ملخص
يعرّف هذا الدرس الزوايا الموجَّهة، التي تقيس دورانًا مع اتجاهه ويمكن أن تتجاوز الدورة الكاملة، وقياسيها المعتادين: الدرجة الستينية، التي ثبّتها اصطلاح قديم، والراديان، وهو طول القوس الذي تحصره الزاوية على دائرة الوحدة. ويقبل طول الدائرة، وتناسب الأقواس مع أنصاف الأقطار، وحفظ الانعكاسات للأطوال، ويعرّف العدد بأنه نصف طول دائرة الوحدة، وينصّ على مسلّمة السير على الدائرة بطول القوس، التي تقرن بكل عدد حقيقي نقطة من تلك الدائرة؛ ويستنتج من ذلك سلوك السير في نصف دورته الثاني، وقاعدة التحويل بين الدرجات والراديان، وطول القوس، ومساحة القطاع، ومبرهنة الزاوية المحيطية. ثم يضع الزوايا في الوضع القياسي، ويبرهن أن كل زاوية تُردّ بطريقة واحدة فقط إلى زاوية من الدورة الأولى وأن الدورة الواحدة لا تمرّ بالنقطة نفسها مرتين، ويصف الزوايا المشتركة في الضلع النهائي، ويربط السرعة الزاوية بالسرعة الخطية. وتقيس المسائل الأرض كما فعل إراتوستينس، وتحسب قطعة دائرية، وتنقل دورانًا عبر جنزير، وتجعل مساحة قطاع محيطه ثابت أكبر ما يمكن، وتعدّ المرات التي ينطبق فيها عقربا الساعة.
أهداف التعلم
- تمييز الضلع الابتدائي والضلع النهائي لزاوية موجَّهة، وقياسها بالدرجات والدقائق والثواني، ومعرفة إشارتها من اتجاه الدوران.
- نصّ مسلّمة السير على الدائرة بطول القوس، وتعريف الراديان بها، والتحويل بين القياس بالدرجات والقياس بالراديان، ولا سيما قياسات الزوايا الشهيرة.
- برهان صيغتي طول القوس ومساحة القطاع، ومبرهنة الزاوية المحيطية، والعلاقة بين السرعة الزاوية والسرعة الخطية، وتطبيقها.
- ردّ أي زاوية إلى زاوية من الدورة الأولى، مع برهان وجود الردّ ووحدانيته، والحكم على زاويتين هل هما مشتركتان في الضلع النهائي.
الزوايا الموجَّهة
في الهندسة الأولية، الزاوية هي الشكل المكوَّن من نصفي مستقيم لهما بداية مشتركة، ويقع قياسها بين و. ولدراسة الدورانات، مثل دوران عجلة أو عقارب ساعة أو الأرض حول محورها، لا يكفي هذا المفهوم: يهمّ مقدار ما دار الجسم وفي أي اتجاه، وقد يتضمّن الدوران عدة دورات. ولذلك تُعدّ الزاوية نتيجة دوران.
تتحدّد الزاوية الموجَّهة بنصف مستقيم يُسمّى الضلع الابتدائي، يدور حول بدايته، التي تُسمّى الرأس، حتى يأخذ وضعًا أخيرًا يُسمّى الضلع النهائي، مع الدوران الذي تمّ. وتكون الزاوية موجبة إذا تمّ الدوران في الاتجاه المعاكس لحركة عقارب الساعة (عكس اتجاه عقارب الساعة)، وسالبة إذا تمّ في اتجاه حركة عقارب الساعة (اتجاه عقارب الساعة). والزاوية الصفرية هي التي لا دوران فيها.
قد يقابل زوجًا واحدًا من الأضلاع عددٌ كبير من الزوايا الموجَّهة: يأخذ الضلع النهائي الوضع نفسه إذا دار ربع دورة عكس اتجاه عقارب الساعة، أو ثلاثة أرباع دورة في اتجاه عقارب الساعة، أو ربع دورة مضافًا إليه دورة كاملة. وهذه الزوايا مختلفة، لأنها تصف دورانات مختلفة، وإن انتهت عند الضلع نفسه؛ ويبيّن القسم الثالث كيف ترتبط فيما بينها.
النظام الستيني
يقسم أقدم قياس للزوايا الدورة الكاملة إلى أقواس متساوية عددها ، ويسمّي درجة الزاوية التي تحصر كل واحد منها: يكون قياس الزاوية درجة إذا كان قوسها مرة قوس الدرجة الواحدة، فيكون القياس بالدرجات متناسبًا مع طول القوس. وتنقسم كل درجة إلى دقيقة، وكل دقيقة إلى ثانية. ويرجع هذا النظام إلى علم الفلك البابلي، الذي كان يعدّ بالأساس ستين، كما يُشرح في الدرس الخاص بـأنظمة العدّ الموضعية من دورة الجبر والهندسة 1؛ وللعدد ميزة أنه يقبل القسمة على و و و و و و و و، وعلى غيرها. وقياس الزاوية القائمة ، وقياس الزاوية المستقيمة ، وقياس الدورة الكاملة ؛ وتُقاس الزاوية السالبة بإشارة الناقص، فيكون قياس ربع الدورة في اتجاه عقارب الساعة . والزاوية التي قياسها 40 درجة و15 دقيقة و36 ثانية، والتي تُكتب اختصارًا بوضع رمز الدرجة بعد كل عدد، وفاصلة علوية للدقائق، وفاصلتين للثواني، قياسها بالدرجات ما يلي، أي 40,26 درجة:
غير أن العدد اصطلاح: لا شيء في هندسة الدائرة يميّزه من غيره من الأعداد. وتبسط صيغ طول القوس ومساحة القطاع، ثم صيغ الدوال المثلثية فيما بعد، إذا قيست الزوايا بطريقة تنبع من الدائرة نفسها.
الراديان
الفكرة هي قياس الزاوية بطول القوس الذي تحصره في دائرة نصف قطرها مركزها رأس الزاوية. ويتطلّب ذلك معرفة ما طول القوس، وهنا تظهر صعوبة: القوس ليس اتحادًا لقطع مستقيمة، ويُعرَّف طوله بأنه القيمة التي تقترب منها أطوال الخطوط المنكسرة المحاطة به حين تصير أضلاعها أقصر فأقصر، أي بواسطة نهاية. ودراسته من شأن دورة التفاضل والتكامل 2، حيث تُحسب أطوال المنحنيات ومساحات المناطق التي تحدّها منحنيات. وهنا تُقبل الحقائق الآتية.
حقيقة مقبولة دون برهان (الأطوال والمساحات في الدائرة). لكل قوس من دائرة طول، ولكل منطقة تحدّها قطع مستقيمة وأقواس مساحة. وللأشكال المتطابقة الطول نفسه أو المساحة نفسها؛ وإذا انقسم شكل إلى شكلين لا يتداخلان، فقياسه مجموع قياسي الجزأين؛ وإذا احتوت منطقة منطقةً أخرى، فمساحتها ليست أصغر، وهي أكبر إذا احتوى الفرق قرصًا ما. وفضلًا عن ذلك، إذا كان نصفا قطري دائرتين و، فإن القوسين اللذين تحصرهما فيهما زاوية مركزية واحدة يتناسبان مع نصفي القطرين، ومساحة القرص الذي نصف قطره هي .
