נחשבות בעיני תלמידים , יחידות לימוד 5 ברמה של , בעיות רבות בגיאומטריה אנ
Transcription
נחשבות בעיני תלמידים , יחידות לימוד 5 ברמה של , בעיות רבות בגיאומטריה אנ
כדי לפתור בעיה קשה בגיאומטריה אנליטית אנו נדרשים ללוגיקה מפותחת .אחת המטרות של שיטת ההוראה שפותחה על ידי המחבר ,היא פיתוח הלוגיקה אצל תלמידים. כמו הספר שקדם לו" ,שיטות חשיבה בהנדסת המישור" ,אשר יצא לאור ב ,2007-גם ספר זה נכתב בסגנון נעים לקריאה ומעניין ,והוא מיועד לתלמידי תיכון ,למורים ולכל מי שאוהב או רוצה להתאהב במתמטיקה. חלק ממחקריו של המחבר במתמטיקה מודרנית פורסמו בספרים הבאים: A. Antonevich, M. Belousov and A. Lebedev. "Functional differential equations: II. C*-applications. Part 1: Equations with continuous coefficients". Pitman Monographs and Surveys in Pure and Applied )Mathematics 94, Longman, 1998, 385 pp. (English A. Antonevich, M. Belousov and A. Lebedev. "Functional differential equations: II. C*-applications. Part 2: Equations with discontinuous coefficients and boundary value problems". Pitman Monographs and Surveys in Pure and Applied Mathematics 95, Longman, 1998, )415 pp. (English שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית ) 5יחידות לימוד( בעיות רבות בגיאומטריה אנליטית ,ברמה של 5יחידות לימוד ,נחשבות בעיני תלמידים ומורים רבים כבעיות קשות מאוד .הספר מציע טכניקות אשר מאפשרות לפתור בעיות אלו בקלות יחסית .בין היתר ,בספר הוסבר במפורט והודגם בפרקים רבים ,כיצד צריך לחשוב ואילו פעולות צריך לבצע כדי לפתור בעיות העוסקות במציאת המשוואות של מקומות גיאומטריים. מיכאל בלאוסוב שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית ) 5יחידות לימוד( מיכאל בלאוסוב סוב לאו ֹ מיכאל ֶּב ּ שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית ) 5יחידות לימוד( הוצאת מרחבים חדשים Thinking Methods and Techniques in Plane Analytic Geometry )(for 5 point high-school students Mikhail Belousov Copyright2011 by Mikhail Belousov All rights reserved Printed in Israel 2011כל הזכויות שמורות למחבר הוצאת מרחבים חדשים טלפון050-7498516 : www.mikbel.com עריכת לשון :תמר בנאי ,ציפי לוי אין לשכפל ,להעתיק ,לצלם ,להקליט ,לתרגם ,לאחסן במאגר מידע ,לשדר או לקלוט בכל דרך או בכל אמצעי אלקטרוני ,אופטי או מכני או אחר – כל חלק שהוא מהחומר שבספר זה ללא רשות מפורשת בכתב מהמחבר ,אלא לשם ציטוט קטעים קצרים בציון שם המחבר .שימוש מסחרי מכל סוג שהוא בחומר הכלול בספר זה אסור בהחלט ,אלא ברשות מפורשת בכתב מהמחבר. מסת"בISBN: 978-965-91146-1-0 : שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 3 ביוון העתיקה על אחד הסלעים נחקק: אתה רוצה להיות חזק? ...רוץ! אתה רוצה להיות יפה? ...רוץ! אתה רוצה להיות חכם? ...רוץ! ואם רצת ,רצת ...אך בכל זאת קשה לך לפתור בעיות בגיאומטריה אנליטית ברמה של 5יחידות לימוד – מה תעשה? קרא ספר זה! ואם אף על פי שאתה מצליח לפתור בעיה בגיאומטריה אנליטית בכל רמת קושי ,כי כבר ראית בעבר את הפתרון המלא של בעיה דומה ,תתקל בעתיד בבעיה לא מוכרת – מה תעשה? קרא ספר זה! וגם אם אתה פותר בקלות כל בעיה ברמה של 5יחידות לימוד – מומלץ שתקרא את הספר! גם לך מצפות הפתעות רבות .הספר יקנה לך כלים חדשים שיועילו לך בעתיד. אולי דווקא אתה תמצא בספר את מה שאחרים לא הצליחו לראות. A jest's prosperity lies in the ear Of him that hears it, never in the tongue Of him that makes it.1 1 William Shakespeare, Love's Labour's Lost. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 5 באחד הספרים של המתמטיקאי הדגול בן זמננו ,ולדימיר ארנולד ,קראתי סיפור שכתב, כפי ששמע אותו מפיו של חתן פרס נובל לפיזיקה יגור תם. אקדים ואתאר את הרקע ההיסטורי לסיפור ,כדי שתובהר כל התמונה .במלחמת האזרחים שהתרחשה ברוסיה בשנים ,1923-1917לחמו כוחות צבא שונים ביניהם גם צבא ההתקוממות האוקראיני המהפכני ,שנשא דגל שחור אשר סימל את האנרכיה .חייליו של צבא זה נקראו "מאכנוביסטים" ,על שמו של נסטור מאכנו שעמד בראש הצבא .רוב ה"מאכנוביסטים" היו איכרים אוקראינים. ומה לחתן פרס נובל יגור תם ולסיפור זה? בזמן מלחמת האזרחים נפל תם ,אז איש צעיר, בשבי ה"מאכנוביסטים" .כשחקרו אותו שוביו סיפר שלמד בפקולטה למתמטיקה ולפיזיקה ,וכדי לבדוק אם הוא דובר אמת ,ביקשו ממנו לפתור בעיה מתורת הטורים .תם פתר את הבעיה וכך ניצלו חייו. כשסיימתי לקרוא את הסיפור שאלתי את עצמי :כמה מבוגרי האוניברסיטאות של היום היו נשארים בחיים אילו היו נופלים בשבי של צבא איכרים אנרכיסטים אוקראינים ,והיו מספרים בחקירה שיש להם תואר אקדמי זה או אחר? ובכלל זה ,הס מלהזכיר ,את בוגרי התיכון אשר הצליחו במבחני הבגרות וקיבלו את הציון ,100בעיקר בשל אפשרויות הבחירה שהיו במבחן ולא משום שפתרו בעיות קשות .במבחן שעמד בו תם הצעיר הייתה רק בעיה אחת – לא הייתה בו שום בחירה! ה"ציונים" היחידים שיכל לקבל היו מוטים על כף המאזניים – ל"חיים" או "למוות". כולי תקווה שהקריאה בספר תעזור לכם ,קוראיי הנכבדים ,להצליח לא רק במבחנים במתמטיקה ,אלא גם בכל מבחן אחר הדורש יכולת חשיבה מפותחת. קריאה מהנה, ד"ר מיכאל בלאוסוב © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 7 תוכן העניינים הקדמה ..................................................................................................... 9 ֶח ָכּם 13 – 268 .................................... הוֹל ְך ֶאתֲ -ח ָכ ִמים י ְ חלק א'ֵ : .1שאלות שעשויות לעזור למצוא את הדרך מתוך הספר "שיטות חשיבה בהנדסת המישור" 14 ................................................................................................. .2דרך ישרה 17 .............................................................................................. .3דומה ,אך שונה 30 ...................................................................................... .4באמצע הדרך 38 ......................................................................................... .5אחת הדרכים להרכבת משוואות 44 ............................................................. .6שבע מנות 50 .............................................................................................. .7היא בפנים 80 ............................................................................................. .8לא מפסיקים לשאול :מה זה אמא? מה זה? 87 ............................................... .9ויהי אור 96 ................................................................................................ .10מחפשים זווית 101 ....................................................................................... .11בין זוויות שוות 109 ..................................................................................... .12שיטה של lמקומות גיאומטריים 120 ............................................................ .13שתי נקודות מבט 134 .................................................................................. .14צועדים במעגלים 142 .................................................................................. .15לגעת במעגל 152 ......................................................................................... .16הם יצאו מאותו מקום 157 ............................................................................ .17אחדות היא כוח 169 ..................................................................................... © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה 8 תוכן העניינים .18כשהמעגל פגש את הפרבולה 183 .................................................................... .19כבוד האליפסה 195 ...................................................................................... .20פגישה שנייה עם האליפסה 198 ..................................................................... .21פגישה שלישית עם האליפסה 203 .................................................................. דוּאט של אליפסה והיפרבולה 207 ................................................................. ֶ .22 .23סיפורן של שתי אסימפטוטות 211 ................................................................. .24כמו שירו של רועה צאן 217 ........................................................................... .25הדרך המובילה למשוואת המקום הגיאומטרי 220 ........................................... .26מקום אחר – אותה שיטה 230 ...................................................................... .27עוד מקום ,ושוב אותה שיטה 240 ................................................................... .28ליעד הרביעי באותה דרך 249 ........................................................................ .29במרחבים רב-ממדיים )יוצאים מן המישור( 258 .............................................. .30שינויים בכביש 262 ...................................................................................... חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 269 – 307 ......................................... © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 9 הקדמה באחד ממשלי ה ֶזן בודהיזם מסופר על תלמיד שבא אל מורה זן ושאל: "למה לדעתך ,אדוני המורה ,קיימים אנשים יפים וגם אנשים מכוערים ,אנשים חכמים וגם אנשים כסילים? למה ה' ברא חלק מהאנשים יפים וחלק מהאנשים מכוערים? הרי אין זה בגלל מה שהם עשו בחייהם הקודמים .כיצד אפוא נוצר הבדל זה עוד בשחר ההיסטוריה, כאשר עוד לא היה עבר?" המורה הביא את התלמיד לגן ואמר: "הנה עץ גדול ולידו עץ קטן .בעבר ישבתי זמן רב מתחת לעצים אלו וחשבתי ,למה אחד מהם גדול והשני קטן? אך כאשר 'זרקתי' את השכל ,נעלמה השאלה .כעת אני יודע שזה עץ גדול וזה – קטן .ואין שום בעיה!" אם אחת ממטרותיו של תלמיד הזן היא ללמוד להשתיק ולנטרל את השכל שלא יפריע לו לשקוע בעצמו ,אזי על התלמיד הלומד מתמטיקה לפתח את שכלו וללמוד להפעיל אותו באופן היעיל ביותר לפתרון בעיות. ממשל זה למדים שאם השכל לא עובד – אין שאלות! מה לדעתכם קורה בראשו של תלמיד שלא שואל שאלות? כידוע ,קיים קשר הפוך בין תופעות רבות .לדוגמה ,כאשר אתה רגוע נשימתך אטית ואילו כאשר אתה מתרגש נשימתך נעשית מהירה; אם אתה מודאג ורוצה להירגע ,פעל בהתאם לקשר ההפוך שבין מצב הרוח למהירות הנשימה :התחל לנשום לאט .אני ממליץ לתלמידים להיעזר בטריק זה בזמן מבחן ,כאשר אינם מסוגלים להתרכז מרוב התרגשות. כאשר השכל מתאמץ לפתור בעיה מורכבת כלשהי אזי מתעוררות שאלות ,ואילו כאשר שואלים שאלה ,מאלצים את השכל למצוא את התשובה עליה. כדי שהשכל יפעל בכיוון הנכון צריך לשאול את השאלה הנכונה .אילו שאלות יכולות לעזור לפתור בעיות בגיאומטריה אנליטית ,ברמה של 5יחידות לימוד? כדי לקבל תשובה לשאלה זו – עליכם לקרוא את הספר! יש לציין שהשאלות המומלצות לשואל ,כדי לפתור בעיות בגיאומטריה אנליטית ,דומות במידה רבה לשאלות שהמלצתי עליהן בספרי "שיטות חשיבה בהנדסת המישור" .כך למשל בשני הספרים ,גם בספרי הקודם הנ"ל וגם בספר נוכחי ,נשאלת לעתים קרובות השאלה" :מה ניתן לומר על "?...ובחלק ניכר מן השאלות שאלתי כיצד מבצעים פעולה מסוג מסוים .שימוש בשאלות © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה הקדמה 10 אלו הופך את פתרון הבעיה המתמטית למשחק של ניגודים בין "הפרטי" ל"כללי" .לנוחות הקוראים צירפתי לספר הנוכחי את הפרק "שאלות שעשויות לעזור למצוא את הדרך" מספרי "שיטות חשיבה בהנדסת המישור". לאחר ששואלים כיצד מבצעים פעולה מסוג מסוים כלשהו ,למשל לאחר ששואלים: "כיצד מוכיחים ששני קטעים מסוימים שווים זה לזה?" או "כיצד מוצאים את השיעורים של נקודה מסוימת?" יש להיזכר בתשובות הקיימות לשאלות אלו ,ולבחור מביניהן את התשובה המתאימה לפתרון הבעיה .התשובות האפשריות לשאלות מסוג זה ,הקשורות להנדסת המישור ,תוכלו למצוא בספרי "שיטות החשיבה בהנדסת המישור" ,ואת התשובות האפשריות לשאלות הקשורות לגיאומטריה אנליטית ,תמצאו בספר הנוכחי. מי שידע להיעזר נכונה בשאלות שלעיל ובתשובות האפשריות עליהן ,תקל עליו הדרך למציאת פתרון לבעיה לא מוכרת ,שכן הוא יעבור שלבים שונים שיהיו מוכרים לו היטב – ומכאן קצרה הדרך לפתרון .כך גם לגבי מי שישאל את השאלה" :מה זה "? ...בספרי "שיטת חשיבה בהנדסת המישור" כתבתי" :לעתים ,כאשר חושבים על השאלה' :מה זה?' מקבלים תשובה גם לשאלה' :כיצד"'?... בנוסף לשאלות אשר צריך לשאול כדי להגיע אל הפתרון ,ובנוסף לתשובות האפשריות על חלק ניכר מהן ,המופיעות בספר "שיטות חשיבה בהנדסת המישור" ,הוצעו לקוראים מספר שיטות נוספות המאפשרות למצוא בקלות פתרונות לבעיות בהנדסת המישור ברמה של 5 יחידות לימוד .בעצם מטרת הספר הייתה להציע טכניקות המאפשרות לפתור מספר רב בעיות כאלו. מטרת הספר הנוכחי היא להציע טכניקות שבאמצעותן אפשר יהיה לפתור מספר רב של בעיות ברמה של 5יחידות לימוד בגיאומטריה אנליטית .שימוש בטכניקה משמעו חזרה על אותן פעולות לעתים קרובות .זו הסיבה לכך שגם בספרי הקודם וגם בספר זה מופיעים במקומות רבים אותם ביטויים. בספרי זה ,כמו גם בקודמו " -שיטות חשיבה בהנדסת המישור" ,אפשר למצוא לא רק את השאלות שצריכות להישאל כדי לפתור בעיה ואת התשובות האפשריות להן ,אלא גם שיטות נוספות לפתרון בעיות .לדוגמה ,אציג כאן שיטה המאפשרת לפתור בקלות יחסית בעיות רבות למציאת מקומות גיאומטריים ,אשר בקרב תלמידים נחשבות לבעיות קשות. יש לציין שלא כל הטכניקות המוצעות בספר הן פרי מחשבתי .חלק מהן מבוססות על מחקריו הנפלאים של המתמטיקאי והמורה הדגול ג'ורג' פוליה ) ,(George Polyaואת חלקן מלמדים זה זמן רב בבתי ספר תיכוניים. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 11 הספר מורכב משני חלקים .חלקו הראשון כולל 30פרקים ,ובו יוסברו בפירוט דרכי החשיבה המובילות לפתרון בעיות בגיאומטריה אנליטית ברמה של 5יחידות לימוד תוך כדי פתרונן .כל הפתרונות שיובאו בחלקו הראשון של הספר מלאים )לעתים קרובות יובאו כמה דרכים לפתרון( ואסביר בו בפירוט כיצד להגיע לכל שלב ושלב בפתרון הבעיה .בחלקו השני אסביר עבור 22בעיות אילו פעולות יש לבצע ואתן גם את התשובות הסופיות .יתרה מזאת ,עבור רוב בעיות בחלק זה ניתנו גם תוצאות ביניים אשר יש לקבל ו/או חלקים של הפתרון. תודתי ליפעת פרידמן אשר העניקה לספרי זה את אחת הבעיות המופיעות בחלק ב' ולעמי גלעדי אשר מעולם לא אכזב אותי כשביקשתי ממנו להבהיר לי את דברי התנ"ך. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית ֶח ָכּם הוֹל ְך ֶאתֲ -ח ָכ ִמים י ְ חלק א'ֵ : 13 1 לדבריו של ההיסטוריון והפילוסוף היווני פלוטארכוס ,כשהחליט פעם אחת פיליפוס ,מלך מקדון ,לעצור ולנוח במקום יפה ,התברר לו שאין במקום זה דשא המתאים לחמור" .אלו החיים שלנו ",אמר פיליפוס" ,אנחנו חיים לפי טעמו של חמור". איני מוכן להתפשר ,כתבתי את הספר רק לאלו שיש לי אתם )או שיהיה לנו בעתיד( טעם דומה בדברים חשובים" .לא עבור חירשים אנו שרים ,ענו על כל מילה היערות ",כתב המשורר הרומי פובליוס ורגיליוס מארו. ֶח ָכּם(". הוֹל ְך( ֶאתֲ -ח ָכ ִמים וחכם )י ְ 1משלי ,פרק יג "הלוך ) ֵ © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .1שאלות שעשויות לעזור למצוא את הדרך 14 .1שאלות שעשויות לעזור למצוא את הדרך מתוך הספר "שיטות חשיבה בהנדסת המישור" כוונתנו היא לפתור בעיות בעזרת שאלות שנשאל את עצמנו; אנחנו נשאל ונענה לעצמנו - שירות עצמי מלא .למזלנו ,את התשובות לשאלות העיקריות ניתן לשאוב מתוך מאגר מוגבל של תשובות ,שבו נדון בספר זה. חלק מהשאלות מתבססות על המלצות המופיעות בספר הנודע "? ,"How to solve itמאת המתמטיקאי הדגול .George Polyaהספר תורגם לעברית ,וניתן למצוא אותו בספריות האוניברסיטאות ,תחת השם "כיצד פותרין?" מאת ג' פויה )התרגום יצא לאור בשנת , 1961 בעברית ארכאית .שמו של המחבר תורגם לעברית מהונגרית(. ובכן ,השאלות הראשונות אותן יש לשאול על פי פויה ,הן :מהו הנעלם? מהו המבוקש? מה נדרש להוכיח? מהם הנתונים? ומהו התנאי? אגב ,במקום לשאול על 'הנתונים' ו'התנאי', אנחנו נשאל פשוט "מה נתון בבעיה?". פויה המליץ לשאול גם :האם אתה מכיר בעיה דומה לזו? אם כן ,התוכל להיעזר בה? התוכל להיעזר בשיטת הפתרון לבעיה זו או בתוצאה שלה? וכן :האם עליך להוסיף גורם עזר כלשהו? האם אתה מכיר משפט שעשוי להביא לך תועלת? האם תוכל לנסח את הבעיה בדרך אחרת? האם יש בכוחך לפתור בעיה כללית יותר או פרטית יותר? התוכל לפתור חלק מהבעיה? במהלך חיפוש הפתרון ,המליץ פויה לשאול :האם השתמשת בכל הנתונים? לאחר שפותרים בעיה ,יש לשאול ,על פי פויה ,את השאלות הבאות :האם תוכל לבדוק את התוצאה? האם תוכל לבדוק את ההנמקה? התוכל להשתמש בתוצאה או ַבּשיטה ביחס לפתרון בעיה אחרת? אין זו הרשימה המלאה של שאלות אותן המליץ פויה לשאול .בספר זה נשתמש רק בחלק מהשאלות הללו )לא בהכרח בניסוח הניתן לעיל( .לא נשאל ,למשל ,שאלות המיועדות להישאל לאחר פתרון בעיה .אתם תשאלו שאלות כאלו בעצמכם ,לאחר שתקראו את הפתרונות המופיעים בספר זה .לעומת זאת ,במהלך חיפוש הפתרון ניעזר לעתים קרובות בשאלה "האם השתמשנו בכל מה שנתון בבעיה?". © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 15 להלן נעסוק בשלוש שאלות אחרות ,שהראשונה מביניהן הינה שאלת עזר ,המסייעת לנסח את השאלה השניה .