ et $\overrightarrow{BC}(2;5)$

$\overrightarrow{BA}\cdot\overrightarrow{BC}=-4+20=16\neq0$

$\overrightarrow{CA}(-4;-1)$ et $\overrightarrow{CB}(-2;-5)$

$\overrightarrow{CA}\cdot\overrightarrow{CB}=8+5=13\neq0$

Aucun produit scalaire n’est nul : $ABC$ n’est rectangle en aucun sommet

Application

Soient $A(-1;1)$, $B(2;5)$ et $C(6;2)$. Montrer que $ABC$ est rectangle et isocèle en $B$.

Réponse

$\overrightarrow{BA}(-3;-4)$ et $\overrightarrow{BC}(4;-3)$

$\overrightarrow{BA}\cdot\overrightarrow{BC}=-12+12=0$

donc $(BA)\perp(BC)$ ✔.

$BA=\sqrt{9+16}=5$ et $BC=\sqrt{16+9}=5$

$\overrightarrow{BA}\cdot\overrightarrow{BC}=0$ et $BA=BC$ : $ABC$ est rectangle isocèle en $B$

Cosinus et sinus d’un angle orienté — Déterminant

Définition Déterminant de deux vecteurs

Soient $\vec{u}(x;y)$ et $\vec{v}(x';y')$. Le déterminant de $\vec{u}$ et $\vec{v}$ est le réel :

$\det(\vec{u},\vec{v})=\begin{vmatrix}x&x'\\y&y'\end{vmatrix}=xy'-x'y$

$\vec{u}$ et $\vec{v}$ sont colinéaires $\iff\det(\vec{u},\vec{v})=0$.

Propriété

Dans un repère orthonormé direct, pour $\vec{u}(x;y)$ et $\vec{v}(x';y')$ non nuls :

$\cos(\vec{u},\vec{v})=\dfrac{xx'+yy'}{\|\vec{u}\|\times\|\vec{v}\|}$ et $\sin(\vec{u},\vec{v})=\dfrac{xy'-x'y}{\|\vec{u}\|\times\|\vec{v}\|}$

Aire d’un triangle : $\mathcal{A}_{ABC}=\dfrac{1}{2}|\det(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})|$.

Méthode Déterminer une mesure de l’angle $(\vec{u},\vec{v})$

1. On calcule $\|\vec{u}\|$, $\|\vec{v}\|$, $\vec{u}\cdot\vec{v}$ et $\det(\vec{u},\vec{v})$.

2. On en déduit $\cos(\vec{u},\vec{v})$ et $\sin(\vec{u},\vec{v})$ : il faut les deux pour connaître l’angle orienté.

Exemple

$\vec{u}(1;1)$ et $\vec{v}(0;2)$.

$\|\vec{u}\|=\sqrt{2}$ et $\|\vec{v}\|=2$

$\vec{u}\cdot\vec{v}=0+2=2$ et $\det(\vec{u},\vec{v})=1\times2-0\times1=2$

$\cos(\vec{u},\vec{v})=\dfrac{2}{2\sqrt{2}}=\dfrac{\sqrt{2}}{2}$

$\sin(\vec{u},\vec{v})=\dfrac{2}{2\sqrt{2}}=\dfrac{\sqrt{2}}{2}$

$(\vec{u},\vec{v})\equiv\dfrac{\pi}{4}\ [2\pi]$

Exemple Aire d’un triangle

$A(1;2)$, $B(3;-2)$, $C(5;3)$ : $\overrightarrow{AB}(2;-4)$ et $\overrightarrow{AC}(4;1)$.

$\det(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})=2\times1-4\times(-4)$

$=2+16=18$

$\mathcal{A}_{ABC}=\dfrac{1}{2}\times18=9$

Vecteur normal — Équation cartésienne d’une droite

Définition

Soit $(D)$ une droite de vecteur directeur $\vec{u}$. Un vecteur $\vec{n}\neq\vec{0}$ est normal à $(D)$ s’il est orthogonal à $\vec{u}$.

