فيديو الدرس: التحويل بين الصورتين الديكارتية والقطبية للمعادلات الرياضيات

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سنتعلم كيفية الاستعانة بفهمنا للإحداثيات القطبية والديكارتية للتحويل بين الصورتين القطبية والديكارتية للمعادلات. سنتناول هنا كيف يمكن لهاتين الطريقتين مساعدتنا في التعرف على التمثيلات البيانية للمعادلات المكتوبة بالصورة القطبية عن طريق تحويلها إلى الصورة الديكارتية أو الإحداثية ومن ثم تفسيرها.

تذكر أن النظام الإحداثي القطبي هو طريقة لوصف نقاط في المستوى باستخدام البعد بينها وبين نقطة الأصل أو القطب، والزاوية التي يصنعها الخط الواصل بين هذه النقطة ونقطة الأصل مع الجزء الموجب من المحور الأفقي، وتقاس باتجاه عكس دوران عقارب الساعة. نكتب ذلك على صورة ﻝ𝜃؛ حيث ﻝ هو المسافة من نقطة الأصل إلى تلك النقطة و𝜃 هي تلك الزاوية.

نقوم بالتحويل من الصورة القطبية إلى الصورة الديكارتية باستخدام الصيغتين ﺱ يساوي ﻝ جتا 𝜃 وﺹ يساوي ﻝ جا 𝜃. وهاتان المعادلتان مناسبتان لجميع قيم ﻝ و𝜃. والصيغتان العكسيتان هما ﻝ تربيع يساوي ﺱ تربيع زائد ﺹ تربيع وظا 𝜃 يساوي ﺹ مقسومًا على ﺱ.

الآن في هذه الحالة، نحتاج إلى أن نكون حذرين بعض الشيء عند تحديد قيمة 𝜃؛ لأن هذه الطريقة تصلح للإحداثيات الواقعة في الربع الأول. لكن في الأرباع الأخرى، يمكن أن تعطينا الآلة الحاسبة قيمة خاطئة. ولدينا بالفعل مجموعة قواعد يمكننا اتباعها لحساب القيمة الفعلية لـ 𝜃. ومع ذلك، لا نحتاج إلى هذه الصيغة في هذا الفيديو. إذ نريد معرفة كيفية التحويل بين المعادلات القطبية، حيث ﻝ دالة ما في 𝜃، وبين المعادلات الديكارتية أو الإحداثية، حيث ﺹ دالة ما في ﺱ. ولكننا نستخدم الصيغ الثلاث الأخرى بالفعل لإجراء هذه التحويلات. دعونا نرى كيف يكون ذلك.

حول المعادلة ﺱ تربيع زائد ﺹ تربيع يساوي ٢٥ إلى الصورة القطبية.

تذكر أننا نقوم بتحويل الإحداثيات القطبية إلى الإحداثيات الديكارتية أو المتعامدة باستخدام الصيغتين ﺱ يساوي ﻝ جتا 𝜃 وﺹ يساوي ﻝ جا 𝜃. وهما مناسبتان لجميع قيم ﻝ و𝜃. في المعادلة الأصلية، لدينا ﺱ تربيع وﺹ تربيع. إذن، فلنستخدم الصيغتين الخاصتين بـ ﺱ وﺹ لكتابة ﺱ تربيع وﺹ تربيع بدلالة ﻝ و𝜃.

بما أن ﺱ يساوي ﻝ جتا 𝜃، إذن ﺱ تربيع يساوي ﻝ جتا 𝜃 الكل تربيع، ويمكننا فك القوس لنحصل على ﺱ تربيع يساوي ﻝ تربيع في جتا تربيع 𝜃. وبالمثل، نجد أن ﺹ تربيع يساوي ﻝ جا 𝜃 الكل تربيع، وهو ما يساوي ﻝ تربيع جا تربيع 𝜃.