שתי השאלות האחרות הן ,לדעתי ,שאלות מפתח בהוכחת טענות רבות .ליתר דיוק ,לא מדובר כאן בשתי שאלות שונות ,אלא בשני סוגים של שאלות ,וזאת אסביר בהמשך; כפי שנאמר בקֹהלת" ,לכל דבר זמן ועת לכל חפץ"... ברוב המקרים ,הוכחת טענה מסוימת מתקדמת משלב לשלב ,בעזרת שיטות כלליות המאפשרות לפתור קבוצה גדולה של בעיות .מה עליכם לעשות כדי למצוא שיטה מתאימה? ראשית ,יש להבין לאיזו קבוצת טענות משתייכת הטענה אותה יש להוכיח ,ובהתאם, לנסות להיזכר בשיטות הוכחה של טענות מסוג זה .למטרה זו ,עשויה להועיל שאלת הבאה" :כיצד ניתן לנסח את הנאמר בטענה במלים כלליות?" .קל יותר למצוא שיטה כללית ,כשמשתמשים בביטויים כלליים; התשובה לשאלה ששאלנו ,יכולה להיות" :בטענה נאמר ,ששתי זוויות מסוימות שוות זו לזו" ,או "ששני קטעים מסוימים שווים זה לזה" או "ששני ישרים מסוימים מקבילים זה לזה" וכדומה .אם התשובה שנתתם לשאלה הראשונה ,היתה "בטענה נאמר ששתי זוויות מסוימות שוות זו לזו" ,שאלו את השאלה הבאה" :כיצד מוכיחים ששתי זוויות שוות זו לזו?" .אם התשובה שנתתם לשאלה הראשונה ,היתה "בטענה נאמר ששני קטעים מסוימים שווים זה לזה" ,שאלו" :כיצד מוכיחים ששני קטעים שווים זה לזה?".כעת יהיה עליכם להיזכר בשיטות המאפשרות להוכיח ששתי זוויות שוות זו לזו ,ולבחור מביניהן את השיטה המתאימה למקרה הפרטי שבו אתם עוסקים .ייתכן שהשיטה הראשונה שבה נזכרתם ,תביא אתכם לפתרון ,אך אין זה בטוח; אם לא הצלחתם לפתור את הבעיה ַבּשיטה שבחרתםִ ,בּדקו שיטה נוספת .אפילו אם הצלחתם לפתור את הבעיה בעזרת השיטה הראשונה ,לא יזיק לבדוק שיטה נוספת. ייתכן שתמצאו פתרון קצר בהרבה .עליכם לזכור כי עבור רוב סוגי הטענות ,קיימות שיטות כלליות רבות להוכחה .בנוסף ,טענה מסוימת עשויה להשתייך בו בזמן לסוגים שונים של טענות .כאשר מתייחסים לטענה כשייכת לסוג אחד של טענות ,בוחרים שיטת הוכחה מבין השיטות המתאימות לסוג זה ,ואילו כאשר מתייחסים לטענה כשייכת לסוג אחר של טענות ,בוחרים שיטת הוכחה מבין השיטות המתאימות לסוג האחר.. השאלות "כיצד מוכיחים טענות מסוג זה?"" ,האם קיים משפט בעזרתו ניתן לקבל את הטענה?" ,ו"האם קיימת שיטה להוכחת טענות מסוג זה?" ,עשויות לסמן את הכיוון הנכון שעליו יש לחשוב. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .1שאלות שעשויות לעזור למצוא את הדרך 16 באמצעות השאלות הבאות תוכלו לצמצם את רשימת השיטות ,שביניהן תמצאו את זו שאתם זקוקים לה" :מה ניתן לומר על הרכיבים שאותם יש להוכיח?"" ,מה ניתן לומר על הזוויות בשוויון אותו עלינו להוכיח?"" ,מה ניתן לומר על הקטעים בשוויון אותו עלינו להוכיח?" וכדומה .שאלות כאלו יכריחו אתכם להתמקד בפרטים ,שיעזרו לכם לבחור את שיטת ההוכחה המתאימה לטענה הנדרשת ,בבחינת "לבחור חליפה על פי גִ זרה"; אם תצליחו לענות על השאלה "מה ניתן לומר על הזוויות בשוויון אותו עלינו להוכיח?", במילים שיאפשרו לכם להבין באיזה סוג )איזו תת-קבוצה( של זוויות מדובר ,הרי שזה יעזור לכם לפתור את הבעיה .אם ,לדוגמא :לשאלה "מה ניתן לומר על הזוויות בשוויון אותו עלינו להוכיח?" ,תשיבו כי "הזוויות בשוויון הן זוויות היקפיות" ,יהיה עליכם לשאול את עצמכם "כיצד מוכיחים ששתי זוויות היקפיות שוות זו לזו?" .לאחר שתשאלו שאלה זו ,יש סיכוי רב שתגיעו לפתרון. לעתים ,צורת החשיבה היא הפוכה :במקום להתמקד בפרטים ,בעזרת שאלות כגון אלה שהצגנו קודם ,משתמשים בשיטות כלליות יותר; :לדוגמא :אם תצליחו להביע את גודלן של שתי זוויות – לא חשוב מה סוגן – באמצעות אותם פרמטרים ,ובשני המקרים תקבלו אותו ביטוי ,אזי הזוויות שוות זו לזו .בשיטה זו ניתן להוכיח שוויונים בין אורכי קטעים, גדלים אחרים .שיטה כללית זו להוכחת שוויונים ,היא מקרה פרטי של בין שטחים ובין ָ שיטה כללית יותר ,לפיה מוכיחים שוויונים בעזרת כלל המעבר "אם a = bו , b = c -אז ." a = c לעתים ,השאלות "האם אתה מכיר בעיה דומה לזו?"" ,התוכל להיעזר בה?"" ,התוכל להיעזר בשיטת הפתרון שלה?" ,ו"התוכל להיעזר בתוצאה שלה?" )על פי הספר הנ"ל של פויה( ,משפיעות על הנשאלים באותו אופן כמו השאלה "כיצד מוכיחים ."?...זכרו כי כל שאלה שתשאלו ,תכוון את מחשבותיכם בכיוון מסוים .לכן חשוב מה שואלים ,מתי שואלים ,ו...מתי לא שואלים. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 17 .2דרך ישרה …and with its feet cuts through the path it follows. )(Rig Veda 1, tr. by Ralph T.H. Griffith בעיה נתון מרובע ) ABCDראו ציור( .משוואות הצלעות 2של המרובע הן , 8 x − 3 y + 8 = 0 8 x + 15 y − 100 = 0 , 8 x − 3 y − 18 = 0ו. 4 x − 3 y + 16 = 0 - נקודה Eהיא אמצע הצלע . BCמצאו את שיעורי הנקודה . E y C B D A x דרך החשיבה ופתרון מה צריך למצוא? צריך למצוא את השיעורים של נקודה . Eעל פי הנתון הנקודה היא אמצע הצלע BC במרובע . ABCD כיצד מוצאים את השיעורים של אמצע קטע? לפתרון בעיות מסוג זה נעזרים במשפט שלפיו :אם נקודה ) M ( xM , yMהיא אמצע הקטע המחבר את הנקודות ) ( x1 , y1ו , ( x2 , y2 ) -אז מתקיים: 1אוסף של המנונים הודיים עתיקים. 2מכאן ואילך כאשר נאמר "משוואת הצלע של מצולע" הכוונה ל"משוואת הישר שעליו נמצאת הצלע של המצולע". © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .2דרך ישרה 18 y1 + y2 2 = yM x1 + x2 , 2 = xM לפי משפט זה מתקיים )(1 xB + xC 2 = , xE )(2 yB + yC 2 = . yE אם נצליח למצוא את השיעורים של נקודות Bו , C -נוכל לקבל בעזרת שני השוויונים האחרונים גם את השיעורים של נקודה . E בניסיון למצוא את השיעורים של נקודה Bנשאל את עצמנו :מה אפשר לומר על נקודה זו? הנקודה היא נקודת החיתוך של הישרים ABו. BC - כיצד מוצאים את השיעורים של נקודת החיתוך של שני ישרים במישור? ובכלל :כיצד מוצאים את הנקודות המשותפות לשני קווים במישור? את הנקודות המשותפות לשני קווים מוצאים כך :מוצאים את משוואות הקווים )אם הן לא ידועות( ,ופותרים את מערכת המשוואות המורכבת מהן. כדי להסביר למה פתרונות של מערכת המשוואות הם זוגות השיעורים של נקודות משותפות לשני הקווים עלינו להבהיר קודם מהי משוואה של קו. משוואה של קו ℓבמישור היא משוואה עם הנעלמים xו y -המקיימת את שני התנאים הבאים: )א( השיעורים של כל נקודה המונחת על הקו ℓמקיימים את המשוואה, )ב( השיעורים של כל נקודה שאינה מונחת על הקו ℓלא מקיימים את המשוואה. את הטענה "משוואה F ( x, y ) = 0היא משוואה של הקו " ℓאפשר לנסח גם במילים הבאות" :המשווה F ( x, y ) = 0מייצגת את הקו ." ℓאת הביטוי ℓ " :הוא קו המיוצג על ידי המשוואה 3" F ( x, y ) = 0אפשר לרשום כך: 3במקרים רבים במקום ביטוי זה משתמשים בביטוי " ℓהוא מקום גיאומטרי של נקודות המקיימות את המשוואה ." F ( x, y ) = 0 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 19 ℓ : F ( x, y ) = 0 לעתים קרובות במקום לומר" :הקו המיוצג על ידי המשוואה ," F ( x, y ) = 0אומרים פשוט" :הקו ." F ( x, y ) = 0 כעת ,כאשר אנו יודעים מה היא משוואה של קו ,אפשר להבהיר את הנאמר לעיל על נקודות משותפות לשני ישרים .נעשה זאת בדוגמה הבאה :נחפש את השיעורים של נקודת החיתוך של הישרים הבאים , ℓ1 : 2 x − 3 y − 5 = 0 :ו. ℓ 2 : 3 x + 2 y − 1 = 0 - נקודה ) N ( xN , y Nהיא נקודת החיתוך של הישרים ℓ1ו ℓ 2 -אם ,ורק אם ,היא מונחת על כל אחד מישרים אלו .כלומר – אם ,ורק אם ,שיעוריה מקיימים את המשוואה 2 x − 3 y − 5 = 0של הקו ℓ1וגם את המשוואה 3x + 2 y − 1 = 0של הקו . ℓ 2כלומר נקודה ) N ( xN , y Nהיא נקודת החיתוך של ישרים ℓ1ו ℓ 2 -אם ,ורק אם ,מתקיים: 2 xN − 3 y N − 5 = 0 וכמו כן מתקיים: 3 xN + 2 y N − 1 = 0 וכיצד נקרא זוג המספרים הסדור ) ( xN , yNהמקיים את המשוואה 2 x − 3 y − 5 = 0 וגם את המשוואה ? 3x + 2 y − 1 = 0 זוג המספרים הסדור המקיים את המשוואה 2 x − 3 y − 5 = 0וגם את המשוואה 3x + 2 y − 1 = 0נקרא פתרון מערכת המשוואות 2 x − 3 y − 5 = 0 3 x + 2 y − 1 = 0 פתרו את מערכת המשוואות האחרונה בעצמכם בתור תרגיל .עליכם לקבל את התשובה: ) . (1, −1מכאן. N (1, −1) : נחזור לבעיה שעלינו לפתור בפרק זה .אמרנו קודם לכן שאם נצליח למצוא את השיעורים של הקודקודים Bו C -של המרובע , ABCDנוכל לקבל את השיעורים של נקודה Eבעזרת השוויונים ) (1ו.