Propriété

  • La droite passant par $A(x_0;y_0)$ et de vecteur normal $\vec{n}(a;b)$ est l’ensemble des points $M$ tels que $\overrightarrow{AM}\cdot\vec{n}=0$, soit :

$a(x-x_0)+b(y-y_0)=0$

  • Réciproquement, la droite $(D):ax+by+c=0$ admet $\vec{n}(a;b)$ comme vecteur normal et $\vec{u}(-b;a)$ comme vecteur directeur.
  • $(D):ax+by+c=0$ et $(D'):a'x+b'y+c'=0$ sont perpendiculaires $\iff aa'+bb'=0$.

Méthode Équation d’une droite

  • On connaît un point et un vecteur normal ⇒ $\overrightarrow{AM}\cdot\vec{n}=0$.
  • Droite perpendiculaire à $(AB)$ : $\overrightarrow{AB}$ est un vecteur normal.

Exemple Hauteur d’un triangle

$A(1;2)$, $B(3;-2)$, $C(5;3)$. Déterminer une équation de la hauteur $(\Delta)$ issue de $A$.

$(\Delta)$ passe par $A$ et est perpendiculaire à $(BC)$ : $\overrightarrow{BC}(2;5)$ est normal à $(\Delta)$.

$M(x;y)\in(\Delta)\iff\overrightarrow{AM}\cdot\overrightarrow{BC}=0$

$\iff2(x-1)+5(y-2)=0$

$\iff2x+5y-12=0$

$(\Delta):2x+5y-12=0$

Erreur fréquente

  • Pour $ax+by+c=0$ : $(a;b)$ est un vecteur normal, pas directeur ! Le vecteur directeur est $(-b;a)$.

Distance d’un point à une droite

Théorème

Dans un repère orthonormé, la distance du point $A(x_0;y_0)$ à la droite $(D):ax+by+c=0$ est :

$d(A,(D))=\dfrac{|ax_0+by_0+c|}{\sqrt{a^2+b^2}}$

>> C’est la longueur $AH$, où $H$ est le projeté orthogonal de $A$ sur $(D)$.

Exemple

Distance de $A(3;1)$ à $(D):4x-3y+1=0$, puis aire du triangle $ABC$ avec $B(-1;-1)$ et $C(2;3)$ sur $(D)$.

$d(A,(D))=\dfrac{|4\times3-3\times1+1|}{\sqrt{4^2+(-3)^2}}$

$=\dfrac{10}{5}=2$

$BC=\sqrt{3^2+4^2}=5$

$d(A,(D))=2$ et $\mathcal{A}_{ABC}=\dfrac{1}{2}\times5\times2=5$

Le cercle

Équation cartésienne d’un cercle

Propriété

Le cercle $(\mathcal{C})$ de centre $\Omega(a;b)$ et de rayon $r>0$ est l’ensemble des points $M$ tels que $\Omega M=r$ ; son équation est :

$(x-a)^2+(y-b)^2=r^2$

En développant : $x^2+y^2-2ax-2by+c=0$ avec $c=a^2+b^2-r^2$.

Exemple

Cercle de centre $\Omega(2;-1)$ et de rayon $3$ :

$(x-2)^2+(y+1)^2=9$

$\iff x^2-4x+4+y^2+2y+1=9$

$x^2+y^2-4x+2y-4=0$

Cercle de diamètre $[AB]$

Propriété

$M$ appartient au cercle de diamètre $[AB]$ si et seulement si $\overrightarrow{MA}\cdot\overrightarrow{MB}=0$ :

$(x-x_A)(x-x_B)+(y-y_A)(y-y_B)=0$

Exemple

$A(1;1)$ et $B(5;3)$ : cercle de diamètre $[AB]$.

