تمرين هندسة في الفضاء — 8 أساسي

النص المستخرج من الصورة:
يمثّل الشكل المقابل متوازي المستطيلات ABCDEFGH و M نقطة من [DH].
  1. بيّن أن المستويين (AMG) و (BFG) متقاطعان.
  2. ليكن \(\Delta=(AMG)\cap(BFG)\). بيّن أن \(\Delta\) و (AM) متوازيان.
  3. أ- عيّن نقطة تقاطع \(\Delta\) و المستقيم (BF).
    ب- بيّن أن (ABF)\cap(AMG)=(AK).
    ج- بيّن أن (AK)//(MG).
  4. استنتج طبيعة الرباعي AMGK.
  5. بيّن أن الرباعي ABGH هو متوازي الأضلاع.
  6. تعتبر O مركز متوازي الأضلاع ABGH. أثبت أن المستقيم (BH) هو قاطع للمستوي (AMG) في النقطة O.
ملاحظة: الشكل ثلاثي الأبعاد تفاعلي. يمكن تدوير كل رسم بالفأرة أو باللمس.

الفكرة العامة قبل البداية

لدينا متوازي مستطيلات. نحتاج إلى دراسة مستويات ومستقيمات. أهم قاعدة سنستعملها مرارا هي: إذا اشترك مستويان في نقطة واحدة فقط فهذا لا يكفي للحكم بأنهما متقاطعان في مستقيم، لكن إذا اشتركا في نقطة وكانا غير منطبقين فهما متقاطعان وفق مستقيم. كذلك إذا احتوى كل من مستويين متقاطعين على مستقيمين متوازيين، فإن مستقيم تقاطعهما يكون موازيا لهما.