(2)- © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .2דרך ישרה 20 אמרנו גם כי הנקודה Bהיא נקודת החיתוך של הישרים ABו. BC - על פי הנתון משוואות הישרים שעליהם נמצאות צלעות המרובע ABCDהן ) 8 x + 15 y − 100 = 0 , 8 x − 3 y − 18 = 0 , 8 x − 3 y + 8 = 0 (3ו4 x − 3 y + 16 = 0 - אם נדע איזו ממשוואות אלו היא משוואה של הישר ABואיזו היא של הישר , BCאז כדי למצוא את השיעורים של נקודה Bנצטרך רק לפתור את מערכת המשוואות המורכבת ממשוואות הישרים ABו . BC -בנוסף אם נדע גם איזו מהמשוואות בשורה ) (3היא משוואת הישר , CDאז כדי למצוא את השיעורים של הנקודה Cיהיה עלינו לפתור את מערכת המשוואות המורכבת ממשוואות הישרים BCו , CD -מכיוון שהנקודה Cהיא נקודת החיתוך של ישרים אלו. נתבונן במשוואות הצלעות של המרובע . ABCDכולן מן הצורה. ax + bx + c = 0 : משוואה ax + bx + c = 0שבה לפחות אחד המקדמים aו b -שונה מאפס נקראת משוואה כללית של קו ישר. 4 כאשר פותרים בעיות בגיאומטריה אנליטית לעתים קרובות ישנו צורך למצוא משוואה כללית של קו ישר זה או אחר ,אך לפתרון הבעיה נוכחית נצטרך למצוא משוואות מפורשות של צלעות המרובע . ABCD מהי משוואה מפורשת של קו ישר? המשוואה המפורשת של קו ישר היא משוואה של הקו אשר נכתבת כך: y = mx + n )(4 משוואה מן הצורה הזו קיימת עבור כל ישר שאינו מאונך לציר ה . x -גם ההפך הוא נכון: כל משוואה מן הצורה ) (4מייצגת קו ישר שאינו מאונך לציר ה. x - כדי שנוכל לפתור את הבעיה ,עלינו לדעת מהי המשמעות של מקדם mומהי המשמעות של האיבר החופשי nבמשוואה זו. האיבר החופשי nבמשוואה ) (4שווה לשיעור ה y -של נקודת החיתוך של הישר ℓ המיוצג ידי משוואה זו עם ציר ה. y - 5 4במקום לכתוב " :לפחות אחד מהמקדמים aו b -שונה מאפס" אפשר לכתובa 2 + b 2 ≠ 0 : © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 21 ומה ידוע על מקדם mשל xבמשוואה )? (4 ידוע שעבור כל שתי נקודות ) ( x1 , y1ו ( x2 , y2 ) -המונחות על ישר ℓמתקיים: y2 − y1 x2 − x1 )(5 =m נסמן ב α -את הזווית הקטנה ביותר שבה צריך לסובב את ציר ה x -או ישר מקביל לו בכיוון נגדי לכיוון שבו נעים מחוגי השעון עד שיתלכד עם הישר ℓהנ"ל .הזווית נקראת הזווית בין הישר ℓלכיוון החיובי של ציר ה . x -על סמך שוויון ) (5אפשר להסיק שמתקיים: m = tan α )(6 y ) ( x2 , y2 y2 − y1 = tan α x2 − x1 =m y2 − y1 α x2 − x1 ) ( x1 , y1 α x n לכן למקדם mשל xבמשוואה ) (4קוראים שיפוע של הקו הישר ) ℓבספרים רבים מגדירים קודם את השיפוע של קו ישר בעזרת נוסחה ) (6ורק לאחר מכן מוכיחים את שוויון ) (5וכי משוואה ) (4מייצגת את הקו הישר(. על סמך שוויון ) (5אפשר גם להסיק כי השיפוע של קו ישר הוא המהירות שבה משתנה שיעור ה y -של נקודה המונחת על הישר כאשר שיעור ה x -שלה משתנה .אם נניע נקודה שרירותית המונחת על הישר לאורכו משמאל לימין ,בכל פעם ששיעור ה x -של הנקודה 5אם נציב במשוואה האחרונה את , x = 0נקבל . y = n © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .2דרך ישרה 22 6 יגדל ביחידה אחת ,ישתנה שיעור ה y -שלה ב m -יחידות ; עם זאת ,במקרה ששיפוע הישר חיובי ) ,( m > 0יגדל שיעור ה y -של הנקודה ב m -יחידות ,ואילו במקרה ששיפוע הישר שלילי ) ,( m < 0יקטן שיעור ה y -שלה ב | m |= −m -יחידות. אם , m = 0שיעור ה y -של הנקודה המונחת על הישר לא ישתנה ,לא חשוב כיצד נשנה את שיעור ה x -שלה .כדי לפתור בעיות רבות צריך לדעת שאם שיפוע שווה ל , 0 -אז הישר מקביל לציר ה x -או מתלכד עמו ,ולהפך :אם ישר מקביל לציר ה x -או מתלכד עמו ,אז השיפוע של הישר שווה ל. 0 - m>0 m<0 y y )( x1 + 1, y1 + m m ) ( x1 , y1 1 x n α α 0 y n x 0 1 ) ( x1 , y1 )( x1 + 1, y1 + m משוויון ) (6נובע כי מתקיים: m > 0 ⇔ 0° < α < 90° m < 0 ⇔ 90° < α < 180° כעת נוכל להסיק מסקנות ראשונות על אודות הישרים המיוצגים על ידי משוואות 8 x + 15 y − 100 = 0 , 8 x − 3 y − 18 = 0 , 8 x − 3 y + 8 = 0ו4 x − 3 y + 16 = 0 - 6על סמך שוויון ) (5מסיקים שאם עבור הנקודות ) ( x1 , y1ו ( x2 , y2 ) -הנ"ל מתקיים , x2 − x1 = 1 :אז מתקיים. y2 − y1 = m : © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 23 )משוואות אלה הופיעו בשורה ) (3לעיל( .נמצא קודם את המשוואות המפורשות של ישרים אלה .לשם כך ,בכל אחת מארבע המשוואות האחרונות נבודד את ה . y -נקבל: )(7 8 8 y = x+ 3 3 )(8 8 x−6 3 )(9 8 20 x+ 15 3 =y y=− 4 16 x+ 3 3 )(10 =y כעת נתבונן בצלעות המרובע , ABCDוליתר דיוק ,בישרים שעליהם הצלעות מונחות .כל אחד מהישרים BC , ABו CD -יוצר זווית חדה עם הכיוון החיובי של ציר ה . x -רק הישר ADיוצר זווית קהה עם כיוון זה .לכן רק השיפוע של הישר ADקטן מ . 0 -שיפועי הישרים BC , ABו CD -גדולים מ. 0 - נחזור למשוואות המפורשות של הישרים שעליהם נמצאות צלעות המרובע . ABCDרק השיפוע של הישר שמשוואתו ) (9קטן מ . 0 -שיפועי הישרים שמשוואותיהם ) (8) ,(7ו(10)- גדולים מ. 0 - מכאן: 8 20 x+ המשוואה המפורשת של הישר ADהיא 15 3 .y=− נסכים שבמקרה שיהיה צורך להדגיש שמדובר בישר ) ADלדוגמה( ולא בקטע , AD נסמן את הישר ב . ℓ AD -כעת נוכל לרשום את המסקנה שהסקנו בנוגע לישר ADבצורה זו: 8 20 x+ 15 3 ℓ AD : y = − עלינו עוד לקבוע איזו מן המשוואות ) (8) ,(7ו (10)-מייצגת איזה מן הישרים BC , AB ו. CD - © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .2דרך ישרה 24 מה אפשר לומר על משוואות ) (7ו?(8)- המקדמים של xבמשוואות אלה שווים זה לה .במילים אחרות: השיפוע של הישר שמשוואתו ) (7שווה לשיפוע של הישר שמשוואתו ).(8 )(11 ועוד אפשר להבחין כי האיבר החופשי במשוואה ) (7גדול מהאיבר החופשי במשוואה ).(8 )(12 מה ידוע על ישרים ששיפועיהם שווים זה לזה? ידוע ש- )(13 אם שיפוע m1של הישר ℓ1 : y = m1 x + n1שווה לשיפוע m2של הישר ℓ 2 : y = m2 x + n2ומתקיים , n1 ≠ n2אז הישרים מקבילים זה לזה. גם ההפך נכון: )(14 אם ישרים ℓ1 : y = m1 x + n1ו ℓ 2 : y = m2 x + n2 -מקבילים זה לזה ,אז m1 = m2וn1 ≠ n2 - הציור להלן הוא איור לדרך שבה מוכיחים את טענות ) (13ו.(14)- y ℓ2 ℓ1 n2 n1 ≠ n2 α1 x α1 = α 2 ⇔ tan α1 = tan α 2 ⇔ m1 = m2 α2 0 n1 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 25 נציין כי טענה ) (13שקולה לטענה הבאה: )(15 אם השיפוע m1של הישר ℓ1 : y = m1 x + n1לא שווה לשיפוע m2של הישר ℓ 2 : y = m2 x + n2או , n1 = n2אז הישרים לא מקבילים זה לזה. למי שמתקשה להבין למה טענה ) (15שקולה לטענה )) (13כלומר למה ) (13) ⇒ (15ו(13)- ⇒ ) ((15מומלץ לקרוא את פרק 19בספרי "שיטות חשיבה בהנדסת המישור" .הפרק, שנקרא "לא ולא" ,מוקדש לכמה חוקים של לוגיקה מתמטית .נבהיר רק שאם מתקיים: m1 = m2וגם , n1 = n2אז הישרים ℓ1 : y = m1 x + n1ו ℓ 2 : y = m2 x + n2 -מתלכדים זה עם זה ,ואילו אם מתקיים , m1 ≠ m2הישרים נחתכים. כעת נוכל להסיק מסקנות מטענות ) (11ו .(12)-מטענות אלו נובע כי ישר) (7מקביל לישר).(8 )(16 ויתרה מזאת, ישר) (7נמצא כולו מעל ישר).(8 )(17 הרי האיבר החופשי במשוואה מפורשת של קו ישר שווה לשיעור ה y -של נקודת החיתוך של הישר עם ציר ה ; y -לכן מטענה ) (12נובע כי נקודת החיתוך של ישר ) (7עם ציר הy - מונחת על הציר האחרון גבוה יותר מאשר נקודת החיתוך של ישר ) (8עם ציר זה. כעת הוכיחו בעצמכם כי )(18 הישרים ) (7ו (10)-נחתכים. וגם )(19 הישרים ) (8ו (10)-נחתכים. הבה נתבונן בישרים BC , ABו . CD -משוואות ) (8) ,(7ו (10)-הן משוואות של ישרים אלה ,אך עדיין לא ידוע איזו משוואה מייצגת איזה ישר. על סמך הטענות ) (18) ,(16ו (19)-מסיקים כי רק זוג אחד של ישרים מבין הישרים , AB BCו CD -הוא זוג של ישרים המקבילים זה לזה .כל זוג אחר שנבחר משלישיית הישרים BC , ABו CD -הוא זוג של ישרים נחתכים. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .2דרך ישרה 26 אילו מן הישרים BC , ABו CD -מקבילים זה לזה? לרשותנו שלוש אפשרויות: )(20 , AB || BC )(21 , BC || CD )(22 AB || CD לישרים ABו BC -יש נקודה משותפת – הנקודה . Bגם לישרים BCו CD -יש נקודה משותפת – הנקודה . Cלכן הישרים ABו BC -נחתכים )(23 וגם הישרים BCו CD -נחתכים. )(24 קיבלנו כי טענות ) (20ו (21)-לא מתקיימות. נותרה אפשרות אחת טענה ) (22מתקיימת. נציין כי שיטת החשיבה שבאמצעותה הסקנו כי AB || CDנקראת שיטת ההשמטה. קיבלנו לעיל כי בין הישרים המיוצגים על ידי משוואות ) (8) ,(7ו (10)-יש זוג אחד ויחיד של ישרים מקבילים זה לזה :ישרים ) (7ו .(8)-מכאן ומטענות ) (23) ,(22ו (24)-נובע כי )(25 משוואת אחד הישרים ABו CD -היא משוואה ) ,(7ומשוואת הישר השני היא משוואה ).(8 נתבונן בציור המרובע ) ABCDעמוד .(17לפי הציור )(26 הישר ABנמצא מעל הישר CD מטענות ) (25) ,(17ו (26)-נובע כי משוואה ) (7היא משוואת הישר , AB © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 27 ואילו משוואה ) (8היא משוואת הישר . CD קיבלנו כי 8 8 , ℓ AB : y = x + 3 3 )(27 8 x−6 3 = . ℓ CD : y הבה ניזכר ,קיבלנו קודם כי המשוואות המפורשות של צלעות המרובע ABCDהן משוואות ) (7עד ) .7(10לאחר מכן קיבלנו כי משוואה ) (9היא משוואה של הישר , AD וכעת קיבלנו כי משוואה ) (7היא משוואת הישר ABומשוואה ) (8היא משוואת הישר . CD ובכן ,איזו מהמשוואות ) (7עד ) (10היא המשוואה של הישר ? BC לא נותר אלא להסיק כי משוואה ) (10היא משוואת הישר . BC כלומר 4 16 x+ 3 3 )(28 = ℓ BC : y השתמשנו שוב בשיטת ההשמטה .