$(x-1)(x-5)+(y-1)(y-3)=0$

$\iff x^2-6x+5+y^2-4y+3=0$

$\iff x^2+y^2-6x-4y+8=0$

Centre $\Omega(3;2)$ (milieu de $[AB]$) et rayon $r=\dfrac{AB}{2}=\dfrac{\sqrt{20}}{2}=\sqrt{5}$

Étude de l’ensemble $x^2+y^2+ax+by+c=0$

Méthode

1. On regroupe et on fait apparaître des carrés (forme canonique) :

$x^2+y^2+ax+by+c=0\iff\left(x+\dfrac{a}{2}\right)^2+\left(y+\dfrac{b}{2}\right)^2=\dfrac{a^2+b^2-4c}{4}$

2. On conclut selon le signe de $k=\dfrac{a^2+b^2-4c}{4}$ :

  • $k>0$ : cercle de centre $\Omega\left(-\dfrac{a}{2};-\dfrac{b}{2}\right)$ et de rayon $\sqrt{k}$ ;
  • $k=0$ : le point $\Omega$ ;
  • $k<0$ : l’ensemble vide.

Exemple Un cercle

$(E_1):x^2+y^2-2x+4y-4=0$

$\iff(x-1)^2-1+(y+2)^2-4-4=0$

$\iff(x-1)^2+(y+2)^2=9$

$9>0$ : $(E_1)$ est le cercle de centre $\Omega(1;-2)$ et de rayon $3$

Exemple Un point

$(E_2):x^2+y^2+6x-2y+10=0$

$\iff(x+3)^2-9+(y-1)^2-1+10=0$

$\iff(x+3)^2+(y-1)^2=0$

$(E_2)$ est réduit au point $\Omega(-3;1)$

Exemple L’ensemble vide

$(E_3):x^2+y^2-4x+5=0$

$\iff(x-2)^2-4+y^2+5=0$

$\iff(x-2)^2+y^2=-1$

Un carré ne peut pas être négatif : $(E_3)=\emptyset$

Erreur fréquente

  • Le centre de $x^2+y^2-2x+4y-4=0$ est $(1;-2)$ et non $(-1;2)$ : attention aux signes.
  • Ne jamais conclure « cercle » sans avoir vérifié que le second membre est strictement positif.

Représentation paramétrique d’un cercle

Propriété

Le cercle de centre $\Omega(a;b)$ et de rayon $r$ est l’ensemble des points $M(x;y)$ tels que :

$\begin{cases}x=a+r\cos\theta\\y=b+r\sin\theta\end{cases}\quad(\theta\in\mathbb{R})$

Exemple

L’ensemble des points $M(1+2\cos\theta;-3+2\sin\theta)$, $\theta\in\mathbb{R}$ :

Le cercle de centre $\Omega(1;-3)$ et de rayon $2$

Intérieur et extérieur d’un cercle

Propriété

Soit $(\mathcal{C})$ le cercle de centre $\Omega(a;b)$ et de rayon $r$, et $M(x;y)$ :

  • $(x-a)^2+(y-b)^2<r^2\iff\Omega M<r$ : $M$ est à l’intérieur de $(\mathcal{C})$ ;
  • $(x-a)^2+(y-b)^2>r^2\iff\Omega M>r$ : $M$ est à l’extérieur de $(\mathcal{C})$.

Exemple

Représenter l’ensemble des points $M(x;y)$ tels que $x^2+y^2-4x\leq0$ et $y\geq0$.

$x^2+y^2-4x\leq0\iff(x-2)^2+y^2\leq4$

C’est le disque de centre $\Omega(2;0)$ et de rayon $2$ ; avec $y\geq0$ on garde la partie au-dessus de l’axe des abscisses.

L’ensemble est le demi-disque supérieur de centre $\Omega(2;0)$ et de rayon $2$

Position relative d’une droite et d’un cercle

Propriété

Soit $(\mathcal{C})$ un cercle de centre $\Omega$ et de rayon $r$, $(D)$ une droite et $d=d(\Omega,(D))$ :

  • $d>r$ : $(D)$ et $(\mathcal{C})$ n’ont aucun point commun ;
  • $d=r$ : $(D)$ est tangente à $(\mathcal{C})$ (un seul point commun) ;
  • $d<r$ : $(D)$ coupe $(\mathcal{C})$ en deux points.

Méthode

1. On détermine le centre $\Omega$ et le rayon $r$ du cercle.

2. On calcule $d=d(\Omega,(D))$ avec la formule de la distance.

3. On compare $d$ et $r$.

>> Pour les points d’intersection, on résout le système formé par les deux équations.

Exemple

$(\mathcal{C}):(x-1)^2+(y-1)^2=5$ et $(D):x+2y-8=0$.