والآن، المعادلة الأصلية تقول إن مجموع هذين الحدين هو ٢٥. لذا يمكننا القول إن ﻝ تربيع جتا تربيع 𝜃 زائد ﻝ تربيع جا تربيع 𝜃 يساوي ٢٥. خطوتنا التالية هي أخذ ﻝ تربيع عاملًا مشتركًا في الطرف الأيمن لهذه المعادلة. إذن، ﻝ تربيع في جتا تربيع 𝜃 زائد جا تربيع 𝜃 يساوي ٢٥. لكن لماذا فعلنا ذلك؟

حسنًا، من المفيد الآن أن تحفظ بعض المتطابقات المثلثية عن ظهر قلب. نعرف أن جتا تربيع 𝜃 زائد جا تربيع 𝜃 يساوي واحدًا لجميع قيم 𝜃. لذا، يمكننا التعويض عن جتا تربيع 𝜃 زائد جا تربيع 𝜃 في المعادلة بواحد. إذن، ﻝ تربيع في واحد يساوي ٢٥. لكننا لا نحتاج هذا الواحد. ‏ﻝ تربيع يساوي ببساطة ٢٥. نحل هذه المعادلة بأخذ الجذر التربيعي لكلا الطرفين. ونجد أن ﻝ يساوي خمسة.

تذكر أننا نأخذ عادة كلًّا من موجب وسالب الجذر التربيعي لـ ٢٥. لكن نظرًا إلى أن ﻝ يمثل طولًا، فلن نحتاج إلى ذلك. إذن، ﺱ تربيع زائد ﺹ تربيع يساوي ٢٥، هو نفسه ﻝ يساوي خمسة بالصورة القطبية.

والآن إذا فكرنا فيما نعرفه عن المعادلة ﺱ تربيع زائد ﺹ تربيع يساوي ٢٥ والإحداثيات القطبية، فسنجد أن الحل منطقي جدًّا. فالمعادلة ﺱ تربيع زائد ﺹ تربيع يساوي ٢٥ تمثل دائرة مركزها نقطة الأصل، ونصف قطرها هو الجذر التربيعي لـ ٢٥؛ أي خمسة. يمكننا أيضًا التفكير فيما تعنيه المعادلة ﻝ يساوي خمسة بالصورة القطبية. حسنًا، إنها جميع النقاط التي تبعد عن نقطة الأصل بمقدار خمس وحدات.

والآن بالطبع إذا عدنا إلى ما نعرفه عن المحل الهندسي أو المحال، فسيتبين أن هذه الصورة هي دائرة مركزها نقطة الأصل ونصف قطرها يساوي خمسة. والآن لنلق نظرة على تحويل معادلة بالصورة القطبية إلى الصورة الديكارتية.

حول المعادلة القطبية ﻝ يساوي أربعة جتا 𝜃 ناقص ستة جا 𝜃 إلى الصورة الديكارتية.

تذكر أننا نحول من الإحداثيات القطبية إلى الإحداثيات الديكارتية أو المتعامدة باستخدام الصيغتين التاليتين. ‏ﺱ يساوي ﻝ جتا 𝜃 وﺹ يساوي ﻝ جا 𝜃. وهما مناسبتان لجميع قيم ﻝ و𝜃. وهدفنا هنا هو إعادة كتابة كلتا المعادلتين للحصول على معادلتين تعبران عن جتا 𝜃 وجا 𝜃.

حسنًا، إذا قسمنا طرفي المعادلة الأولى على ﻝ، فسنجد أن جتا 𝜃 يساوي ﺱ على ﻝ. وبالمثل، بقسمة الطرفين على ﻝ في المعادلة الثانية، نجد أن جا 𝜃 يساوي ﺹ على ﻝ. من ثم يمكننا التعويض عن جتا 𝜃 بـ ﺱ على ﻝ، والتعويض عن جا 𝜃 بـ ﺹ على ﻝ في المعادلة القطبية الأصلية. ونجد أن ﻝ يساوي أربعة في ﺱ على ﻝ ناقص ستة في ﺹ على ﻝ. ونبسط ذلك إلى أربعة ﺱ على ﻝ ناقص ستة ﺹ على ﻝ.