تُقبل هذه الحقيقة دون برهان، لأن أطوال الأقواس ومساحات المناطق المنحنية تُعرَّف بواسطة النهايات وتُحسب بالتكامل، في دورة التفاضل والتكامل 2. ويفترض جزؤها الأخير أن العدد معلوم، وهو يُعرَّف الآن: العدد هو نصف طول دائرة الوحدة، أي الدائرة التي نصف قطرها . ومن تناسب الأقواس مع أنصاف الأقطار، مطبَّقًا على زاوية الدورة الكاملة، يكون طول الدائرة التي نصف قطرها هو ، وتكون النسبة بين طول أي دائرة وقطرها دائمًا . ويُقبل أيضًا أن عدد غير نسبي، وأن تمثيله العشري يبدأ بـ 3,14159؛ وبخاصة .
ولقياس الزوايا يلزم، فوق ذلك، السير على الدائرة بطول القوس: الانطلاق من نقطة والتقدّم عليها طولًا معطى، في اتجاه أو في الآخر، ومعرفة النقطة التي يُوصَل إليها. وكل ما تقوله هذه الوحدة عن الزوايا والدوال المثلثية يقوم على هذا السير، ولذلك يحسن أن يُنصّ بدقة على ما يُقبل منه. ويُنصّ عليه في المستوى الديكارتي، لدائرة الوحدة ونقطتها ؛ ولأن الأطوال لا تتغيّر بتحريك الأشكال، فهو صحيح كذلك لأي دائرة نصف قطرها ولأي نقطة انطلاق.
مسلّمة (السير على الدائرة بطول القوس). لكل عدد حقيقي توجد نقطة وحيدة من دائرة الوحدة يُوصَل إليها بالانطلاق من وقطع طول عليها، عكس اتجاه عقارب الساعة إذا كان وفي اتجاه عقارب الساعة إذا كان ، مع إتمام ما يلزم من الدورات؛ ومن أجل يكون . ولهذا السير الخواص الأربع الآتية.
- التعاقب: إذا قُطع من النقطة طول عكس اتجاه عقارب الساعة، وُصل إلى ؛ وإذا قُطع في اتجاه عقارب الساعة، وُصل إلى .
- الدورية: الدورة الكاملة، في أي اتجاه، تقطع الطول للدائرة وتعيد إلى نقطة الانطلاق؛ أي إن لكل عدد حقيقي .
- نصف الدورة: يمرّ السير عكس اتجاه عقارب الساعة أولًا بنصف الدائرة العلوي، من اليمين إلى اليسار. وبدقة، ، وإذا كان ، فإن للنقطتين و إحداثيًا صاديًا غير سالب، والإحداثي السيني لـ أكبر من الإحداثي السيني لـ .
- التغطية: كل نقطة من دائرة الوحدة هي لعدد حقيقي ما .
تُقبل المسلّمة دون برهان للسبب نفسه الذي قُبلت به الحقيقة المذكورة أعلاه: يُعرَّف طول القوس بواسطة نهاية، وتُبرهن خواصه في دورة التفاضل والتكامل 2؛ والتغطية، التي تؤكّد أن السير على الدائرة لا يتخطّى أي نقطة، تقوم فوق ذلك على خاصة القيمة الوسطى للدوال المتصلة، التي تُبرهن في دورة التفاضل والتكامل 1. ولخاصة نصف الدورة قراءة هندسية بسيطة. فإذا كانت على دائرة الوحدة، فإن مربع بعدها عن النقطة هو ما يلي:
ومن ثَمّ فإن القول بأن الإحداثي السيني يتناقص تناقصًا تامًّا على طول نصف الدائرة العلوي يكافئ القول بأن الوتر الذي يصل بالنقطة التي بلغها السير يتزايد تزايدًا تامًّا مع القوس، حتى يصير قطرًا عند نهاية نصف الدورة. وحين يُعرَّف، في الدرس الخاص بـالنسب المثلثية، جيب تمام بأنه الإحداثي السيني لـ ، ستقول هذه الخاصة إن جيب التمام متناقص تناقصًا تامًّا على : وهذه الرتابة لا تُستنتج، بل هي شرط نصف الدورة نفسه مقروءًا بالإحداثيات. والحال أنه من هذه المسلّمة، ومن الحقائق المتعلقة بالأطوال والمساحات، ومن الحقيقة المتعلقة بالانعكاسات التي تُقبل بعد قليل، يُستنتج كل ما يُستعمل غير ذلك من السير: في هذا الدرس، سلوك نصف الدورة الثاني وأن الدورة الواحدة لا تمرّ بالنقطة نفسها مرتين؛ وفي الدرس الخاص بـالدوال المثلثية العكسية، رتابة الجيب والظل.
حقيقة مقبولة دون برهان (الانعكاسات والدوران بنصف دورة). يحفظ الانعكاس بالنسبة إلى مستقيم المسافات، ومعها أطوال الأقواس، لكنه يعكس اتجاه الدوران: فهو يحوّل سيرًا عكس اتجاه عقارب الساعة على دائرة مركزها نقطة من ذلك المستقيم إلى سير في اتجاه عقارب الساعة له الطول نفسه، والعكس بالعكس. والدوران بنصف دورة حول نقطة، وهو تركيب الانعكاسين بالنسبة إلى مستقيمين متعامدين يمرّان بها، يحفظ المسافات والأطوال وكذلك اتجاه الدوران.
تنتمي هذه الحقيقة إلى الهندسة الأولية لحركات المستوى، التي لا تبسطها هذه الدورة. وبالإحداثيات، الانعكاس بالنسبة إلى المحور هو التحويل ؛ وهو ينقل دائرة الوحدة إلى نفسها، لأن ، ويُبقي النقطة ثابتة. وبه يُحصل على نصف الدورة الثاني من السير انطلاقًا من الأول.
لكل عدد حقيقي ، النقطة هي انعكاس بالنسبة إلى المحور . وفضلًا عن ذلك، إذا كان ، فإن للنقطتين و إحداثيًا صاديًا غير موجب، والإحداثي السيني لـ أصغر من الإحداثي السيني لـ : في نصف دورته الثاني، يمرّ السير عكس اتجاه عقارب الساعة بنصف الدائرة السفلي، من اليسار إلى اليمين.
يُعكس السير بالنسبة إلى المحور ، وتنقل الدورية نصف الدورة الأول، مقطوعًا إلى الوراء، إلى الثاني. ونكتب لإحداثيي ، و للانعكاس بالنسبة إلى المحور .
البرهان
يغيّر الانعكاس إشارة الإحداثي الصادي، وينقل دائرة الوحدة إلى نفسها، ويُبقي النقطة ثابتة.
ليكن . بحسب الحقيقة المقبولة، يحوّل السير عكس اتجاه عقارب الساعة الذي طوله ، المنطلق من والمنتهي عند ، إلى سير في اتجاه عقارب الساعة له الطول نفسه منطلق من ؛ وبحسب وحدانية النقطة في المسلّمة، ينتهي هذا السير عند . وإذا كان ، يُطبَّق ما سبق على ويُعكس مرة أخرى، لأن إذا طُبّق مرتين يترك كل نقطة في مكانها.
ليكن ، وليكن و، اللذان يحقّقان . وبحسب الدورية، ، وهي انعكاس ؛ وبالطريقة نفسها، هي انعكاس .