Centre $\Omega(1;1)$ et rayon $r=\sqrt{5}$.

$d(\Omega,(D))=\dfrac{|1+2-8|}{\sqrt{1^2+2^2}}$

$=\dfrac{5}{\sqrt{5}}=\sqrt{5}$

$d=r$ : $(D)$ est tangente à $(\mathcal{C})$

Tangente à un cercle en un point

Propriété

La tangente $(T)$ au cercle $(\mathcal{C})$ de centre $\Omega$ en un point $A$ de $(\mathcal{C})$ est la droite passant par $A$ et de vecteur normal $\overrightarrow{\Omega A}$ :

$M\in(T)\iff\overrightarrow{AM}\cdot\overrightarrow{\Omega A}=0$

Exemple

Vérifier que $A(3;2)$ appartient à $(\mathcal{C}):(x-1)^2+(y-1)^2=5$, puis déterminer la tangente en $A$.

$(3-1)^2+(2-1)^2=4+1=5$

donc $A\in(\mathcal{C})$ ✔. Le centre est $\Omega(1;1)$ et $\overrightarrow{\Omega A}(2;1)$.

$M(x;y)\in(T)\iff2(x-3)+1\times(y-2)=0$

$\iff2x+y-8=0$

$(T):2x+y-8=0$

Erreur fréquente

  • Le vecteur normal de la tangente en $A$ est $\overrightarrow{\Omega A}$ (le rayon), pas un vecteur directeur.
  • Vérifier d’abord que $A$ est sur le cercle.

À retenir

  • Repère orthonormé : $\vec{u}\cdot\vec{v}=xx'+yy'$ ; $\vec{u}\perp\vec{v}\iff xx'+yy'=0$.
  • $ax+by+c=0$ : $\vec{n}(a;b)$ normal, $\vec{u}(-b;a)$ directeur ; $d(A,(D))=\dfrac{|ax_0+by_0+c|}{\sqrt{a^2+b^2}}$.
  • Cercle : $(x-a)^2+(y-b)^2=r^2$ ; pour $x^2+y^2+ax+by+c=0$, forme canonique puis signe du second membre.
  • Droite et cercle : comparer $d(\Omega,(D))$ et $r$ ; tangente en $A$ : $\overrightarrow{AM}\cdot\overrightarrow{\Omega A}=0$.

النسخة العربية

تذكير بالجداء السلمي

تعريف

لتكن $\vec{u}$ و $\vec{v}$ متجهتين من المستوى.

  • إذا كان $\vec{u}\neq\vec{0}$ و $\vec{v}\neq\vec{0}$ : $\vec{u}\cdot\vec{v}=\|\vec{u}\|\times\|\vec{v}\|\times\cos(\vec{u},\vec{v})$.
  • إذا كان $\vec{u}=\vec{0}$ أو $\vec{v}=\vec{0}$ : $\vec{u}\cdot\vec{v}=0$.

خاصية الإسقاط العمودي

إذا كانت $H$ المسقط العمودي للنقطة $C$ على المستقيم $(AB)$ :

$\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AH}$

  • $\overrightarrow{AB}$ و $\overrightarrow{AH}$ لهما نفس المنحى : $\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=AB\times AH$ ؛
  • منحيان متعاكسان : $\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=-AB\times AH$.

خاصية قواعد الحساب

  • $\vec{u}\cdot\vec{v}=\vec{v}\cdot\vec{u}$ و $\vec{u}\cdot\vec{u}=\|\vec{u}\|^2$ ؛
  • $\vec{u}\cdot(\vec{v}+\vec{w})=\vec{u}\cdot\vec{v}+\vec{u}\cdot\vec{w}$ و $(k\vec{u})\cdot\vec{v}=k(\vec{u}\cdot\vec{v})$ ؛
  • $\|\vec{u}+\vec{v}\|^2=\|\vec{u}\|^2+2\vec{u}\cdot\vec{v}+\|\vec{v}\|^2$ ؛
  • $\vec{u}\perp\vec{v}\iff\vec{u}\cdot\vec{v}=0$.