1) بيّن أن المستويين (AMG) و (BFG) متقاطعان.
تحديد نقطة مشتركة: النقطة G تنتمي إلى المستوى (AMG) لأن هذا المستوى معرّف بالنقط A,M,G. وهي أيضا تنتمي إلى المستوى (BFG) لأن هذا المستوى معرّف بالنقط B,F,G.
إثبات أنهما غير منطبقين: النقطة A تنتمي إلى (AMG). أما A فلا تنتمي إلى (BFG)؛ لأن (BFG) هو مستوى الوجه الخلفي لمتوازي المستطيلات، بينما A رأس من الوجه الأمامي.
الاستنتاج: بما أن المستويين يشتركان في النقطة G ولا ينطبقان، فهما متقاطعان وفق مستقيم يمر من G.
إذن: (AMG) و (BFG) متقاطعان.
إبراز المستويين المتقاطعين في G
2) ليكن \(\Delta=(AMG)\cap(BFG)\). بيّن أن \(\Delta\) و (AM) متوازيان.
نبحث عن مستقيم داخل المستوى الخلفي مواز لـ (AM): في متوازي المستطيلات، الوجهان (AED) و (BFG) متوازيان. والمستقيم (AM) موجود داخل المستوى (AED) لأن A و M ينتميان إلى هذا الوجه العلوي/الأمامي بحسب الرسم.
رسم المستقيم الموازي: نرسم في المستوى (BFG) مستقيما يمر من G ويوازي (AM). هذا المستقيم هو بالضبط مستقيم التقاطع \(\Delta\)، لأنه يمر من النقطة المشتركة G وينتمي إلى المستويين حسب خاصية المستويات المتوازية.
صياغة دقيقة: إذا قطع مستوى ثالث مستويين متوازيين، فإن مستقيمي التقاطع يكونان متوازيين. هنا المستوى الثالث هو (AMG). تقاطعه مع (AED) هو (AM)، وتقاطعه مع (BFG) هو \(\Delta\).
إذن: \(\Delta // (AM)\).
ظهور Δ داخل المستوى (BFG) وموازاته لـ AM
3) أ- عيّن نقطة تقاطع \(\Delta\) و (BF). ب- بيّن أن (ABF)\cap(AMG)=(AK). ج- بيّن أن (AK)//(MG).
أ- تعيين K: نرسم المستقيم \(\Delta\) في المستوى (BFG) مارا من G وموازيا لـ (AM). هذا المستقيم يقطع المستقيم (BF) في نقطة نرمز لها بـ K. إذن K=\Delta\cap(BF).
ب- إثبات تقاطع المستويين: النقطة A تنتمي إلى المستويين (ABF) و (AMG). كذلك K تنتمي إلى (BF)، ومنه K\in(ABF). وبما أن K\in\Delta و \Delta\subset(AMG) فإن K\in(AMG).
الاستنتاج في ب: المستويان (ABF) و (AMG) يشتركان في النقطتين المتميزتين A و K، لذلك يكون تقاطعهما هو المستقيم (AK).
ج- إثبات التوازي: نلاحظ أن (MG) ينتمي إلى المستوى (DCG)، وأن (AK) ينتمي إلى المستوى (ABE). والوجهان (ABE) و (DCG) متوازيان في متوازي المستطيلات. وبما أن المستوي (AMG) يقطعهما في المستقيمين (AK) و (MG)، فإن هذين المستقيمين متوازيان.
إذن: (ABF)\cap(AMG)=(AK) و (AK)//(MG).
ظهور K ثم المستقيم AK والتوازي مع MG
4) استنتج طبيعة الرباعي AMGK.
المعطى من السؤال 2: لدينا \(\Delta//(AM)\). وبما أن K و G نقطتان من \Delta، فإن (KG)=\Delta. وبالتالي (KG)//(AM).
المعطى من السؤال 3: أثبتنا أن (AK)//(MG).
تطبيق معيار متوازي الأضلاع: إذا كان في رباعي كل ضلعين متقابلين متوازيين، فهو متوازي أضلاع. في الرباعي AMGK لدينا AM//KG و AK//MG.
إذن الرباعي AMGK هو متوازي أضلاع.
الرباعي AMGK كمتوازي أضلاع
5) بيّن أن الرباعي ABGH هو متوازي الأضلاع.
مقارنة الضلعين AB و HG: في متوازي المستطيلات، الأحرف المتوازية والمتقابلة تكون متوازية ومتقايسة. لذلك AB//HG و AB=HG.
معيار كاف: إذا كان في رباعي ضلعان متقابلان متوازيين ومتقايسين، فإن الرباعي متوازي أضلاع. هنا الضلعان هما [AB] و [HG].
لماذا هذا صحيح هندسيا؟ لأن الانتقال من A إلى B هو نفس الاتجاه والطول مثل الانتقال من H إلى G. إذن يغلق الرباعي على شكل متوازي أضلاع.
إذن الرباعي ABGH هو متوازي أضلاع.
الرباعي ABGH داخل متوازي المستطيلات
6) تعتبر O مركز متوازي الأضلاع ABGH. أثبت أن المستقيم (BH) هو قاطع للمستوي (AMG) في النقطة O.
مركز متوازي الأضلاع: في كل متوازي أضلاع، يتقاطع القطران في منتصفيهما. بما أن O مركز متوازي الأضلاع ABGH، فهو نقطة تقاطع القطرين [AG] و [BH].
انتماء O إلى المستقيم BH: بما أن O نقطة تقاطع القطرين، فهي تنتمي إلى القطر [BH]، وبالتالي O\in(BH).
انتماء O إلى المستوى (AMG): المستقيم (AG) ينتمي إلى المستوى (AMG)، لأن النقطتين A و G من النقط التي تحدد هذا المستوى. وبما أن O يقع على [AG]، فإن O\in(AMG).
إثبات أنه قاطع وليس محتوى في المستوى: المستقيم (BH) يمر بالنقطة O من المستوى (AMG). لكن النقطة B لا تنتمي إلى (AMG)، ولذلك لا يمكن أن يكون المستقيم كله محتوى في المستوى. إذن يلتقي بالمستوى في نقطة وحيدة هي O.
إذن المستقيم (BH) قاطع للمستوى (AMG) في النقطة O.
O مركز ABGH ونقطة تقاطع BH مع (AMG)