بحسب خاصة نصف الدورة، مطبَّقة على في ، فإن الإحداثيين الصاديين لـ و غير سالبين، والإحداثي السيني لـ أكبر من الإحداثي السيني لـ . والانعكاس يحفظ الإحداثيات السينية ويغيّر إشارة الإحداثيات الصادية: فيُحصل على المطلوب.
لتكن زاوية موجَّهة رأسها المركز لدائرة الوحدة، ولتكن النقطة التي يقطع فيها الضلع الابتدائي هذه الدائرة. حين يدور الضلع، تقطع النقطة قوسًا من الدائرة، كما في المسلّمة المذكورة أعلاه. والقياس بالراديان للزاوية هو طول هذا القوس، بإشارة موجبة إذا كان الدوران عكس اتجاه عقارب الساعة وسالبة إذا كان في اتجاهها؛ وإذا تضمّن الدوران عدة دورات، أضافت كل دورة كاملة طول الدائرة .
يسمح التعريف بقياس الزوايا التي هي كسور بسيطة من الدورة قياسًا مباشرًا.
البرهان
مركز دائرة الوحدة هو الرأس ونصف قطرها ؛ وبحسب تعريف ، طولها . ويقطعها الضلع الابتدائي في النقطة .
حين يدور الضلع عكس اتجاه عقارب الساعة، تقطع النقطة قوسًا؛ وطول هذا القوس هو قياس الزاوية.
الراديان الواحد هو الزاوية التي طول قوسها يساوي نصف القطر. ولأن أكبر قليلًا من ، فالراديان الواحد أقل قليلًا من سدس الدورة.
ربع الدورة يقطع ربع الدائرة: قياس الزاوية القائمة راديان.
نصف الدورة يقطع نصف الدائرة، الذي طوله بحسب التعريف؛ وقياس الدورة الكاملة .
إذا دار الضلع ربع دورة في اتجاه عقارب الساعة، فللقوس المقطوع الطول نفسه، لكن الزاوية سالبة.
الزاوية المقيسة بالراديان عدد حقيقي بلا وحدات: إنها النسبة بين طول قوس وطول نصف القطر، الذي قيمته . ولذلك يُكتب ببساطة لزاوية قياسها راديانان؛ وحين يُراد التشديد على الوحدة، يُكتب 2 rad. أما القياس بالدرجات فيُشار إليه دائمًا برمزه، كما في . وفي المقابل، كل عدد حقيقي هو قياس زاوية موجَّهة ما: فبحسب مسلّمة السير، لكل تستطيع النقطة أن تقطع على الدائرة طولًا في الاتجاه الذي تدلّ عليه إشارة ، مع إتمام ما يلزم من الدورات الكاملة، ونصف المستقيم الذي يمتدّ من الرأس إلى النقطة التي بُلغت هو الضلع النهائي.
التحويل بين الدرجات والراديان
لأن قياس الدورة الكاملة وهو أيضًا راديان، ولأن القياسين متناسبان مع طول القوس الذي تحصره الزاوية على دائرة الوحدة (القياس بالدرجات بحسب تعريف الدرجة، والقياس بالراديان لأنه هو ذلك الطول)، فإن قياسي الزاوية متناسبان.
إذا كان قياس زاوية درجة و راديان، فإن و.
تُستخرج القاعدة من التناسب بين الزاوية والدورة الكاملة، ثم تُطبَّق على العلامات الشهيرة للدائرة، أي الزوايا التي تظهر في الأشكال الأولية.
البرهان
قياس الدورة الكاملة درجة و راديان.
النسبة بين زاوية والدورة الكاملة واحدة في القياسين، لأن كليهما متناسب مع طول القوس؛ وكل دورة إضافية تضيف في أحدهما و في الآخر. وبعزل نحصل على القاعدة.
مع ومع : الدرجة الواحدة كسر صغير من الراديان، والراديان الواحد يزيد قليلًا على درجة، لأن يساوي تقريبًا 57,3.
الزوايا التي قياساتها و و درجة، والتي تظهر في المثلث المتطابق الأضلاع وفي المربع، تُحوَّل بتبسيط الكسر.
الزاوية القائمة والزاوية المستقيمة وثلاثة أرباع الدورة تعيّن أنصاف المحاور.
الزوايا الشهيرة الأخرى في الدورة تُحصل بالجمع أو الطرح؛ مثلًا، هي ناقص .
عمليًا، للانتقال من الدرجات إلى الراديان يُضرب في ، وللانتقال من الراديان إلى الدرجات يُضرب في . وهكذا ، و، و؛ والزاوية التي قياسها راديان قياسها درجة، أي نحو 114,6 درجة.
طول القوس ومساحة القطاع
في دائرة نصف قطرها ، تحصر زاوية مركزية قوسًا، ويحدّ ضلعا الزاوية، مع ذلك القوس، قطاعًا دائريًا. ويعطي القياس بالراديان صيغه شكلًا بسيطًا على نحو خاص.
في دائرة نصف قطرها ، تحصر زاوية مركزية قياسها راديان، مع ، قوسًا طوله ، ومساحة القطاع الذي تعيّنه .
يُستنتج طول القوس من التناسب المقبول. أما المساحة، فتُبرهن صيغتها أولًا حين تكون الزاوية كسرًا نسبيًا من الدورة، ثم تُمدَّد إلى كل زاوية بكثافة الأعداد النسبية، المبرهنة في الدرس الخاص بـالمستقيم الحقيقي من دورة الجبر والهندسة 1.
البرهان
في دائرة الوحدة التي لها المركز نفسه، تحصر الزاوية قوسًا طوله ، بحسب تعريف الراديان.
بحسب تناسب الأقواس مع أنصاف الأقطار، القوس المقابل في الدائرة التي نصف قطرها أكبر منه مرة.
إذا كان ، حيث و طبيعيان و، ينقسم القرص إلى قطاعات متطابقة عددها زاوية كل منها ، ومساحة كل منها ، ويكون قطاع الزاوية اتحادًا لعدد منها.
لتكن الآن أي زاوية، ولنفترض أن المساحة لقطاعها أصغر من . بحسب كثافة الأعداد النسبية توجد زاوية ، كسر نسبي من الدورة، بين و. وقطاعها محتوى في قطاع ، ومساحتها تعطيها الصيغة التي سبق الحصول عليها: فنصل إلى تناقض.
وبالطريقة نفسها، بزاوية بين و، لا تتجاوز الدورة لأن القطاع لا يزيد على القرص، يُستبعد أن تكون أكبر من . إذن المساحة هي المذكورة، ومع نحصل على صيغة مماثلة لصيغة مساحة مثلث قاعدته وارتفاعه .
لو قيست الزاوية بالدرجات، لتضمّنت الصيغ معامل التحويل: لكان القوس ومساحة القطاع . وبساطة هي السبب الرئيسي لتفضيل الراديان. وفضلًا عن ذلك، تعطي الصيغة قياس الزاوية في أي دائرة، لا في دائرة الوحدة وحدها: هي النسبة بين القوس ونصف القطر، ولا تتوقف على نصف القطر المختار.