الصيغة التحليلية للجداء السلمي

خاصية

المستوى منسوب إلى معلم متعامد ممنظم $(O;\vec{i},\vec{j})$. إذا كانت $\vec{u}(x;y)$ و $\vec{v}(x';y')$ :

$\vec{u}\cdot\vec{v}=xx'+yy'$

  • المنظم : $\|\vec{u}\|=\sqrt{x^2+y^2}$.
  • المسافة : $AB=\sqrt{(x_B-x_A)^2+(y_B-y_A)^2}$.
  • التعامد : $\vec{u}\perp\vec{v}\iff xx'+yy'=0$.

ملاحظة

[!] هذه الصيغ صالحة فقط في معلم متعامد ممنظم.

مثال

$A(1;2)$ و $B(3;-2)$ و $C(5;3)$. احسب $\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}$، ثم حدد طبيعة المثلث $ABC$.

$\overrightarrow{AB}(2;-4)$ و $\overrightarrow{AC}(4;1)$

$\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=2\times4+(-4)\times1$

$=8-4=4$

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

$\overrightarrow{BA}(-2;4)$ و $\overrightarrow{BC}(2;5)$

$\overrightarrow{BA}\cdot\overrightarrow{BC}=-4+20=16\neq0$

$\overrightarrow{CA}(-4;-1)$ و $\overrightarrow{CB}(-2;-5)$

$\overrightarrow{CA}\cdot\overrightarrow{CB}=8+5=13\neq0$

لا يوجد جداء سلمي منعدم : $ABC$ ليس قائماً في أي رأس

تطبيق

لتكن $A(-1;1)$ و $B(2;5)$ و $C(6;2)$. بيّن أن $ABC$ قائم الزاوية ومتساوي الساقين في $B$.

جواب

$\overrightarrow{BA}(-3;-4)$ و $\overrightarrow{BC}(4;-3)$

$\overrightarrow{BA}\cdot\overrightarrow{BC}=-12+12=0$

إذن $(BA)\perp(BC)$ ✔.

$BA=\sqrt{9+16}=5$ و $BC=\sqrt{16+9}=5$

$\overrightarrow{BA}\cdot\overrightarrow{BC}=0$ و $BA=BC$ : $ABC$ قائم الزاوية ومتساوي الساقين في $B$

جيب التمام وجيب زاوية موجهة — المحددة

تعريف محددة متجهتين

لتكن $\vec{u}(x;y)$ و $\vec{v}(x';y')$. محددة $\vec{u}$ و $\vec{v}$ هي العدد الحقيقي :

$\det(\vec{u},\vec{v})=\begin{vmatrix}x&x'\\y&y'\end{vmatrix}=xy'-x'y$

$\vec{u}$ و $\vec{v}$ مستقيميتان $\iff\det(\vec{u},\vec{v})=0$.

خاصية

في معلم متعامد ممنظم مباشر، من أجل $\vec{u}(x;y)$ و $\vec{v}(x';y')$ غير منعدمتين :

$\cos(\vec{u},\vec{v})=\dfrac{xx'+yy'}{\|\vec{u}\|\times\|\vec{v}\|}$ و $\sin(\vec{u},\vec{v})=\dfrac{xy'-x'y}{\|\vec{u}\|\times\|\vec{v}\|}$

مساحة مثلث : $\mathcal{A}_{ABC}=\dfrac{1}{2}|\det(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})|$.

طريقة تحديد قياس للزاوية $(\vec{u},\vec{v})$

1. نحسب $\|\vec{u}\|$ و $\|\vec{v}\|$ و $\vec{u}\cdot\vec{v}$ و $\det(\vec{u},\vec{v})$.

2. نستنتج $\cos(\vec{u},\vec{v})$ و $\sin(\vec{u},\vec{v})$ : نحتاج الاثنين لمعرفة الزاوية الموجهة.

مثال

$\vec{u}(1;1)$ و $\vec{v}(0;2)$.