מצאנו בעזרתה את המשוואה המפורשת של הישר . BC נפתור את המערכת 8 8 x+ 3 3 4 16 x+ 3 3 )(29 = y = y המורכבת ממשוואה ) (7של הישר ABוממשוואה ) (10של הישר . BCפתרונה הוא זוג השיעורים של נקודה . B 7כלומר משוואות ) (9) ,(8) ,(7ו.(10) - © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .2דרך ישרה 28 מערכת המשוואות האחרונה שקולה למערכת המשוואות הבאה: 16 8 8 4 3 x + 3 = 3 x + 3 y = 4 x + 16 3 3 )(30 נפתור את המשוואה הראשונה במערכת האחרונה: 4 16 8 8 x+ = x + ⇔ 4 x + 16 = 8 x + 8 ⇔ −4 x = −8 ⇔ x = 2 3 3 3 3 נציב את x = 2במשוואה השנייה של מערכת ) ,(30ונקבל 4 16 24 ⋅2+ =⇔y ⇔ y=8 3 3 3 =y זוג המספרים הסדור ) (2,8הוא הפתרון )פתרון יחיד( של מערכת המשוואות ) .(29מכאן ). B(2,8 )(31 נפתור את המערכת 4 16 x+ 3 3 8 x−6 3 )(32 = y = y המורכבת ממשוואה ) (10של הישר BCוממשוואה ) (8של הישר . CDפתרונה הוא זוג השיעורים של נקודה . C מערכת המשוואות האחרונה שקולה למערכת המשוואות הבאה: )(33 4 16 y = 3 x + 3 4 x + 16 = 8 x − 6 3 3 3 נפתור את המשוואה השנייה במערכת המשוואות האחרונה: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 29 4 16 8 x+ = x − 6 ⇔ 4 x + 16 = 8 x − 18 ⇔ − 4 x = −32 ⇔ x = 8 3 3 3 נציב את x = 8במשוואה הראשונה של מערכת ) ,(33ונקבל 4 16 32 16 48 ⋅8 + =⇔ y + =⇔ y ⇔ y = 16 3 3 3 3 3 =y זוג המספרים הסדור ) (8,16הוא הפתרון )פתרון יחיד( של מערכת משוואות ) .(32מכאן ). C (8,16 )(34 נציב בשוויונים ) (1ו (2)-על פי השורות ) (31ו ,(34)-ונקבל 2+8 =5 2 = , xE 8 + 16 = 12 2 = , yE כלומר ) . E (5,12מש"ל. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .3דומה ,אך שונה 30 .3דומה ,אך שונה משפט .כל תנין ארוך יותר מאשר הוא רחב. משפט העזר הראשון .כל תנין ארוך יותר מאשר הוא ירוק. הוכחה .כל תנין ארוך מלמעלה ומלמטה ,אך ירוק הוא רק מלמעלה .לכן הוא יותר ארוך מאשר הוא ירוק .מש"ל. משפט העזר השני .כל תנין ירוק יותר מאשר הוא רחב. הוכחה .כל תנין ירוק לאורך ולרוחב ,אך רחב הוא רק לרוחב .לכן הוא ירוק יותר מאשר הוא רחב. מש"ל. כעת כדי להוכיח שכל תנין ארוך יותר מאשר הוא רחב נותר רק להיעזר בשני משפטי העזר ובכלל המעבר עבור אי-שוויונים ,ולפיו :אם a > bו , b > c -אז . a > c )פולקלור סטודנטים(. אני מקווה שבדיחה זו גרמה לכם לצחוק ,או לפחות לחייך ,אך כאשר מישהו מנסח ומוכיח במלוא הרצינות טענה כלשהי באופן שמזכיר לי את הבדיחה לעיל -אינני יודע אם לצחוק או לבכות .מעציב אותי לחשוב שהוא בטוח שפעל לפי כל הכללים ושנימוקיו ללא רבב .אינני מדבר רק על תלמידים .צורך בהבנה ובבנייה של שרשרת נימוקים קיים לא רק כאשר לומדים במוסד כלשהו להשכלה ,הוא קיים לאורך כל החיים. בנוגע לתלמידים הלומדים מתמטיקה ברמת בגרות של 5יח"ל ,להם צריכה להיות יכולת לבנות שרשרת נימוקים ארוכה .לא נולדים עם יכולת זו ,רוכשים אותה .כיצד? הוֹל ְך( ֶאתֲ -ח ָכ ִמים וחכם התשובה לשאלה ששאלנו היא דבריו שלמה המלך" :הלוך ) ֵ ֶח ָכּם(" .לומדים לחשוב מן הטובים בכך ,לא רק מן הטובים שבינינו אלא גם מן הטובים )י ְ שחיו פעם :קוראים את ספריהם ,וכשנתקלים בשרשרת נימוקים ארוכה לא מדלגים עליה, לומדים ממנה ,וגם מתרגלים. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 31 בעיה נתון מרובע ) ABCDראו ציור( .משוואות הצלעות של המרובע הן , 8 x − 3 y + 8 = 0 8 x + 15 y − 100 = 0 , 3x − y − 8 = 0ו. 4 x − 3 y + 16 = 0 - נקודה Eהיא אמצע הצלע . BC y C מצאו את שיעורי הנקודה . E B A D x דרך החשיבה ופתרון האם יש הבדל כלשהו בין הבעיה אשר פתרנו בפרק הקודם לבין הבעיה שיש לפתור בפרק הנוכחי? ואם ישנו הבדל -מהו? כן ,יש הבדל .אחת ממשוואות הישרים אשר היו נתונות בבעיה הקודמת ,המשוואה , 8 x − 3 y − 18 = 0הוחלפה בפרק זה במשוואה . 3x − y − 8 = 0 נוסף על כך ,אם נתבונן היטב בציור המרובע ABCDבפרק זה נוכל להבחין כי צלעותיו ABו CD -אינן נראות כעת מקבילות זו לזו .אבל אולי זה רק נדמה? נברר בהמשך. כמו בבעיה הקודמת ,נבודד את ה y -בכל אחת מהמשוואות הנתונות .נקבל את המשוואות המפורשות הבאות של הישרים שעליהם נמצאות צלעות המרובע : ABCD )(1 8 8 y = x+ 3 3 )(2 y = 3x − 8 )(3 8 20 x+ 15 3 y=− © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .3דומה ,אך שונה 32 4 16 x+ 3 3 )(4 =y המקדמים של ה x -במשוואות שקיבלנו שונים זה מזה .כלומר שיפועי הישרים , AB CD , BCו AD -שונים זה מזה .מכאן אין בין הישרים אף זוג של ישרים מקבילים זה לזה. כעת אנו בטוחים שבבעיה הנוכחית הישרים ABו CD -לא מקבילים זה לזה .לכן הנימוקים בפתרון הבעיה נוכחית יהיו שונים במידה רבה מהנימוקים בפתרון הבעיה הקודמת. בינתיים נוכל לבחון את הדברים הבאים בדומה לדרך החשיבה בפרק הקודם :כמו קודם נשים לב כי רק שיפוע הישר המיוצג על ידי משוואה ) (3קטן מ 0 -ואילו שיפועי הישרים המיוצגים על ידי משוואות ) (2) ,(1ו (4)-גדולים מ ; 0 -נתבונן בציור לעיל ונבחין כי רק הישר ADיוצר זווית קהה עם הכיוון החיובי של ציר ה , x -ואילו הישרים BC , ABו- CDיוצרים זוויות חדות עם כיוון זה .מכאן נסיק כי משוואה ) (3מייצגת את הישר AD ואילו )(5 משוואות ) (2) ,(1ו (4)-מייצגות את הישרים BC , ABו) CD -אך עדיין לא ידוע איזו מהמשוואות ) (2) ,(1ו (4)-מייצגת איזה מהישרים(. כעת עלינו לקבוע איזו מהמשוואות ) (2) ,(1ו (4)-מייצגת איזה מהישרים BC , ABו- . CD לא נוכל לפתור את הבעיה האחרונה בדרך שבה פתרנו בעיה דומה בפרק הקודם .ובכל זאת ,אם אי אפשר להשיג את המבוקש בדרך אחת ,אין משמעו שאי אפשר להשיגו בדרך אחרת או אפילו בכמה דרכים שונות. נשאל את עצמנו :מה הם שיפועי הישרים המיוצגים על ידי המשוואות ) (2) ,(1ו?(4)- שיפועי הישרים המיוצגים על ידי המשוואות ) (2) ,(1ו (4)-שווים )(6 4 8 בהתאמה ל , -ל 3 -ול. - 3 3 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 33 עבור שלושת המספרים האחרונים מתקיים: 8 4 > 3 3 )(7 >3 נסמן ב mBC , mAB -ו mCD -את שיפועי הישרים BC , ABו CD -בהתאמה. מטענות ) (5ו (6)-נובע כי 8 אחד המספרים mBC , mABו mCD -שווה ל- 3 4 ) .אך עדיין איננו יודעים איזה מהמספרים , mAB 3 4 8 לאיזה מהמספרים 3 ,ו(. - 3 3 ,שני ל 3 -ושלישי ל- )(8 mBCו mCD -שווה אם מבין כל שניים מהמספרים mBC , mABו mCD -נצליח לקבוע לפי ציור המרובע ABCDאיזה מהם גדול יותר ,אז בהסתמך על טענות ) (7ו (8)-נוכל למצוא את שיפועי הישרים BC , ABו . CD -לאחר מכן נוכל לקבוע איזו מהמשוואות ) (2) ,(1ו (4)-מייצגת איזה מהישרים BC , ABו. CD - כיצד אפשר להבחין לפי ציור איזה שיפוע מבין שיפועיהם של שני ישרים שאינם מאונכים לציר ה x -ואינם מקבילים זה לזה הוא גדול יותר? בפרק הקודם למדנו ששיפוע של ישר היוצר זווית חדה עם הכיוון החיובי של ציר הx - גדול מ 0 -ואילו שיפוע של ישר היוצר זווית קהה עם כיוון החיובי של ציר ה x -קטן מ. 0 - מכאן שיפוע של ישר היוצר זווית חדה עם כיוון החיובי של ציר ה x -גדול משיפוע של ישר היוצר זווית קהה עם כיוון זה. וכיצד אפשר לקבוע לפי ציור איזה שיפוע מבין שיפועיהם של שני ישרים שאינם מאונכים לציר ה x -ואינם מקבילים זה לזה גדול יותר במקרה שהזוויות אשר יוצרים שני הישרים עם הכיוון החיובי של ציר ה x -שתיהן חדות או שתיהן קהות? אם הזוויות אשר יוצרים שני ישרים עם הכיוון החיובי של ציר הx - )(9 שתיהן חדות או שתיהן קהות ,אז השיפוע של הישר היוצר עם כיוון החיובי של ציר ה x -זווית גדולה יותר – גדול יותר. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .3דומה ,אך שונה 34 אכן ,אם הישרים ℓ1 : y = m1 x + n1ו ℓ 2 : y = m2 x + n2 -יוצרים עם הכיוון החיובי של ציר ה x -את הזוויות α1ו α 2 -בהתאמה ומתקיים 0° < α1 < α 2 < 90°או , 90° < α1 < α 2 < 180°אז . tan α1 < tan α 2מכאן ומהשוויונים m1 = tan α1ו- m2 = tan α 2נובע כי . m1 < m2 ℓ2 1 y y ℓ1 m1 < m2 α2 α1 x α2 x α1 ℓ2 ℓ1 כעת ,כשידוע לנו כיצד להבחין לפי ציור איזה שיפוע מבין שיפועיהם של שני ישרים שאינם מאונכים לציר ה x -ואינם מקבילים זה לזה הוא גדול יותר ,נוכל לקבוע עבור כל שניים מהמספרים mBC , mABו mCD -איזה מביניהם גדול יותר. 1 אפשר לנמק את טענה ) (9גם בהסתמך על כך ששיפוע של ישר הוא המהירות שבה משתנה שיעור ה y -של הנקודה הנמצאת על הישר כאשר שיעור ה x -שלה משתנה .