الزاوية المحيطية
تُسمّى الزاوية التي رأسها مركز دائرة زاوية مركزية. وإذا كانت و و ثلاث نقاط مختلفة من دائرة، فإن الزاوية التي يكوّنها عند الوتران و تُسمّى زاوية محيطية، ويُقال إنها تحصر القوس الذي طرفاه و ولا يحتوي . وبحسب المبرهنة المذكورة أعلاه، يقابل قوسًا طوله من دائرة نصف قطرها الزاويةُ المركزية التي قياسها راديان، حتى لو تجاوز هذا العدد . ولمقارنة الزاوية المحيطية بالمركزية تُقبل الحقائق الآتية من الهندسة الأولية، التي لا تبرهنها هذه الدورة لأنها لا تبسط الهندسة التركيبية. فالحقيقتان الأوليان تقيسان زوايا المثلث؛ والأخيرتان حقيقتان تتعلقان بالوضع، تقولان كيف تتوزّع الزوايا والأقواس حين يمرّ نصف مستقيم بداخل زاوية.
حقيقة مقبولة دون برهان (زوايا المثلث والأوضاع على الدائرة). تُقبل العبارات الأربع الآتية، التي تُقاس فيها الزوايا غير الموجَّهة بالراديان، بين و.
- مجموع الزوايا: مجموع زوايا المثلث الثلاث زاوية مستقيمة، أي راديان.
- المثلث المتساوي الساقين: في مثلث له ضلعان متساويان، الزاويتان المقابلتان لهذين الضلعين متساويتان.
- مجموع الزوايا المتجاورة: إذا مرّ نصف مستقيم ينطلق من رأس زاوية بداخلها، فإنه يقسمها إلى زاويتين مجموع قياسيهما قياس الزاوية المعطاة.
- وضع المركز: لتكن و و ثلاث نقاط مختلفة من دائرة مركزها ، ولتكن الطرف الآخر للقطر المنطلق من . إذا لم يكن على الوتر ولا على الوتر ، فإن أحد أمرين يحدث. فإما أن يكون بداخل الزاوية التي يكوّنها هذان الوتران عند ، وحينئذ يمرّ نصف المستقيم الممتدّ من إلى بذلك الداخل وتكون على القوس الذي طرفاه و ولا يحتوي . وإما أن يكون خارج تلك الزاوية، وحينئذ تكون إحدى النقطتين و، ويمكن تسميتها ، على القوس الذي طرفاه و ولا يحتوي ، ويمرّ نصف المستقيم الممتدّ من إلى بداخل الزاوية التي يكوّنها عند الوتران و.
لتكن و و ثلاث نقاط مختلفة من دائرة مركزها ونصف قطرها ، وليكن طول القوس الذي طرفاه و ولا يحتوي . فالزاوية المحيطية التي يكوّنها عند الوتران و هي نصف الزاوية المركزية المقابلة لذلك القوس.
يتناول البرهان أولًا الحالة التي يمرّ فيها أحد ضلعي الزاوية المحيطية بالمركز، ويردّ إليها الحالتين الأخريين من الحقيقة المقبولة المتعلقة بوضع المركز بواسطة القطر المنطلق من .
البرهان
لنفترض أولًا أن المركز على الوتر ، الذي يكون حينئذ قطرًا (والحالة التي يكون فيها على الوتر مماثلة). لتكن الزاوية عند في المثلث الذي رؤوسه و و، وهو مثلث حقيقي لأن ، المختلفة عن وعن ، ليست على المستقيم الذي يصلهما؛ وهذا المثلث متساوي الساقين، لأن و نصفا قطرين، وزاويتاه عند وعند متساويتان.
لتكن الزاوية المركزية التي يكوّنها نصفا القطرين و. ولأن و و على استقامة واحدة، فإن مجموع والزاوية عند في المثلث هو ؛ ولأن مجموع زوايا المثلث الثلاث هو أيضًا ، فإن هي مجموع الزاويتين الأخريين. وفضلًا عن ذلك، الزاوية عند موجبة، فيكون أصغر من ، وكذلك .
يقسم نصفا القطرين و الدائرة إلى قوسين؛ ولأن ، فبحسب مبرهنة القوس، طول القوس الذي تحصره هو ، أي أقل من نصف الدائرة، والآخر أكثر. والنقطة ، الطرف المقابل لـ من القطر، تبعد عن نصف دائرة في كلا الاتجاهين، فلا تقع على القوس الأصغر: فهذا هو القوس الذي تحصره ، و.
إذا كان المركز بداخل الزاوية، فلتكن الطرف الآخر للقطر المنطلق من . بحسب الحقيقة المقبولة المتعلقة بوضع المركز، يقسم نصف المستقيم الممتدّ من إلى الزاوية إلى زاويتين، لكل منهما ضلع يمرّ بالمركز، ومجموع قياسيهما بحسب مجموع الزوايا المتجاورة؛ وتقسم القوس المحصور إلى قوسين، طولاهما و، ومجموعهما . وبالحالة المذكورة أعلاه، مطبَّقة على كل من الزاويتين، نحصل على ما يلي.
إذا كان المركز خارج الزاوية، فلتكن مرة أخرى الطرف الآخر للقطر المنطلق من . بحسب الحقيقة المقبولة المتعلقة بوضع المركز، يمكن افتراض أن على القوس الممتدّ من إلى دون المرور بـ ، وأن نصف المستقيم الممتدّ من إلى يقسم الزاوية التي ضلعاها و إلى الزاوية التي ضلعاها و وإلى . وهذا القوس، الذي طوله ، يتألّف من القوس الممتدّ من إلى ، الذي طوله ، ومن القوس الذي تحصره ؛ و هي الفرق بين زاويتين لكل منهما ضلع يمرّ بالمركز.
الزاويتان المحيطيتان اللتان لهما الطرفان نفسهما و متساويتان إذا كان رأساهما على القوس نفسه من القوسين اللذين يعيّنهما الوتر ، ومتكاملتان إذا كانا على قوسين مختلفين. وبخاصة، كل زاوية محيطية مرسومة في نصف دائرة، أي طرفاها و طرفا قطر، قائمة.
يكفي أن يُقرأ، في كل حالة، أي قوس تحصره كل زاوية، ثم تُطبَّق المبرهنة. لتكن و الرأسين، و و الزاويتين، و طول القوس الذي طرفاه و ولا يحتوي .
البرهان
إذا كانت على القوس نفسه الذي عليه ، فإن الزاويتين تحصران القوس الآخر، الذي طوله ، وهما بحسب المبرهنة متساويتان في القياس.
إذا كانت على القوس الآخر، فإنها تحصر القوس الذي يحتوي ، وطوله هو ما ينقص لإكمال الدائرة؛ ومجموع القياسين زاوية مستقيمة.
إذا كان قطرًا، فالقوسان نصفا دائرة، طول كل منهما ، والزاوية قائمة؛ وتُعرف هذه الحالة الخاصة بمبرهنة طاليس.
النقاط التي ليست على الدائرة ترى الوتر بزوايا أخرى. والنتيجة الآتية تُقبل أيضًا من الهندسة الأولية: فهي تُستخرج من المبرهنة المذكورة أعلاه ومن القضية 21 من المقالة الأولى من «الأصول» لإقليدس، التي بحسبها ترى نقطة داخل مثلث أحد أضلاعه بزاوية أكبر مما يراه به الرأس المقابل؛ لكن برهانها يتطلّب معرفة المواضع التي تقطع فيها الدائرةَ القطعُ المستقيمة المنطلقة من النقطة، وهي مسألة وضع لا تبسطها هذه الدورة. وستُستعمل في آخر مسألة محلولة من الدرس الخاص بـالدوال المثلثية العكسية.