$\|\vec{u}\|=\sqrt{2}$ و $\|\vec{v}\|=2$

$\vec{u}\cdot\vec{v}=0+2=2$ و $\det(\vec{u},\vec{v})=1\times2-0\times1=2$

$\cos(\vec{u},\vec{v})=\dfrac{2}{2\sqrt{2}}=\dfrac{\sqrt{2}}{2}$

$\sin(\vec{u},\vec{v})=\dfrac{2}{2\sqrt{2}}=\dfrac{\sqrt{2}}{2}$

$(\vec{u},\vec{v})\equiv\dfrac{\pi}{4}\ [2\pi]$

مثال مساحة مثلث

$A(1;2)$ و $B(3;-2)$ و $C(5;3)$ : $\overrightarrow{AB}(2;-4)$ و $\overrightarrow{AC}(4;1)$.

$\det(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})=2\times1-4\times(-4)$

$=2+16=18$

$\mathcal{A}_{ABC}=\dfrac{1}{2}\times18=9$

المتجهة المنظمية — المعادلة الديكارتية لمستقيم

تعريف

ليكن $(D)$ مستقيماً موجهاً بالمتجهة $\vec{u}$. نقول إن المتجهة $\vec{n}\neq\vec{0}$ منظمية على $(D)$ إذا كانت عمودية على $\vec{u}$.

خاصية

  • المستقيم المار من $A(x_0;y_0)$ والذي $\vec{n}(a;b)$ منظمية عليه هو مجموعة النقط $M$ بحيث $\overrightarrow{AM}\cdot\vec{n}=0$، أي :

$a(x-x_0)+b(y-y_0)=0$

  • عكسياً، المستقيم $(D):ax+by+c=0$ يقبل $\vec{n}(a;b)$ متجهة منظمية و $\vec{u}(-b;a)$ متجهة موجهة.
  • $(D):ax+by+c=0$ و $(D'):a'x+b'y+c'=0$ متعامدان $\iff aa'+bb'=0$.

طريقة معادلة مستقيم

  • نعرف نقطة ومتجهة منظمية ⇐ $\overrightarrow{AM}\cdot\vec{n}=0$.
  • مستقيم عمودي على $(AB)$ : $\overrightarrow{AB}$ متجهة منظمية عليه.

مثال ارتفاع مثلث

$A(1;2)$ و $B(3;-2)$ و $C(5;3)$. حدد معادلة للارتفاع $(\Delta)$ المار من $A$.

$(\Delta)$ يمر من $A$ وعمودي على $(BC)$ : $\overrightarrow{BC}(2;5)$ منظمية على $(\Delta)$.

$M(x;y)\in(\Delta)\iff\overrightarrow{AM}\cdot\overrightarrow{BC}=0$

$\iff2(x-1)+5(y-2)=0$

$\iff2x+5y-12=0$

$(\Delta):2x+5y-12=0$

خطأ شائع

  • بالنسبة لـ $ax+by+c=0$ : $(a;b)$ متجهة منظمية وليست موجهة ! المتجهة الموجهة هي $(-b;a)$.

مسافة نقطة عن مستقيم

مبرهنة

في معلم متعامد ممنظم، مسافة النقطة $A(x_0;y_0)$ عن المستقيم $(D):ax+by+c=0$ هي :

$d(A,(D))=\dfrac{|ax_0+by_0+c|}{\sqrt{a^2+b^2}}$

>> إنها الطول $AH$ حيث $H$ المسقط العمودي للنقطة $A$ على $(D)$.

مثال

مسافة $A(3;1)$ عن $(D):4x-3y+1=0$، ثم مساحة المثلث $ABC$ مع $B(-1;-1)$ و $C(2;3)$ على $(D)$.

$d(A,(D))=\dfrac{|4\times3-3\times1+1|}{\sqrt{4^2+(-3)^2}}$

$=\dfrac{10}{5}=2$

$BC=\sqrt{3^2+4^2}=5$

$d(A,(D))=2$ و $\mathcal{A}_{ABC}=\dfrac{1}{2}\times5\times2=5$

الدائرة

المعادلة الديكارتية لدائرة

خاصية

الدائرة $(\mathcal{C})$ التي مركزها $\Omega(a;b)$ وشعاعها $r>0$ هي مجموعة النقط $M$ بحيث $\Omega M=r$ ؛ ومعادلتها :

$(x-a)^2+(y-b)^2=r^2$

بالنشر : $x^2+y^2-2ax-2by+c=0$ مع $c=a^2+b^2-r^2$.