אם , 0° < α1 < α 2 < 90°אז מספר היחידות שבהן גדל שיעור ה y -של הנקודה הנמצאת על הישר ℓ 2כאשר שיעור ה x -שלה גדל ביחידה אחת גדול מזה של הנקודה הנמצאת על הישר . ℓ1מכאן אם , 0° < α1 < α 2 < 90°אז . m1 < m2 אם , 90° < α1 < α 2 < 180°אז מספר היחידות שבהן קטן שיעור ה y -של הנקודה הנמצאת על ישר ℓ 2כאשר שיעור ה x -שלה גדל ביחידה אחת ,קטן מזה של הנקודה הנמצאת על הישר . ℓ1לכן במקרה הזה מתקיים | . | m1 |>| m2מאי-השוויון האחרון ומאי-השוויונים m1 < 0ו m2 < 0 -נובע כי . − m1 > − m2מכאן נובע כי . m1 < m2 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 35 נסמן ב α1 -את הזווית שבין הישר ABלכיוון y C החיובי של ציר ה , x -ב α 2 -את הזווית בין הישר BCלכיוון החיובי של ציר ה , x -ונסמן ב α 3 -את B הזווית שבין הישר CDלכיוון החיובי של ציר ה. x - D מה אפשר לומר על זוויות אלה? α3 לפי הציור ,מתקיים: x 90° > α 3 > α1 > α 2 > 0° מכאן mCD > mAB > mCD )(10 )ראו טענה ).((9 מהטענות ) (8) ,(7ו (10)-נובע כי 8 4 = mCD = 3, mAB = , mBC 3 3 מכאן ומטענות ) (5ו (6)-נובע כי משוואה ) (2מייצגת את הישר , CD משוואה ) (1מייצגת את הישר , AB משוואה ) (4מייצגת את הישר . BC קיבלנו כי )(11 , ℓ CD : y = 3 x − 8 )(12 8 8 , ℓ AB : y = x + 3 3 )(13 4 16 x+ 3 3 = ℓ BC : y © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה A α 2 α1 .3דומה ,אך שונה 36 יכולנו להגיע אל שלוש הטענות האחרונות בדרך אחרת :יכולנו להתמקד באיברים החופשיים במשוואות ) (2) ,(1ו (4)-ובנקודות החיתוך של הישרים BC , ABו CD -עם ציר ה . y -הרי בפרק הקודם אמרנו כי האיבר החופשי במשוואה מפורשת שווה לשיעור ה- yשל נקודת החיתוך של הישר המיוצג על ידי המשוואה עם ציר ה. y - 16 8 האיברים החופשיים במשוואות ) (2) ,(1ו (4)-שווים בהתאמה ל , -ל −8 -ול- 3 3 עבור שלושת המספרים האחרונים מתקיים: 16 8 > > −8 3 3 . . מכאן )(14 הישר ) (4חותך את ציר ה y -בנקודה גבוהה יותר מאשר ישר ) ,(1וישר ) (1חותך את ציר ה y -בנקודה גבוהה יותר מאשר ישר ).(2 לפי הציור האחרון אפשר להסיק כי הישר BCחותך את ציר ה y -בנקודה גבוהה יותר מאשר הישר AB )(15 והישר ABחותך את ציר ה y -בנקודה גבוהה יותר מאשר ישר . CD מטענות ) (14) ,(5ו (15)-נובע כי משוואה ) (2מייצגת את הישר , CD משוואה ) (1מייצגת הישר , AB משוואה ) (4מייצגת את הישר . BC הגענו אל הטענות ) (12) ,(11ו (13)-בשתי דרכים שונות .עכשיו נוכל למצוא את השיעורים של הנקודות Bו . C -זוג השיעורים של הנקודה Bהוא פתרון של מערכת המשוואות 8 8 x+ 3 3 4 16 x+ 3 3 = y = y המורכבת מהמשוואות של הישרים ABו. BC - © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 37 פתרנו את מערכת המשוואות הזו בפרק הקודם .קיבלנו כי פתרונה הוא זוג המספרים הסדור ) . (2,8מכאן ). B(2,8 זוג השיעורים של נקודה Cהוא פתרון של מערכת המשוואות 4 16 y = x + 3 3 y = 3x − 8 המורכבת מהמשוואות של הישרים BCו. CD - פתרון של מערכת המשוואות האחרונה הוא זוג המספרים הסדור ) . (8,16מכאן ). C (8,16 מתברר שהשיעורים של נקודות Bו C -בבעיה הנוכחית זהים לאלו שבבעיה אשר פתרנו בפרק הקודם .לכן גם השיעורים של אמצע הקטע BCבבעיה הנוכחית יהיו זהים לאלו אשר קיבלנו בפרק הקודם ,כלומר ). E (5,12 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .4באמצע הדרך 38 .4באמצע הדרך לב חכם שומע חכמה ישבחנה ,ועוד יוסיף. ולב נבוב שומע חכמה ישליכנה ,ולא יוסיף. )בן סירא ,פרק יג( בעיה .ישר ℓעובר דרך נקודה ) ; P (1, 2הוא חותך את ציר ה x -בנקודה , Aאת ציר ה- yבנקודה Bואת הישר y = −2 x + 10בנקודה . Cגם נתון כי נקודה Pהיא אמצע הקטע . BCמצאו את שיעורי נקודה . A דרך החשיבה ופתרון. מה צריך למצוא? צריך למצוא את השיעורים של נקודה . A מה אפשר לומר על נקודה זו? על פי הנתון בבעיה ,הנקודה היא נקודת החיתוך של הישר ℓעם ציר ה . x -המשוואה של ציר ה x -היא . y = 0 ומה אפשר לומר על הישר ? ℓ על פי הנתון בבעיה ,הישר עובר דרך נקודה ) , P (1, 2וכמו כן נתון כי נקודה Pהיא אמצע הקטע , BCשאחד מקצותיו ,נקודה , Bהוא נקודת החיתוך של הישר ℓעם ציר ה , y -ואילו הקצה השני של הקטע ,נקודה , Cהוא נקודת החיתוך של הישר ℓעם הישר . y = −2 x + 10 אם נצליח למצוא את משוואת הישר , ℓנוכל למצוא את שיעורי נקודה . Aהרי הנקודה נמצאת על ציר ה x -וגם כן על הישר , ℓולכן שיעוריה מקיימים גם את המשוואה y = 0 וגם את המשוואה של הישר . ℓמכאן הזוג הסדור של שיעורי הנקודה Aהוא פתרון של מערכת המשוואות המורכבת מהמשוואה y = 0ומהמשוואה של הישר . ℓ © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 39 y ℓ C P A x y = −2 x + 10 B וכיצד נמצא את המשוואה של הישר ? ℓ כדי לענות על שאלה זו נשאל את עצמנו את השאלה הבאה :כיצד בכלל מוצאים משוואות של ישרים? אם הישר שאת משוואתו צריך למצוא אינו מאונך לציר ה , x -לעתים קרובות מוצאים את משוואתו כך :מוצאים את השיעורים x1ו y1 -של אחת מהנקודות הנמצאות על הישר, מוצאים את השיפוע mשל הישר ולאחר מכן נעזרים בנוסחה הבאה: ) y − y1 = m( x − x1 )(1 האם הישר ℓמאונך לציר ה? x - ודאי שלא .הרי על פי הנתון הוא חותך את ציר ה y -בנקודה Bועובר דרך הנקודה ) , P (1, 2שאינה נמצאת עליו. למזלנו ,שיעורי אחת מהנקודות הנמצאות על הישר , ℓשיעורי נקודה , Pידועים לנו לפי הנתון בבעיה .השיעורים הם: )(2 y1 = 2 x1 = 1, © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .4באמצע הדרך 40 כדי למצוא את משוואת הישר ℓנשאר רק למצוא את השיפוע של הישר ולאחר מכן להיעזר בנוסחה ).(1 כעת עלינו לשאול את עצמנו :כיצד מוצאים שיפוע של ישר מסוים? בעיות מסוג זה פותרים בדרכים הבאות: א( מוכיחים )או נעזרים בכך שזה נתון בבעיה( שהישר , ℓ1 : y = m1 x + n1ששיפועו , m1צריך להימצא מקביל לישר , ℓ 2 : y = m2 x + n2ששיפועו ידוע ,ונעזרים בשוויון . m1 = m2 ב( מוצאים את הזווית αבין הישר , y = mx + nשאת שיפועו צריך למצוא ,לבין הכיוון החיובי של ציר ה , x -ונעזרים בשוויון . m = tan α ג( אם ידועות שתי נקודות ) ( x1 , y1ו ( x2 , y2 ) -כלשהן המונחות על הישר ,מחשבים את השיפוע mשל הישר y = mx + nבאמצעות הנוסחה הבאה: y2 − y1 x2 − x1 )(3 =m ד( אם הישרים ℓ1 : y = m1 x + n1ו ℓ 2 : y = m2 x + n2 -מאונכים זה לזה והשיפוע 1 m1של הישר ℓ1ידוע ,מחשבים את השיפוע m2בעזרת הנוסחה: m1 ה( נעזרים בנוסחאות: m1 − m2 1 + m1 ⋅ m2 = tan ϕ m1 − m2 , 1 + m1 ⋅ m2 = tan α כאן αהיא אחת מהזוויות הצמודות בין הישרים y = m1 x + n1ו- ϕ , y = m2 x + n2היא הזווית החדה בין ישרים אלו.1 1הנוסחאות האחרונות יוסברו בפרק 10 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה . m2 = − שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 41 ו( לפעמים מצליחים למצוא את השיפוע של הישר בעזרת הנוסחה לחישוב מרחק בין נקודה לישר. ננסה למצוא את השיפוע mשל הישר ℓהנ"ל בעזרת נוסחה ).(3 למה דווקא בעזרת נוסחה זו ולא באחת הדרכים האחרות הנ"ל? ראשית ,מפני ששיעורי אחת הנקודות הנמצאות על הישר ידועות לנו ,ונוסף על כך – ברשותנו מצוי מידע מסוים על שתי נקודות נוספות הנמצאות על הישר :הנקודות Bו. C - אולי נוכל לחשב את השיעורים של לפחות אחת מהנקודות Bו. C - נוסף על כך נבחר בדרך זו מפני שאף אחת מהדרכים האחרות לא נראית רלוונטית לפתרון הבעיה הנוכחית. ובכן ,ננסה למצוא את השיעורים של לפחות אחת מהנקודות Bו. C - שוב נשאל את עצמנו :מה נתון? על פי הנתון נקודה ) P (1, 2היא אמצע הקטע . BCידוע שאם נקודה ) ( xM , yMהיא x1 + x2 אמצע הקטע המחבר את נקודות ) ( x1 , y1ו ( x2 , y2 ) -כלשהן ,אז 2 y1 + y2 2 = xMו- = . yMלכן )(4 xB + xC =1 2 )(5 yB + yC =2 2 , . כאן xBהוא השיעור הראשון של הנקודה xC , Bהוא השיעור הראשון של הנקודה , C yBהוא השיעור השני של הנקודה Bו yC -הוא השיעור השני של הנקודה . C נוכל להתייחס לזוג השוויונים האחרונים כאל שתי משוואות עם ארבעת הנעלמים הבאים yB , xC , xB :ו . yC -אם נצליח להרכיב עוד שתי משוואת עם נעלמים אלו ולפתור את המערכת של ארבע המשוואות עם ארבעת הנעלמים שתתקבל ,נוכל למצוא את שיעורי נקודה Bוגם את שיעורי נקודה . C כעת עלינו לשאול את עצמנו :מה נאמר בבעיה על נקודה ? B © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .4באמצע הדרך 42 הנקודה היא נקודת החיתוך של הישר ℓעם ציר ה . y -מכאן הנקודה נמצאת על ציר ה- . yומכאן xB = 0 )(6 ומה נאמר בבעיה על נקודה ? C הנקודה Cהיא נקודת החיתוך של השר ℓעם הישר . y = −2 x + 10מכאן הנקודה נמצאת על הישר . y = −2 x + 10ומכאן )(7 yC = −2 xC + 10 )נקודה מסוימת נמצאת על ישר מסוים אך ורק אם שיעורי הנקודה מקיימים את משוואת הישר(. כעת יש לנו ארבע משוואות עם ארבעת הנעלמים הנ"ל .נפתור את מערכת המשוואות )(8 xB + xC 2 =1 yB + yC = 2 2 xB = 0 yC = −2 xC + 10 המורכבת מהמשוואות ) (6) ,(5) ,(4ו.(7)- לאחר שנציב במשוואה הראשונה של מערכת משוואות זו על פי משוואה שלישית ונכפיל ב 2 -את משוואה אשר תתקבל וגם את המשוואה השנייה של מערכת המשוואות נקבל: )(9 xC = 2 yB + yC = 4 xB = 0 yC = −2 xC + 10 כאשר נציב במשוואה הרביעית של מערכת המשוואות האחרונה על פי המשוואה הראשונה שלה נקבל: yC = −2 ⋅ 2 + 10 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 43 מכאן yC = 6 )(10 ידועים לנו כבר שני השיעורים של נקודה , Cהנמצאת על . ℓזה יספיק כדי למצוא את השיפוע של הישר .