حقيقة مقبولة دون برهان (الزوايا من نقاط داخلية وخارجية). لتكن و نقطتين من دائرة، و القياس المشترك للزوايا المحيطية التي طرفاها و ورأسها على أحد القوسين اللذين تعيّنهما هاتان النقطتان. إذا كانت نقطة ليست على الدائرة، واقعة في جهة المستقيم نفسها التي يقع فيها ذلك القوس، فإن الزاوية التي تكوّنها عند القطعتان و أصغر من إذا كانت خارج القرص، وأكبر من إذا كانت داخله.
الوضع القياسي والزوايا المشتركة في الضلع النهائي
في المستوى الديكارتي، الذي دُرس في الدرس الخاص بـمعادلة المستقيم وأنظمة الإحداثيات الديكارتية من دورة الجبر والهندسة 1، لكل زاوية وضع مميَّز.
تكون الزاوية الموجَّهة في الوضع القياسي إذا كان رأسها نقطة الأصل وضلعها الابتدائي نصف المحور الموجب . ويكون ضلعها النهائي حينئذ نصف المستقيم المنطلق من الأصل والمارّ بالنقطة من مسلّمة السير، أي النقطة من دائرة الوحدة التي يُوصَل إليها بقطع قوس، انطلاقًا من ، طوله في الاتجاه الذي تدلّ عليه إشارة . وتكون زاويتان مشتركتين في الضلع النهائي إذا كان لهما، في الوضع القياسي، الضلع النهائي نفسه.
يقسم المحوران المستوى إلى أربعة أرباع، مرقّمة عكس اتجاه عقارب الساعة ابتداءً من الربع الذي يحتوي النقاط ذات الإحداثيات الموجبة. والزاوية في الوضع القياسي تقع في الربع الذي يحتوي ضلعها النهائي؛ وإذا وقع هذا الضلع على محور، سُمّيت الزاوية زاوية ربعية. وإحداثيا النقطة هما جيب تمام وجيبها، اللذان سيُدرسان في الدرس اللاحق، الخاص بـالنسب المثلثية.
الدورة الكاملة، في أي اتجاه، تعيد الضلع إلى وضعه، بحسب دورية السير: الزاوية مشتركة في الضلع النهائي مع ، وكذلك و، وعمومًا مع عدد صحيح. ولمعرفة أين تنتهي زاوية ما يكفي إذن حذف الدورات الكاملة، كما تُحذف مضاعفات القاسم في الدرس الخاص بـقابلية القسمة والقسمة مع الباقي من دورة الجبر والهندسة 1. والمبرهنة الآتية هي الصيغة الحقيقية لتلك القسمة: القاسم ، وخارج القسمة عدد الدورات، والباقي الزاوية المتبقية.
لكل عدد حقيقي يوجد عدد صحيح وحيد وعدد حقيقي وحيد بحيث و.
يقوم الوجود على خاصة أرخميدس، المبرهنة في الدرس الخاص بـالتمثيل العشري للأعداد النسبية من دورة الجبر والهندسة 1، وتقوم الوحدانية على أن العدد الصحيح الواقع تمامًا بين و منعدم.
البرهان
ليكن عددًا حقيقيًا. بحسب خاصة أرخميدس ومبدأ الترتيب الحسن، كما في برهان كثافة الأعداد النسبية في الدرس الخاص بالمستقيم الحقيقي، يوجد أصغر عدد صحيح أكبر من ؛ وليكن ، الذي لم يعد أكبر من ذلك العدد.
نضرب في ، وهو موجب، ونطرح من الأطراف الثلاثة.
ليكن . فتتألّف من دورات كاملة عددها تتبعها الزاوية ، الواقعة في الدورة الأولى: و مشتركتان في الضلع النهائي.
لإثبات الوحدانية، لنفترض أن أيضًا ، مع عدد صحيح و. بطرح الكتابتين، يكون الفرق مضاعفًا صحيحًا لـ ؛ ولأن العددين في الفترة ، فإن هذا الفرق يقع بين و.
بالقسمة على ، يقع العدد الصحيح تمامًا بين و: فهو منعدم. إذن ، وبحسب المساواة المذكورة أعلاه، .
مثلًا، من أجل لدينا ، الذي يقع بين و: فيكون ، وتتمّ الزاوية دورتين تقريبًا في اتجاه عقارب الساعة لتنتهي عند ضلع .
يُسمّى العدد ردّ إلى الدورة الأولى. وبالدرجات، الاستدلال نفسه، مع بدلًا من ، يردّ أي زاوية إلى زاوية بين و، باستثناء هذه الأخيرة: مثلًا . وبالردّ تُعرف كل الزوايا التي تنتهي عند الضلع نفسه؛ وقبل ذلك يلزم معرفة أن الدورة الواحدة لا تمرّ بالنقطة نفسها مرتين، وهذا يُستنتج من مسلّمة السير.
إذا كان ، فإن .
تُفصل الحالات بحسب نصف الدورة الذي يقع فيه و: في كل منهما يكون الإحداثي السيني رتيبًا تمامًا؛ وبين أحدهما والآخر تتغيّر إشارة الإحداثي الصادي. ونكتب لإحداثيي .
البرهان
بحسب خاصة نصف الدورة، حين يتزايد من إلى يتناقص الإحداثي السيني لـ تناقصًا تامًّا من إلى ؛ وبحسب قضية نصف الدورة الثاني، حين يتزايد من إلى يتزايد تزايدًا تامًّا من إلى الإحداثي السيني لـ ، الذي هو بحسب الدورية .
في هذه الحالات لا ينعدم الإحداثي الصادي، لأن مربعه : فهو موجب في نصف الدورة الأول، لأنه غير سالب، وسالب في الثاني، لأنه غير موجب.
إذا كان و كلاهما في ، أو كلاهما في ، فإن للنقطتين إحداثيين سينيين مختلفين، بحسب الرتابة التامة في كل نصف دورة.
إذا كان ، فإن للنقطة إحداثيًا صاديًا سالبًا، في حين أن الإحداثي الصادي لـ ، في نصف الدورة الأول، غير سالب. وفي جميع الحالات تكون النقطتان مختلفتين.
تكون الزاويتان و مشتركتين في الضلع النهائي إذا وفقط إذا كان فرقهما مضاعفًا صحيحًا لـ ، أي إذا وُجد عدد صحيح بحيث . وبخاصة، تكونان مشتركتين في الضلع النهائي إذا وفقط إذا كان لهما الردّ نفسه إلى الدورة الأولى.
تُستبدل بكل زاوية ردُّها، وتقارن التوطئة المذكورة أعلاه بين الردّين.
البرهان
بحسب مبرهنة الردّ، و، مع و في ؛ وبحسب دورية السير، لا تغيّر الدورات الكاملة النقطة، والضلع النهائي لكل زاوية هو ضلع ردّها.
إذا كان ، فبحسب التوطئة المذكورة أعلاه تكون النقطتان و مختلفتين، وكذلك الضلعان النهائيان؛ وإذا كان الردّان متساويين، انطبق الضلعان. إذن تكون الزاويتان مشتركتين في الضلع النهائي إذا وفقط إذا كان لهما الردّ نفسه.
إذا كان الردّان متساويين، فالفرق مضاعف صحيح لـ . وفي المقابل، إذا كان ، فإن ، وبحسب وحدانية الردّ، .