بعد ذلك، نضرب الطرفين في ﻝ. ونجد أن ﻝ تربيع يساوي أربعة ﺱ ناقص ستة ﺹ. ولكن من الواضح أننا لم ننته بعد. فنحن نريد التحويل إلى الصورة الديكارتية. وعادة ما تكون على الصورة ﺹ يساوي دالة ما في ﺱ، إلا أننا نبحث بالأساس عن معادلة يكون فيها ﺱ وﺹ هما المتغيرين الوحيدين. لذا، يمكننا تذكر صيغة التحويل الأخرى التي نستخدمها لتحويل الإحداثيات الديكارتية إلى إحداثيات قطبية. إنها ﻝ تربيع يساوي ﺱ تربيع زائد ﺹ تربيع. نلاحظ الآن أن بإمكاننا التعويض عن ﻝ تربيع بـ ﺱ تربيع زائد ﺹ تربيع. إذن، ﺱ تربيع زائد ﺹ تربيع يساوي أربعة ﺱ ناقص ستة ﺹ.

لقد أوشكنا على الانتهاء. لعلك تميز هذه المعادلة. سنعيد كتابتها باستخدام طريقة إكمال المربع. نطرح أربعة ﺱ من الطرفين ونضيف ستة ﺹ. ثم سنكمل المربع لكل من ﺱ وﺹ. نقسم معامل ﺱ على اثنين، لنحصل على سالب اثنين، ثم نطرح سالب اثنين تربيع. أي نطرح أربعة. وبالمثل، نقسم معامل ﺹ على اثنين، لنحصل على ثلاثة، ثم نطرح ثلاثة تربيع؛ أي تسعة. وبالطبع كل هذا يساوي صفرًا. سالب أربعة ناقص تسعة يساوي سالب ١٣. لذا، نضيف ١٣ إلى طرفي المعادلة. إذن بالصورة الديكارتية، المعادلة هي ﺱ ناقص اثنين الكل تربيع زائد ﺹ زائد ثلاثة الكل تربيع يساوي ١٣.

ويعد هذا الأسلوب مفيدًا للغاية؛ حيث يساعدنا في التعرف على شكل التمثيل البياني. لا يمكننا بسهولة تحديد شكل التمثيل البياني الذي معادلته ﻝ يساوي أربعة جتا 𝜃 ناقص ستة جا 𝜃. لكننا نعرف بالفعل أن الدائرة التي مركزها ﺃ وﺏ ونصف قطرها هو ﻝ معادلتها ﺱ ناقص ﺃ الكل تربيع زائد ﺹ ناقص ﺏ الكل تربيع يساوي ﻝ تربيع. إذن المعادلة القطبية، التي لها أيضًا صورة إحداثية هي ﺱ ناقص اثنين الكل تربيع زائد ﺹ زائد ثلاثة الكل تربيع يساوي ١٣، لا بد أنها دائرة مركزها اثنان، سالب ثلاثة، ونصف قطرها هو الجذر التربيعي لـ ١٣. لنلق نظرة على مثال مشابه.

لديك المعادلة الديكارتية ﺱ تربيع ناقص ﺹ تربيع يساوي ٢٥. حول المعادلة المعطاة إلى الصورة القطبية. يطلب منا الجزء الثاني من هذه المسألة تحديد أي من الأشكال التوضيحية التالية يمثل المعادلة.

نبدأ بتذكر أنه يمكننا التحويل من الإحداثيات القطبية إلى الإحداثيات الديكارتية باستخدام الصيغتين ﺱ يساوي ﻝ جتا 𝜃 وﺹ يساوي ﻝ جا 𝜃. تحتوي المعادلة التي لدينا على ﺱ تربيع وﺹ تربيع. لذا، لنقم بتربيع هاتين الصيغتين. وعندما نفعل ذلك، نجد أن ﺱ تربيع يساوي ﻝ تربيع جتا تربيع 𝜃 وﺹ تربيع يساوي ﻝ تربيع جا تربيع 𝜃. نعلم أن الفرق بين هذين يساوي ٢٥. وذلك من المعادلة الديكارتية. إذن، ﻝ تربيع جتا تربيع 𝜃 ناقص ﻝ تربيع جا تربيع 𝜃 يساوي ٢٥.

يمكننا بعد ذلك أخذ ﻝ تربيع عاملًا مشتركًا. إذن، ﻝ تربيع في جتا تربيع 𝜃 ناقص جا تربيع 𝜃 يساوي ٢٥. لكننا نعلم أن جتا اثنين 𝜃 يساوي جتا تربيع 𝜃 ناقص جا تربيع 𝜃. لذا، سنعوض عن جتا تربيع 𝜃 ناقص جا تربيع 𝜃 بـ جتا اثنين 𝜃. ونستنتج من ذلك أن ﻝ تربيع في جتا اثنين 𝜃 يساوي ٢٥. ويمكننا بعد ذلك قسمة طرفي المعادلة على جتا اثنين 𝜃. وبالطبع، واحد على جتا 𝜃 يساوي قا 𝜃. إذن، نجد أن ﻝ تربيع يساوي ٢٥قا اثنين 𝜃.