مثال

الدائرة التي مركزها $\Omega(2;-1)$ وشعاعها $3$ :

$(x-2)^2+(y+1)^2=9$

$\iff x^2-4x+4+y^2+2y+1=9$

$x^2+y^2-4x+2y-4=0$

الدائرة التي قطرها $[AB]$

خاصية

تنتمي $M$ إلى الدائرة التي قطرها $[AB]$ إذا وفقط إذا كان $\overrightarrow{MA}\cdot\overrightarrow{MB}=0$ :

$(x-x_A)(x-x_B)+(y-y_A)(y-y_B)=0$

مثال

$A(1;1)$ و $B(5;3)$ : الدائرة التي قطرها $[AB]$.

$(x-1)(x-5)+(y-1)(y-3)=0$

$\iff x^2-6x+5+y^2-4y+3=0$

$\iff x^2+y^2-6x-4y+8=0$

المركز $\Omega(3;2)$ (منتصف $[AB]$) والشعاع $r=\dfrac{AB}{2}=\dfrac{\sqrt{20}}{2}=\sqrt{5}$

دراسة المجموعة $x^2+y^2+ax+by+c=0$

طريقة

1. نجمّع ونُظهر مربعات (الشكل النموذجي) :

$x^2+y^2+ax+by+c=0\iff\left(x+\dfrac{a}{2}\right)^2+\left(y+\dfrac{b}{2}\right)^2=\dfrac{a^2+b^2-4c}{4}$

2. نستنتج حسب إشارة $k=\dfrac{a^2+b^2-4c}{4}$ :

  • $k>0$ : دائرة مركزها $\Omega\left(-\dfrac{a}{2};-\dfrac{b}{2}\right)$ وشعاعها $\sqrt{k}$ ؛
  • $k=0$ : النقطة $\Omega$ ؛
  • $k<0$ : المجموعة الفارغة.

مثال دائرة

$(E_1):x^2+y^2-2x+4y-4=0$

$\iff(x-1)^2-1+(y+2)^2-4-4=0$

$\iff(x-1)^2+(y+2)^2=9$

$9>0$ : $(E_1)$ هي الدائرة التي مركزها $\Omega(1;-2)$ وشعاعها $3$

مثال نقطة

$(E_2):x^2+y^2+6x-2y+10=0$

$\iff(x+3)^2-9+(y-1)^2-1+10=0$

$\iff(x+3)^2+(y-1)^2=0$

$(E_2)$ هي النقطة $\Omega(-3;1)$

مثال المجموعة الفارغة

$(E_3):x^2+y^2-4x+5=0$

$\iff(x-2)^2-4+y^2+5=0$

$\iff(x-2)^2+y^2=-1$

مجموع مربعين لا يكون سالباً : $(E_3)=\emptyset$

خطأ شائع

  • مركز $x^2+y^2-2x+4y-4=0$ هو $(1;-2)$ وليس $(-1;2)$ : انتبه للإشارات.
  • لا نستنتج «دائرة» قبل التحقق من أن الطرف الثاني موجب قطعاً.

التمثيل البارامتري لدائرة

خاصية

الدائرة التي مركزها $\Omega(a;b)$ وشعاعها $r$ هي مجموعة النقط $M(x;y)$ بحيث :

$\begin{cases}x=a+r\cos\theta\\y=b+r\sin\theta\end{cases}\quad(\theta\in\mathbb{R})$

مثال

مجموعة النقط $M(1+2\cos\theta;-3+2\sin\theta)$، $\theta\in\mathbb{R}$ :

الدائرة التي مركزها $\Omega(1;-3)$ وشعاعها $2$

داخل وخارج دائرة

خاصية

لتكن $(\mathcal{C})$ الدائرة التي مركزها $\Omega(a;b)$ وشعاعها $r$، و $M(x;y)$ :

  • $(x-a)^2+(y-b)^2<r^2\iff\Omega M<r$ : $M$ داخل $(\mathcal{C})$ ؛
  • $(x-a)^2+(y-b)^2>r^2\iff\Omega M>r$ : $M$ خارج $(\mathcal{C})$.