ويترتّب على ذلك أن الزوايا المشتركة في الضلع النهائي مع هي بالضبط الزوايا التي على الشكل ، مع عدد صحيح، وأن ربع الزاوية يحدّده ردّها: فهي تقع في الربع الأول إذا كان ، وفي الثاني إذا كان ، وفي الثالث إذا كان ، وفي الرابع إذا كان ؛ وهي زاوية ربعية إذا كانت مساوية لـ أو أو أو . وهكذا تقع في الربع الأول، وتقع ، التي ردّها ، في الربع الرابع.
وأخيرًا، كل نقطة من دائرة الوحدة هي النقطة لزاوية ما: هذه خاصة التغطية في مسلّمة السير، التي تقول إن السير على الدائرة انطلاقًا من يمرّ بجميع نقاطها. وإذا كان الأمر كذلك، فبحسب الردّ إلى الدورة الأولى والدورية وتوطئة الزوايا المشتركة في الضلع النهائي، كل نقطة من دائرة الوحدة هي لـ وحيدة في ، والزوايا المقابلة لها هي بالضبط الزوايا المشتركة في الضلع النهائي مع تلك .
السرعة الزاوية والسرعة الخطية
حين يدور جسم حول محور، ترسم جميع نقاطه أقواسًا من دوائر مراكزها على المحور، وتدور جميعها الزاوية نفسها في الزمن نفسه. فإذا دار الجسم في زمن ، بمعدّل ثابت، زاوية ، فإن سرعته الزاوية هي النسبة ، وتُقاس بالراديان في الثانية؛ وتُعبَّر عنها أيضًا بالدورات في الدقيقة، ولأن الدورة الواحدة راديان والدقيقة ثانية، فإن دورة واحدة في الدقيقة تكافئ راديان في الثانية.
النقطة الواقعة على بعد من المحور تقطع، في ذلك الزمن، قوسًا طوله ، بحسب مبرهنة طول القوس. ولذلك فإن سرعتها الخطية، وهي النسبة بين المسافة المقطوعة والزمن، تساوي حاصل ضرب نصف القطر في السرعة الزاوية:
ويترتّب على ذلك أنه، في جسم يدور، تكون السرعة الزاوية واحدة لجميع النقاط، في حين تتزايد السرعة الخطية بالتناسب مع البعد عن المحور: فحافة قرص يدور تتحرّك أسرع من النقاط القريبة من المركز. وهذه العلاقة، الصحيحة فقط إذا قيست الزوايا بالراديان، هي نقطة انطلاق دراسة الحركة الدائرية في دورة أساسيات الميكانيكا. والعجلتان المتصلتان بسير أو بجنزير لا ينزلق، أو المتعشّقتان إحداهما بالأخرى، لهما عند نقطة التماس السرعة الخطية نفسها؛ ولذلك ، والعجلة الصغرى تدور أسرع، كما سيُرى في المسألة المحلولة 3.
مسائل محلولة
تقيس المسائل الأرض انطلاقًا من زاوية، وتحسب مساحة قطعة دائرية، وتنقل دورانًا عبر جنزير، وتبحث عن القطاع الأكبر مساحة لمحيط معطى، وتعدّ مرات انطباق عقربي الساعة. وكل منها يتطلّب فكرة خاصة به، يحسن البحث عنها قبل قراءة الحل.
نحو سنة 240 قبل الميلاد، لاحظ إراتوستينس أن الشمس عند ظهيرة الانقلاب الصيفي كانت تضيء قاع الآبار في أسوان، في حين أن الأشعة في الإسكندرية، الواقعة إلى الشمال، وعلى خط الطول نفسه كما افترض، كانت تصنع مع الشاقول زاوية قياسها 7 درجات و12 دقيقة. باعتبار المسافة بين المدينتين 800 km، احسب نصف قطر الأرض وطول خط الطول، وطول قوس خط الطول المقابل لدقيقة واحدة، والمسافة، على طول خط الطول، من خط الاستواء إلى نقطة دائرة عرضها .
الحل
الزاوية، معبَّرًا عنها بالدرجات، هي مضافًا إليها اثنا عشر جزءًا من ستين؛ وهي جزء من خمسين من الدورة، لأن .
لأن أشعة الشمس تصل متوازية وتسقط في أسوان في اتجاه نصف قطر الأرض، فإن الزاوية في الإسكندرية بين الشعاع والشاقول تساوي الزاوية التي يصنعها في مركز الأرض نصفا قطري المدينتين: إنهما زاويتان متبادلتان بين متوازيين. وهي بالراديان، بحسب قاعدة التحويل، ما يلي.
الـ 800 km هي قوس خط الطول الذي تحصره تلك الزاوية المركزية. ومن نعزل نصف القطر، وهو نحو 6366 km.
طول خط الطول هو طول الدائرة التي نصف قطرها ؛ وهو أيضًا مرة المسافة بين المدينتين.
الدقيقة جزء من ستين من الدرجة، أي راديان. وطول قوسها نحو 1,852 km: إنه الميل البحري، الذي عُرِّف بهذه الطريقة بالضبط.
دائرة عرض نقطة هي الزاوية التي يصنعها نصف قطرها مع مستوى خط الاستواء؛ و تساوي راديان. والمسافة المطلوبة نحو 3667 km.
عبّر إراتوستينس عن المسافة بالأستاديا، التي تُناقش قيمتها الدقيقة؛ وبالعدد المعتمد هنا، يكون طول خط الطول 40000 km، وليس ذلك مصادفة: ففي أواخر القرن الثامن عشر عُرِّف المتر بأنه جزء من عشرة ملايين من ربع خط الطول. ومن جهة أخرى، لا تقع الإسكندرية تمامًا شمال أسوان، بل نحو ثلاث درجات إلى الغرب، فلا يكون القوس الذي يصلهما قوسًا من خط الطول تمامًا.
وتر طرفاه و، في دائرة مركزها ونصف قطرها ، يحصر زاوية مركزية . احسب مساحة القطعة الدائرية المحدودة بالوتر والقوس الأصغر الذي طرفاه و، والكسر الذي تشغله من القرص.
الحل
القطعة هي ما يبقى من القطاع الذي رأسه وطرفاه و بعد نزع المثلث الذي رؤوسه و و. ومساحة القطاع تعطيها مبرهنة القطاع.
لهذا المثلث ضلعان يساويان نصف القطر: فهو متساوي الساقين، وزاويتاه عند وعند متساويتان. ولأن مجموع زوايا المثلث الثلاث ، بحسب الحقيقة المقبولة في هذا الدرس، فإن قياس كل منهما ، والمثلث متطابق الأضلاع، طول ضلعه .
الارتفاع النازل من يقطع القاعدة في منتصفها؛ وبحسب مبرهنة فيثاغورس، مربعه . ومساحة المثلث نصف القاعدة مضروبًا في الارتفاع.
مساحة القطعة هي الفرق، بمقام مشترك ؛ وهي موجبة، لأن .
بالقسمة على مساحة القرص، تشغل القطعة نحو 2,9 في المئة من القرص؛ ويشغل القطاع السدس، ويملأ المثلث نحو 83 في المئة من القطاع.
في دراجة، يصل الجنزير الترس الأمامي، الذي نصف قطره cm وتديره الدوّاسات، بالترس الخلفي، الذي نصف قطره cm والمثبَّت على محور العجلة الخلفية، التي نصف قطرها cm. إذا أدار راكب الدراجة الدوّاسة دورة واحدة في الثانية، فاحسب السرعة الزاوية للعجلة وسرعة الدراجة، على فرض أن الجنزير لا ينزلق وأن العجلة تتدحرج دون انزلاق.