بالنسبة للجزء الثاني، نحتاج إلى تحديد أي من الأشكال التوضيحية التالية يمثل المعادلة. الآن، لن يكون من السهل رسم التمثيل البياني للمعادلة ﻝ تربيع يساوي ٢٥قا اثنين 𝜃. لكننا بالفعل نعرف الشكل العام للتمثيل البياني للمعادلة ﺱ على ﺃ الكل تربيع ناقص ﺹ على ﺏ الكل تربيع يساوي واحدًا. إنه قطع زائد قياسي، مركزه نقطة الأصل، ورأساه عند موجب أو سالب ﺃ، صفر، ورأساه المرافقان عند صفر، موجب أو سالب ﺏ.

دعونا نعيد ترتيب المعادلة لنساويها بالواحد. للقيام بذلك، نقسم الطرفين على ٢٥. وبما أن ٢٥ هو خمسة تربيع، يمكننا كتابة ذلك على صورة ﺱ على خمسة الكل تربيع ناقص ﺹ على خمسة الكل تربيع يساوي واحدًا. نعلم أن لدينا قطعًا زائدًا قياسيًّا، رأسه عند موجب أو سالب خمسة، صفر. وفي الواقع، هناك تمثيل بياني واحد يحقق ذلك. إنه التمثيل البياني أ. ومن المفيد معرفة أنه إذا صعب علينا التعرف على الشكل، يمكننا التعويض ببعض قيم ﺱ أو ﺹ في المعادلة وتمثيل الأزواج المرتبة الناتجة.

والآن لنلق نظرة على مثال آخر يتضمن كيفية رسم تمثيل بياني.

ارسم التمثيل البياني لـ ﻝ يساوي اثنين قتا 𝜃.

لدينا هنا معادلة قطبية. وليس من السهل استنتاج شكل التمثيل البياني لهذه الدالة. لذا، سنقوم بدلًا من ذلك بالتحويل إلى الصورة الديكارتية أولًا. نتذكر أن قتا 𝜃 هي واحد على جا 𝜃. كما نعلم أن إحدى الصيغ التي نستخدمها للتحويل من الصورة القطبية إلى الصورة الديكارتية هي الصيغة ﺹ يساوي ﻝ جا 𝜃. بقسمة الطرفين على ﻝ، نجد أن الصيغة الثانية تكافئ جا 𝜃 يساوي ﺹ على ﻝ. إذن، قتا 𝜃 يكافئ واحدًا على ﺹ على ﻝ.

حسنًا، عند القسمة على كسر، نضرب في مقلوب ذلك الكسر. إذن، يمكننا القول إن قتا 𝜃 يجب أن يساوي ﻝ على ﺹ. وبالتعويض عن قتا 𝜃 بـ ﻝ على ﺹ في المعادلة الأصلية، نجد أن ﻝ يساوي اثنين في ﻝ على ﺹ. لنقسم الطرفين على ﻝ. نحصل على واحد يساوي اثنين على ﺹ. بعد ذلك نضرب الطرفين في ﺹ. ونجد أن المعادلة بالصورة الديكارتية هي ﺹ يساوي اثنين. وبالطبع، يمكننا الآن رسمها بسهولة. فهي ببساطة الخط الأفقي الذي يقطع المحور ﺹ عند اثنين. هذا مثال جيد على كون التحويل إلى الصورة الديكارتية يسهل كثيرًا رسم التمثيل البياني لمعادلة معطاة بالصورة القطبية.

في هذا الفيديو، تعلمنا أنه باستخدام صيغ التحويل بين الإحداثيات القطبية والديكارتية يمكننا بسهولة شديدة التحويل بين المعادلات القطبية والديكارتية. كما تعلمنا أن هذه الطريقة يمكن أن تساعدنا في رسم تمثيلات بيانية أكثر تعقيدًا معطاة بالصورة القطبية.