مثال

مثّل مجموعة النقط $M(x;y)$ بحيث $x^2+y^2-4x\leq0$ و $y\geq0$.

$x^2+y^2-4x\leq0\iff(x-2)^2+y^2\leq4$

إنه القرص الذي مركزه $\Omega(2;0)$ وشعاعه $2$ ؛ ومع $y\geq0$ نحتفظ بالجزء فوق محور الأفاصيل.

المجموعة هي نصف القرص العلوي الذي مركزه $\Omega(2;0)$ وشعاعه $2$

الأوضاع النسبية لمستقيم ودائرة

خاصية

لتكن $(\mathcal{C})$ دائرة مركزها $\Omega$ وشعاعها $r$، و $(D)$ مستقيماً و $d=d(\Omega,(D))$ :

  • $d>r$ : $(D)$ و $(\mathcal{C})$ لا يشتركان في أي نقطة ؛
  • $d=r$ : $(D)$ مماس للدائرة $(\mathcal{C})$ (نقطة مشتركة واحدة) ؛
  • $d<r$ : $(D)$ يقطع $(\mathcal{C})$ في نقطتين.

طريقة

1. نحدد المركز $\Omega$ والشعاع $r$ للدائرة.

2. نحسب $d=d(\Omega,(D))$ بصيغة المسافة.

3. نقارن $d$ و $r$.

>> لتحديد نقط التقاطع، نحل النظمة المكونة من المعادلتين.

مثال

$(\mathcal{C}):(x-1)^2+(y-1)^2=5$ و $(D):x+2y-8=0$.

المركز $\Omega(1;1)$ والشعاع $r=\sqrt{5}$.

$d(\Omega,(D))=\dfrac{|1+2-8|}{\sqrt{1^2+2^2}}$

$=\dfrac{5}{\sqrt{5}}=\sqrt{5}$

$d=r$ : $(D)$ مماس للدائرة $(\mathcal{C})$

المماس لدائرة في نقطة

خاصية

المماس $(T)$ للدائرة $(\mathcal{C})$ التي مركزها $\Omega$ في نقطة $A$ منها هو المستقيم المار من $A$ والذي $\overrightarrow{\Omega A}$ منظمية عليه :

$M\in(T)\iff\overrightarrow{AM}\cdot\overrightarrow{\Omega A}=0$

مثال

تحقق أن $A(3;2)$ تنتمي إلى $(\mathcal{C}):(x-1)^2+(y-1)^2=5$، ثم حدد المماس في $A$.

$(3-1)^2+(2-1)^2=4+1=5$

إذن $A\in(\mathcal{C})$ ✔. المركز $\Omega(1;1)$ و $\overrightarrow{\Omega A}(2;1)$.

$M(x;y)\in(T)\iff2(x-3)+1\times(y-2)=0$

$\iff2x+y-8=0$

$(T):2x+y-8=0$

خطأ شائع

  • المتجهة المنظمية على المماس في $A$ هي $\overrightarrow{\Omega A}$ (الشعاع)، وليست متجهة موجهة.
  • نتحقق أولاً أن $A$ تنتمي إلى الدائرة.

للحفظ

  • معلم متعامد ممنظم : $\vec{u}\cdot\vec{v}=xx'+yy'$ ؛ $\vec{u}\perp\vec{v}\iff xx'+yy'=0$.
  • $ax+by+c=0$ : $\vec{n}(a;b)$ منظمية، $\vec{u}(-b;a)$ موجهة ؛ $d(A,(D))=\dfrac{|ax_0+by_0+c|}{\sqrt{a^2+b^2}}$.
  • الدائرة : $(x-a)^2+(y-b)^2=r^2$ ؛ بالنسبة لـ $x^2+y^2+ax+by+c=0$، الشكل النموذجي ثم إشارة الطرف الثاني.
  • مستقيم ودائرة : نقارن $d(\Omega,(D))$ و $r$ ؛ المماس في $A$ : $\overrightarrow{AM}\cdot\overrightarrow{\Omega A}=0$.

فنفس الدرس

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