الحل
الدورة الواحدة في الثانية هي راديان في الثانية: هذه هي السرعة الزاوية للترس الأمامي.
تتحرّك جميع نقاط الجنزير بالسرعة نفسها، وهي السرعة الخطية لحافة الترس الأمامي، بالسنتيمتر في الثانية.
يجرّ الجنزير حافة الترس الخلفي بالسرعة الخطية نفسها؛ ومن نحصل على السرعة الزاوية للترس الخلفي: دورتان ونصف في الثانية.
العجلة مثبَّتة على محور الترس الخلفي وتدور بسرعته الزاوية نفسها، لكن حافتها أبعد كثيرًا عن المحور، وسرعتها الخطية أكبر كثيرًا، بالسنتيمتر في الثانية.
إذا لم تنزلق العجلة، تتقدّم الدراجة في كل دورة بمقدار محيط العجلة، الذي يرتكز على الأرض جزءًا بعد جزء: فسرعتها هي سرعة حافة العجلة. والسنتيمتر في الثانية يساوي كيلومتر في الساعة، فتسير الدراجة بنحو 19,8 كيلومترًا في الساعة.
يُصنع بسلك طوله محيط قطاع دائري: نصفا قطرين والقوس الذي يصلهما. أوجد نصف القطر وزاوية القطاع الأكبر مساحة، وقيمة تلك المساحة.
الحل
إذا كان نصف القطر والزاوية ، فإن المحيط يتألّف من نصفي قطرين ومن قوس طوله .
بحسب مبرهنة القطاع، المساحة نصف نصف القطر مضروبًا في القوس: إنها دالة تربيعية في نصف القطر.
يجب أن يكون القوس موجبًا وغير أكبر من الدائرة كلها، أي ؛ ومن و تنتج فترة أنصاف الأقطار الممكنة.
بإكمال المربع، تكون المساحة عددًا ثابتًا ناقص مربع. وتمثيلها البياني، بدلالة ، هو القطع المكافئ ، الذي تتّجه فتحته إلى الأسفل؛ وبحسب مبرهنة الرأس في الدرس الخاص بـتوصيف القطوع المكافئة من دورة الجبر والهندسة 1، أعلى نقطة فيه هي الرأس.
الإحداثي السيني للرأس، ، ينتمي إلى فترة أنصاف الأقطار الممكنة، لأن . إذن تُبلغ المساحة العظمى بالضبط عند نصف القطر هذا.
طول القوس المقابل ، والزاوية هي النسبة بين القوس ونصف القطر: راديان، أي نحو 114,6 درجة، أيًّا كان . ومن اللافت أن المساحة العظمى هي مساحة المربع الذي محيطه .
احسب الزاوية التي يصنعها عقربا ساعة عند 3:40. ثم برهن أنه، بين الساعة 12:00 والساعة 12:00 التي تليها (باستثناء هذه الأخيرة)، ينطبق العقربان إحدى عشرة مرة بالضبط، تفصل بينها فترات زمنية متساوية طول كل منها ساعة.
الحل
نقيس وضع كل عقرب بالزاوية، بالدرجات وفي اتجاه عقارب الساعة، التي دارها منذ 12:00. بعد ساعة، يكون عقرب الدقائق قد أتمّ دورة، ويكون عقرب الساعات، الذي يتمّ دورة كل 12 ساعة، قد دار في الساعة.
عند 3:40 يكون قد مرّ ساعة. وقد أتمّ عقرب الدقائق ثلاث دورات كاملة، لا تغيّر وضعه، فهو عند ردّ زاويته.
لم يتمّ عقرب الساعات أي دورة.
الفرق بين الوضعين المردودين أصغر من ، فهو الزاوية التي يصنعها العقربان، بالدرجات وبالراديان.
ينطبق العقربان حين تكون زاويتاهما مشتركتين في الضلع النهائي، أي، بحسب توطئة الزوايا المشتركة في الضلع النهائي، حين يكون فرقهما مضاعفًا صحيحًا للدورة.
الشرط يكافئ : فهناك إحدى عشرة حالة انطباق بالضبط، من أجل ، وتفصل بين كل حالتين متعاقبتين ساعة، أي نحو ساعة و5 دقائق و27 ثانية. وأوضاع عقرب الساعات، درجة، هي رؤوس مضلّع منتظم ذي أحد عشر ضلعًا.
مسائل مقترحة
تتبع المسائل أفكار الدرس: تحويل قطاع إلى مخروط، وتقدير طول حلزون بجمع دوائر، وتفكيك شريط إلى أجزاء مستقيمة وأقواس تُجمع زواياها المركزية، وردّ الزوايا إلى الدورة الأولى بواسطة الزوايا المشتركة في الضلع النهائي لعدّ الأوضاع واللحظات. ولكل منها تلميح، يحسن ألا يُفتح إلا بعد المحاولة؛ ولمسائل البرهان، فوق ذلك، حلّ مفصّل.
يُقصّ من ورقة قطاع دائري نصف قطره cm وزاويته ، ويُلصق نصفا قطريه لتكوين السطح الجانبي لمخروط. احسب نصف قطر القاعدة وارتفاع المخروط.
تلميح
يصير قوس القطاع دائرة القاعدة، ويصير نصف قطر القطاع المسافة من رأس المخروط إلى أي نقطة من تلك الدائرة. ثم يُحصل على الارتفاع بمبرهنة فيثاغورس.
الإجابة
نصف قطر القاعدة cm والارتفاع cm.
في القرص المدمج، تُسجَّل المعلومات على طول مسار واحد حلزوني الشكل، يبدأ على بعد 2,3 cm من المركز وينتهي على بعد 5,8 cm؛ والمسافة بين لفّتين متتاليتين من الحلزون 1,6 ميكرومتر. ويقطع القارئ المسار بسرعة خطية ثابتة قدرها 1,2 متر في الثانية. قدّر طول المسار ومدة القراءة الكاملة، مقرّبًا كل لفّة من الحلزون بدائرة مركزها على محور القرص.
تلميح
إذا كان و نصفي القطر الابتدائي والنهائي، و المسافة بين اللفّات، فعدد اللفّات ، وأنصاف أقطارها و و، وهكذا. وأطوالها تكوّن متوالية حسابية، حُسب مجموعها في الدرس الخاص بـالمجاميع والمتواليات والاستقراء من دورة الجبر والهندسة 1؛ والنتيجة قريبة جدًا من مساحة الطوق الدائري مقسومة على المسافة بين اللفّات. انتبه إلى الوحدات.
الإجابة
يلتفّ الحلزون لفّات عددها ، وطوله تقريبًا ما يلي، أي نحو 5,57 km؛ وتدوم القراءة الكاملة نحو 4640 ثانية، أي نحو 77 دقيقة.
توضع ثلاثة أنابيب أسطوانية متساوية، نصف قطر كل منها ، متوازية، يستند كل منها إلى الأنبوبين الآخرين، وتُربط بشريط مشدود يحيط بها. برهن أن طول الشريط ، واحسب طوله لأنابيب نصف قطرها 5 cm.
تلميح
في مستوى عمودي على الأنابيب، يكوّن كل جزء مستقيم من الشريط مستطيلًا مع نصفي القطرين المرسومين إلى نقطتي تماسه ومع ضلع من مثلث المراكز. وللأقواس، احسب الزاوية المركزية التي يحيط بها الشريط على كل أنبوب، واستعمل مجموع زوايا المثلث.