הרי גם ידוע לנו מה הם השיעורים של נקודה , Pשנמצאת גם היא על ישר זה .בכל זאת ,נוסף על שיעורה הראשון של נקודה , Bנמצא גם את שיעורה השני .הרי זו לא טרחה גדולה. כאשר נציב במשוואה השנייה של מערכת המשוואות ) (9על פי השורה ) (10נקבל yB + 6 = 4 מכאן . y B = −2 כעת ברשותנו השיעורים של שלוש נקודות הנמצאות על הישר . ℓכאשר ניעזר בנוסחה ) (3ונציב בה את השיעורים של זוג כלשהו משלוש הנקודות ,נקבל את השיפוע mשל הישר . ℓנציב בנוסחה ) (3את השיעורים של הנקודות Bו , P -ונקבל: )yP − yB 2 − (−2 = =4 xP − xB 1− 0 )(11 =m כעת נציב במשוואה ) (1על פי שורות ) (2ו ,(11)-ונקבל כי משוואת הישר ℓהיא: )y − 2 = 4( x − 1 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: y = 4x − 2 כדי למצוא את השיעורים של נקודה Aנשאר רק לפתור את מערכת המשוואות הבאה: y = 0 y = 4x − 2 פתרון מערכת המשוואות הוא זוג המספרים הסדור ). (0.5, 0 לכן ) . A(0.5, 0מש''ל. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .5אחת הדרכים להרכבת משוואות 44 .5אחת הדרכים להרכבת משוואות מה יקרה אם מישהו שמאכיל תינוק בחלב מבקבוק יוריד את הפטמה מהבקבוק ויטה אותו כך שהחלב יזרום במהירות? במקרה טוב ,אם התינוק ישכב בפה סגור ,כל החלב יישפך על פניו ,אך קרוב לוודאי שהתינוק ייחנק. אף על פי שהם רחוקים מגיל ינקות ,דבר דומה קורה לתלמידים כאשר מורה מנסה להעביר חומר לימוד רב במהירות ובזמן קצר .הבעיה היא שלעתים קרובות לא עומד לרשות המורה די זמן כדי להסביר באריכות את כל מה שעליו ללמד לטובת אלה שמתקשים "לשתות" ידע רב במהירות בכל "האכלה". את פרק זה ואת שאר הפרקים בספר אפשר לקרוא בקצב המתאים לכם ,ואף לחזור על כך כמה פעמים לפי הצורך .עדיף לקרוא את כל הכתוב בלי למהר ,אפילו אם יש ביכולתכם לקלוט מהר יותר מרוב ) "Festinaהזדרז לאט – לטינית( ,נהג לומר אוגוסטוס קיסר. האנשיםFestina lente" . בעיה .שניים מהתיכונים של משולש נמצאים על הישרים y = 2 xו . 5 y − x = 15 -אחד מקודקודי המשולש נמצא בנקודה ) . (1,8מצאו את שני הקודקודים האחרים של המשולש. דרך החשיבה ופתרון. מה נתון? נתון כי שניים מהתיכונים של משולש מסוים מונחים על הישרים y = 2 xו- , 5 y − x = 15ושאחד מקודקודי המשולש נמצא בנקודה ) . (1,8כלומר ,ידועים לנו המשוואות של שני תיכונים ושיעורי אחד הקודקודים של המשולש. מה צריך למצוא בבעיה זו? צריך למצוא את השיעורים של שני הקודקודים האחרים של המשולש. נסמן את הנקודה ) (1,8ב . A -בינתיים לא ידוע לנו אם אחד התיכונים הנ"ל יוצא מנקודה Aאו שמנקודה זו יוצא התיכון השלישי. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 45 התיכון המונח על הישר y = 2 xיוצא מקודקוד Aשל המשולש הנתון אך ורק אם נקודה זו נמצאת על הישר המדובר .כדי לבדוק אם נקודה Aנמצאת על הישר y = 2 x נציב את שיעורי נקודה זו )כלומר נציב את x = 1ואת ( y = 8במשוואת הישר ונקבל: .8 = 2 השוויון האחרון הוא פסוק שקר .לכן הנקודה ) A(1,8לא נמצאת על הישר . y = 2 x מכאן תיכון המשולש המונח על הישר y = 2 xיוצא מהקודקוד השונה מנקודה . A כעת נציב את שיעורי נקודה Aבמשוואה 5 y − x = 15ונקבל: 5 ⋅ 8 − 1 = 15 התקיימות של השוויון האחרון שקולה להתקיימות השוויון הבא: 39 = 15 השוויון האחרון הוא פסוק שקר ,ולכן הנקודה Aלא נמצאת גם על הישר . 5 y − x = 15 מכאן תיכון המשולש הנמצא על הישר 5 y − x = 15יוצא מהקודקוד השונה מנקודה . A נסמן ב B -את קודקוד המשולש הנתון הנמצא על הישר , y = 2 xוב C -את הקודקוד הנמצא על הישר . 5 y − x = 15אנו מתבקשים למצוא את השיעורים של שתי נקודות אלו. ננסה להרכיב מערכת של ארבע משוואות שבה השיעורים של הנקודות Bו C -ישמשו נעלמים. קודם כל ניעזר בכך ש- )(1 הנקודה ) B( xB , yBנמצאת על הישר . y = 2 x טענה ) (1מתקיימת אך ורק אם מתקיים: )(2 yB = 2 xB קיבלנו את המשוואה הראשונה ממערכת המשוואות אשר אנו מנסים להרכיב .כעת ניעזר בכך ש- )(3 הנקודה ) C ( xC , yCנמצאת על הישר . 5 y − x = 15 טענה ) (3מתקיימת אך ורק אם מתקיים: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .5אחת הדרכים להרכבת משוואות 46 5 yC − xC = 15 )(4 יש לנו כבר שתי משוואות עם הנעלמים xC , yB , xBו : yC -המשוואות ) (2ו .(4)-נותר רק להרכיב עוד שתי משוואות עם הנעלמים הנ"ל ולפתור את מערכת המשוואות אשר תתקבל. כיצד נרכיב את שתי המשוואות הנוספות? כדי לענות על שאלה זו נשאל את עצמנו :כיצד מרכיבים משוואות בגיאומטריה אנליטית? אחת הדרכים להרכבת משוואות עם כמה נעלמים בגיאומטריה אנליטית היא להביע באמצעות הנעלמים את השיעורים של נקודה כלשהי הנמצאת על קו שמשוואתו ידועה, ולאחר מכן להציב את הביטויים אשר התקבלו עבור שיעורי הנקודה במשוואת הקו שעליו הנקודה נמצאת. ברשותנו משוואות של שני תיכונים של המשולש . ABCהמשוואה של אחד התיכונים היא , y = 2 xוהמשוואה של התיכון הנוסף היא . 5 y − x = 15ננסה להביע באמצאות שיעורי הנקודות Bו C -את השיעורים של נקודה כלשהי על ישר , y = 2 xוכמו כן את השיעורים של נקודה כלשהי על ישר . 5 y − x = 15 נשאל את עצמנו את שתי השאלות הבאות :מה אפשר לומר על הישר ? y = 2 xאת השיעורים של איזו נקודה )שאינה מתלכדת עם נקודה ( Bעל ישר זה אפשר להביע באמצעות שיעורי הנקודות Bו C -ובאמצעות השיעורים הידועים לנו של נקודה ? A הישר y = 2 xעובר דרך נקודה Bוחוצה את הקטע . ACמכאן )(5 אמצע הקטע ACנמצא על הישר . y = 2 x נסמן את אמצע הקטע ACב . M -לפי הנוסחאות לשיעורי אמצע הקטע ,מתקיים: )(6 x A + xC 2 = xM )(7 y A + yC 2 = yM © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 47 שיעורי נקודה Aידועים לנו: yA = 8 )(8 xA = 1 , נציב בשוויונים ) (6ו (7)-על פי שורה ) ,(8ונקבל: )(9 1 + xC 2 = xM )(10 8 + yC 2 = yM על סמך טענה ) (5נקבל: )(11 . yM = 2 xM נציב בשוויון ) (11על פי השוויונים ) (9ו ,(10)-ונקבל את המשוואה הבאה עם הנעלמים xCו: yC - )(12 8 + yC 1 + xC ⋅= 2 2 2 נסמן ב N -את אמצע הקטע . ABעבור שיעורי נקודה זו מתקיימים השוויונים הבאים: )(13 1 + xB 2 = xN )(14 8 + yB 2 = yN )(15 5 yN − xN = 15 נציב בשוויון ) (15על פי שוויונים ) (13ו ,(14)-ונקבל את המשוואה הבאה עם הנעלמים xB ו: yB - )(16 8 + y B 1 + xB − = 15 2 2 ⋅5 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .5אחת הדרכים להרכבת משוואות 48 כעת ברשותנו ארבע משוואות עם ארבעת הנעלמים הנ"ל :משוואות ) (12) ,(4) ,(2ו.(16)- בשתיים מארבע המשוואות מופיעים רק הנעלמים xBו , yB -ואילו בשתי המשוואות האחרות מופיעים רק הנעלמים xCו . yC -לכן במקום לרשום את המערכת של ארבע משוואות עם ארבעה הנעלמים ,אנו יכולים להרשות לעצמנו לרשום ולפתור שתי מערכות קטנות יותר :מערכת של שתי משוואות עם הנעלמים xBו , yB -ומערכת של שתי משוואות עם הנעלמים xCו . yC -נעשה זאת ,אך לפני כן את נקבל המשוואות השקולות למשוואות ) (12ו (16)-אשר יהיו פשוטות יותר. משוואה ) (12שקולה למשוואה הבאה: ) 8 + yC = 2(1 + xC משוואה זו שקולה למשוואה הבאה: yC = 2 xC − 6 )(17 המשוואות הבאות שקולות אחת לשנייה ולמשוואה ):(16 5(8 + yB ) − (1 + xB ) = 30 40 + 5 yB − 1 − xB = 30 xB = 5 y B + 9 )(18 נפתור את המערכת y B = 2 xB xB = 5 y B + 9 )(19 המורכבת מהמשוואות ) (2ו .(18)-נציב במשוואה השנייה של מערכת משוואות זו על פי המשוואה הראשונה שלה ,ונקבל: xB = 5(2 xB ) + 9 נפתור את המשוואה האחרונה: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית )(20 49 xB = 5(2 xB ) + 9 ⇔ xB = 10 xB + 9 ⇔ −9 xB = 9 ⇔ xB = −1 נציב במשוואה הראשונה של מערכת המשוואות ) (19על פי התוצאה אשר קיבלנו בשורה ) ,(20ונקבל: yB = −2 קיבלנו כי הקודקוד Bשל המשולש המדובר נמצא בנקודה ). (−1, −2 לאחר שפותרים את מערכת )(21 5 yC − xC = 15 yC = 2 xC − 6 המורכבת ממשוואות ) (4ו ,(17)-מקבלים כי קודקוד Cשל המשולש נמצא בנקודה ). (5, 4 תשובה :הקודקודים הם הנקודות ) (−1, −2ו. (5, 4) - הערה .אם נבחן את העניין לעומקו ,יתגלה כי קיבלנו ארבע משוואות עם הנעלמים , xB xC , yBו yC -ממערכת של שמונה משוואות עם שמונת הנעלמים הבאים, xC , yB , xB : xN , yM , xM , yCו . y N -מערכת זו כללה את שמונה המשוואות הבאות :המשוואות ),(2 ) (14) ,(13) ,(11),(10) ,(9) ,(4ו .(15)-מערכת המשוואות האחרונה משקפת את כל מה שהיה נתון בבעיה .היא שקולה למערכת המשוואות המקיימת את התנאים הבאים :א( שתי המשוואות הראשונות שלה הן המשוואות הרשומות במערכת ) ,(19ב( שתי המשוואות הבאות במערכת זו הן המשוואות הרשומות במערכת ) ,(21ג( ארבע המשוואות האחרונות של המערכת הן משוואות ).