الإجابة
يتألّف الشريط من ثلاثة أجزاء مستقيمة طول كل منها ومن ثلاثة أقواس تكوّن معًا دائرة كاملة. ومن أجل يكون طوله cm، أي نحو 61,4 cm.
الحل المفصل
الحل
نقطع الحزمة بمستوى عمودي على الأنابيب: فنرى ثلاث دوائر نصف قطر كل منها ، مراكزها و و. والدائرتان المتماسّتان من الخارج يكون البعد بين مركزيهما مساويًا لمجموع نصفي قطريهما، فيكون مثلث المراكز متطابق الأضلاع، طول ضلعه .
يمسّ كل جزء مستقيم من الشريط أنبوبين، مثلًا الأنبوبين اللذين مركزاهما و، في نقطتين و. ونصف القطر المرسوم إلى نقطة التماس عمودي على المماس، بحسب الدرس الخاص بـالدائرة من دورة الجبر والهندسة 1؛ ونصفا القطرين و عموديان على المستقيم نفسه، ومتساويان، وفي جهة واحدة منه، فيكون الرباعي الذي رؤوسه و و و مستطيلًا. وطول كل جزء مستقيم يساوي طول ضلع من المثلث.
على الأنبوب الذي مركزه ، يحيط الشريط بالقوس الواقع بين نقطتي تماس الجزأين المستقيمين اللذين يصلان إليه. ونصفا القطرين المرسومان إلى هاتين النقطتين يصنعان زاويتين قائمتين مع الضلعين و؛ ومع زاوية المثلث عند والزاوية المركزية للقوس، يكمل الجميع دورة كاملة حول ، بحسب مجموع الزوايا المتجاورة.
ويحدث الأمر نفسه على الأنبوبين الآخرين، مع زاويتي المثلث و. وبحسب مبرهنة طول القوس، مجموع الأقواس الثلاثة ما يلي، ولأن مجموع زوايا المثلث ، فإنها تكوّن معًا دائرة كاملة؛ وهنا كل منها الثلث، لأن .
طول الشريط مجموع الأجزاء المستقيمة والأقواس. وحساب الأقواس لا يستعمل كون المثلث متطابق الأضلاع: فالجزء المنحني من شريط مشدود حول ثلاثة أنابيب متساوية مجموعه دائمًا دائرة كاملة. ومن أجل ، يكون طول الشريط نحو 61,4 cm.
تدور عجلة مسنّنة، في كل قفزة، زاوية عكس اتجاه عقارب الساعة. برهن أنها تعود أول مرة إلى وضعها الابتدائي بعد قفزات عددها ، وأنها في هذه القفزات تأخذ أوضاعًا مختلفة عددها . ثم عمّم: إذا كانت كل قفزة كسرًا من الدورة، مع و أوليين فيما بينهما، فكم وضعًا مختلفًا تأخذ؟
تلميح
بحسب توطئة الزوايا المشتركة في الضلع النهائي، تترك القفزتان و العجلة في الوضع نفسه إذا وفقط إذا كان مضاعفًا لـ ، أي إذا كان يقسم . استعمل أن و أوليان فيما بينهما، كما في الدرس الخاص بـالقاسم المشترك الأكبر والمضاعف المشترك الأصغر من دورة الجبر والهندسة 1.
الإجابة
تعطي قفزتان الوضع نفسه إذا وفقط إذا كان فرق رتبتيهما مضاعفًا لـ ؛ وعمومًا تأخذ العجلة أوضاعًا مختلفة عددها ، وتعود إلى الوضع الابتدائي أول مرة عند القفزة .
الحل المفصل
الحل
بعد قفزات عددها ، تكون العجلة قد دارت درجة. وبحسب توطئة الزوايا المشتركة في الضلع النهائي، تتركها القفزتان و في الوضع نفسه إذا وفقط إذا كان فرق الزاويتين مضاعفًا صحيحًا للدورة؛ وبالقسمة على ، يصير الشرط أن يكون مضاعفًا لـ .
فيكون العدد الصحيح حينئذ مضاعفًا لـ ولـ ، وهما أوليان فيما بينهما؛ وبحسب توطئة المضاعفات المشتركة في الدرس الخاص بـالقاسم المشترك الأكبر من دورة الجبر والهندسة 1، يكون مضاعفًا لـ ، ويكون مضاعفًا لـ . وفي المقابل، إذا كان ، فإن الزاويتين تختلفان بدورات عددها .
بين القفزتين و، لا يكون أي فرق مضاعفًا لـ : فتأخذ العجلة أوضاعًا مختلفة عددها . وعند القفزة تكون قد دارت ، أي خمس دورات كاملة، وتعود أول مرة إلى الوضع الابتدائي؛ ومن هناك تكرّر الأوضاع نفسها بالترتيب نفسه.
عمومًا، إذا كانت كل قفزة هي الكسر من الدورة، فإن القفزتين و تعطيان الوضع نفسه إذا وفقط إذا كان عددًا صحيحًا، أي إذا كان يقسم . ومع و أوليين فيما بينهما، تعطي التوطئة نفسها أن يقسم ، وأن يقسم : فتأخذ العجلة بالضبط أوضاعًا عددها وتعود إلى الوضع الابتدائي أول مرة عند القفزة . والكسر يعطي الحالة المذكورة أعلاه.
برهن أنه، بين الساعة 12:00 والساعة 12:00 التي تليها (باستثناء هذه الأخيرة)، يصنع عقربا الساعة زاوية قائمة عددًا من المرات قدره بالضبط، وأوجد تلك اللحظات.
تلميح
بترميزات المسألة المحلولة 5، يصنع العقربان زاوية قائمة حين يكون الفرق مشتركًا في الضلع النهائي مع أو مع ، أي حين يكون لعدد صحيح ما .
الإجابة
اللحظات هي ما يلي، بالساعات بعد 12:00، مع ؛ وأولاها نحو 12:16، ومن بينها 3:00 و9:00.
الحل المفصل
الحل
كما في المسألة المحلولة 5، بعد ساعة يكون عقرب الدقائق قد دار درجة وعقرب الساعات ، في اتجاه عقارب الساعة ابتداءً من 12:00؛ والفرق بين وضعيهما درجة.
يصنع العقربان زاوية قائمة إذا وفقط إذا كان هذا الفرق مشتركًا في الضلع النهائي مع أو مع ، أي إذا كان أو لعدد صحيح ما . والعائلتان معًا هما الأعداد : القيم الزوجية لـ تعطي الأولى، والفردية الثانية.
بعزل وتبسيط الكسر على نحصل على اللحظات.
الشرط يكافئ ، أي : فهناك بالضبط لحظات عددها ، مختلفة لأن يتزايد مع . ومع نحصل على ، أي نحو 16 دقيقة و22 ثانية؛ ومع و، على 3:00 و9:00. وأوضاع عقرب الساعات المقابلة، درجة، موزّعة بانتظام على وجه الساعة.
بهذا الدرس تصير الزوايا مقيسة وموضوعة في المستوى. وفي الدرس اللاحق، الخاص بـالنسب المثلثية، ستعرّف إحداثيات النقطة من دائرة الوحدة جيب تمام أي زاوية وجيبها، وسيفسّر الردّ إلى الدورة الأولى والزوايا المشتركة في الضلع النهائي دوريتهما.