(14) ,(13) ,(10) ,(9 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .6שבע מנות 50 .6שבע מנות. ...הסמל הפטפטן עוד היה ממשיך לנאום זמן רב ,אך הנה נדחקו דרך ההמון והתקרבו אליו שני קוזקים .השניים ניגשו אליו ואמרו לו בתוכחה" :סמיון ניקיטוביץ' ,אל תגיד את כל השטויות בבת אחת, תשמור משהו למחר" ,ואז אספו אותו בידיהם והוליכו אותו אל רכבת תובלה. )ארטיום וסיולי( לא כל אחד מסוגל לאכול ברווז שלם בבת אחת .רוב בני האדם אפילו לא ינסו ,ואלה שינסו ודאי יחושו ברע לאחר הארוחה .לעומת זאת ,אדם אחד מסוגל לאכול לוויתן שלם אם יאכל אותו במנות לא גדולות במשך חודשים רבים. 6.0ברווז שלם בעיה .נתונה מקבילית ABCDששניים B מקודקודיה הם ) C (6,15ו . D (12, −3) -קטע C AEהוא גובה לצלע , CDוקטע CFהוא גובה לצלע . ADהגבהים CFו BD -נפגשים בנקודה )) M (3, 6ראו ציור משמאל(. E M א .מצאו את משוואת הישר CF ב .מצאו את משוואת הישר AE A F ג .מצאו את השיעורים של נקודה A ד .מצאו את משוואת הצלע AB D ה .מצאו את השיעורים של נקודה B ו .ענו על השאלה הבאה :האם המקבילית ABCDהיא מעוין? נמקו את תשובתכם. ז .מצאו את היקף המקבילית ABCDואת שטחה. הפתרון וההסברים הנלווים משתרעים על פני מספר רב של עמודים ,ולכן כדי להקל את תהליך "עיכול" פתרון הבעיה נחלק אותה לשבע מנות. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 51 6.1מנה ראשונה בעיה .נתונה מקבילית ABCDששניים B מקודקודיה הם ) C (6,15ו . D (12, −3) -קטע C AEהוא גובה לצלע , CDוקטע CFהוא גובה לצלע . ADהגבהים CFו BD -נפגשים בנקודה )) M (3, 6ראו ציור משמאל( .מצאו את משוואת E M הישר . CF A F D בדומה לרוב הבעיות שעמן יש להתמודד בחיי היומיום ,בבעיה הנ"ל ישנם נתונים מיותרים .הפותר בעיה מסוג זה חייב להבדיל בין נתונים מיותרים לבין נתונים הכרחיים, שבלעדיהם אי אפשר לפתור אותה .זה מכשול משמעותי ,נכון? דרך החשיבה ופתרון א'. מה צריך למצוא בבעיה זו? צריך למצוא את משוואת הישר . CFכפי שהסכמנו בפרק , 2נסמן את הישר גם ב. ℓ CF - מה נתון? ְלמה מהנתון בבעיה יש קשר כלשהו לישר ? CF נרשום כעת רק את הנתונים שיש להם קשר כלשהו לישר . CF ובכן ,על פי הנתון )(1.1 הקטע CFהוא גובה לצלע ADבמקבילית ABCD כמו כן נתונים שיעורי הנקודות Cו M -הנמצאות על ישר זה: )(1.2 )C (6,15 )(1.3 )M (3, 6 )לפי הנתון הנקודה Mהיא נקודת המפגש של הקטעים CFו , BD -כלומר היא נמצאת על כל אחד מקטעים אלה(. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .6שבע מנות 52 בבעיה שעלינו לפתור כעת טענה ) (1.1היא נתון מיותר .טענות ) (1.2ו (1.3)-הן נתונים הכרחיים .מי שישאל את עצמו כיצד מוצאים את המשוואה של ישר מסוים ,ואז ייזכר לפחות באחת הנוסחאות למשוואת ישר העובר דרך שתי נקודות ,יוכל להבחין בקלות בהבדלים אלה בין הנתונים .נעסוק בנוסחאות אלו ,ובשלב מאוחר יותר בסעיף זה ניעזר באחת מהן לפתרון הבעיה הנוכחית .ראשית נמצא את משוואת הישר CFבלי להיעזר באף נוסחה למשוואת ישר העובר דרך שתי נקודות. ניעזר בתשובה אחרת לשאלה "כיצד מוצאים את המשוואה של ישר מסוים?" .ניזכר שלעתים קרובות מוצאים את משוואתו של ישר בדרך הבאה: מוצאים את השיפוע mשל הישר ואת השיעורים x1ו y1 -של אחת הנקודות הנמצאות עליו .לאחר מכן מציבים את המספרים שנמצאו בנוסחה למשוואה של ישר ששיפועו m ואשר עובר דרך נקודה ) . ( x1 , y1הנוסחה להלן: ) y − y1 = m( x − x1 )(1.4 לעתים קרובות ,לפני שמנסים למצוא בדרך זו את המשוואה של ישר בודקים אם השיפוע של הישר מוגדר .אם שיפועו לא מוגדר ,כלומר הישר מאונך לציר ה) x -במילים אחרות, הישר מקביל לציר ה y -או מתלכד עמו( ,אז כדי למצוא את משוואתו די למצוא את השיעור הראשון x1של אחת הנקודות הנמצאות עליו .לאחר מכן אפשר לרשום את משוואת הישר. x = x1 : 1 שיעורי ה x -של הנקודות Cו M -שונים זה מזה )ראו את שורות ) (1.2ו .((1.3)-לכן הישר CFלא מאונך לציר ה x -ושיפעו מוגדר. כעת נשאל את עצמנו :כיצד מוצאים את השיפוע של ישר? במקרה כאשר ידועים השיעורים של שתי נקודות כלשהן המונחות על ישר ניתן לחשב את שיפועו mלפי הנוסחה )(1.5 y2 − y1 x2 − x1 =m 1באופן דומה ,אם הישר מאונך לציר ה , y -כדי למצוא את משוואתו די למצוא את שיעור y1של אחת הנקודות הנמצאות עליו .לאחר מכן אפשר לרשום את משוואת הישרy = y1 : © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 53 באגף הימני של הנוסחה האחרונה רשומים השיעורים של שתי נקודות ,הנקודות ) ( x1 , y1 ו , ( x2 , y2 ) -הנמצאות על הישר. ברשותנו שיעורים של שתי נקודת הנמצאות על הישר , CFהשיעורים של נקודות Cו- :M yC = 15 )(1.6 ) xC = 6,השיעורים של נקודה ) Cראו את השורה )((1.2 ו- yM = 6 )(1.7 ) xM = 3,השיעורים של נקודה ) Mראו את השורה )((1.3 כאשר נציב בנוסחה ) (1.5לפי השוויונים y1 = yM )(1.8 x1 = xM , ו- y2 = yC x2 = xC , נקבל את השוויון הבא עבור השיפוע mCFשל הישר : CF yC − yM xC − xM = mCF עכשיו נציב בשוויון האחרון על פי שורות ) (1.6ו (1.7)-ונקבל: 15 − 6 9 = =3 6−3 3 )(1.9 = mCF כדי לקבל את משוואת הישר CFנציב בנוסחה ) (1.4לפי השוויון m = mCFולפי שורה ) ,(1.8ונקבל: ) ℓ CF : y − yM = mCF ( x − xM )(1.10 או במקום להציב במשוואה ) (1.4לפי שורה ) (1.8נציב בה לפי השוויונים x1 = xCו- , y1 = yCונקבל: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .6שבע מנות 54 ) ℓ CF : y − yC = mCF ( x − xC )(1.11 לאחר מכן נציב בנוסחה ) (1.10לפי שורות ) (1.7ו ,(1.9)-ונקבל את המשוואה הבאה של ישר : CF )y − 6 = 3( x − 3 או נציב במשוואה ) (1.11לפי שורות ) (1.6ו ,(1.9)-ונקבל את המשוואה הבאה של ישר זה: )y − 15 = 3( x − 6 שתי המשוואות האחרונות שקולות זו לזו ולמשוואה הבאה: y = 3x − 3 )(1.12 זאת משוואה מפורשת של הישר . CF דרך החשיבה ופתרון ב'. אם נציב במשוואה ) (1.4לפי שוויון ) (1.5נקבל את הנוסחה הבאה למשוואת הישר העובר דרך שתי נקודות: y2 − y1 ) ( x − x1 x2 − x1 )(1.13 = y − y1 אם נוסף על תנאי x1 ≠ x2מתקיים גם התנאי , y1 ≠ y2אז משוואה ) (1.13שקולה למשוואה הבאה: y − y1 x − x1 = y2 − y1 x2 − x1 )(1.14 ולמשוואה הבאה )(1.15 x − x1 y − y1 = x2 − x1 y2 − y1 קל יותר לזכור את נוסחאות ) (1.14ו (1.15)-מאשר את נוסחה ) .(1.13לנוסחה ) (1.15יש יתרון נוסף על פני נוסחה ) :(1.13היא נובעת מכך שהנקודה ) ( x, yנמצאת על הישר העובר דרך הנקודות ) ( x1 , y1ו ( x2 , y2 ) -אם ,ורק אם ,הווקטור ) ( x − x1 , y − y1תלוי בווקטור © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 55 ) . ( x2 − x1 , y2 − y1 נפתור את הבעיה האחרונה בעזרת נוסחה ) .(1.15נציב בה לפי השוויונים: y2 = 15 x2 = 6, y1 = 6, x1 = 3, )ראו שורות ) (1.6ו .((1.7)-נקבל את המשוואה של הישר : CF x−3 y −6 = 6 − 3 15 − 6 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה ).(1.12 תשובה. y = 3x − 3 : הערה .1התחלנו לפתור את הבעיה בשאלה כיצד מוצאים את המשוואה של ישר מסוים. לאחר מכן אמרנו כי אחת הדרכים למציאת משוואת ישר היא למצוא את השיעורים של אחת הנקודות הנמצאות על ישר ושל שיפוע הישר; לאחר מכן אפשר להיעזר בנוסחה ).(1.4 נציין שאם שיפוע הישר ושיעורי אחת הנקודות הנמצאות עליו ידועים ,אז כדי למצוא את הגודל של האיבר החופשי nבמשוואה המפורשת y = mx + nשל הישר אפשר פשוט להציב במשוואה זאת את ערך השיפוע ואת השיעורים הידועים של הנקודה הנמצאת על הישר. לאחר שמצאנו את משוואת הישר בדרך אחת הצגנו דרך נוספת למציאתה .קיבלנו שלוש נוסחאות למשוואת הישר העובר דרך שתי נקודות ,ונעזרנו באחת מהן כדי למציאת משוואת הישר הנדרשת. אילו דרכים נוספות קיימות למציאת משוואת הישר? ישנה גם דרך זו :מוצאים את השיעורים של נקודה כלשהי הנמצאת על הישר ואת וקטור הכיוון ) u = (u1 , u2של הישר )הווקטור uהשונה מ 0 = (0, 0) -נקרא וקטור הכיוון של הישר ,אם הוא נמצא על הישר או מקביל לו(; לאחר מכן ,אם יתברר כי הישר לא מאונך לאף אחד מהצירים ,אפשר להיעזר בנוסחה הבאה למציאת משוואת הישר: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .6שבע מנות 56 x − x1 y − y1 = u1 u2 )(1.16 )כאן ) – ( x1 , y1נקודה כלשהי הנמצאת על הישר(. המשוואה האחרונה נקראת משוואה קנונית של הישר .מקבלים אותה בהסתמך על כך שנקודה ) ( x, yנמצאת על הישר אך ורק אם הווקטור ) ( x − x1 , y − y1תלוי ליניארית בווקטור הכיוון ) u = (u1 , u2של הישר. בבעיה שפתרנו הווקטור הבא הוא וקטור הכיוון של הישר : CF )u = MC = (6 − 3,15 − 6) = (3, 9 )(1.17 כאשר נציב בנוסחה ) (1.16את השיעורים של נקודה ) Mבמקום x1ו ( y1 -ואת השיעורים של וקטור הכיוון של הישר CFהרשומים בשורה ) ,(1.17נקבל את המשוואה x−3 y −6 = 3 9 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה ).(1.12 שימו לב שנוסחה ) (1.15נובעת מנוסחה ).(1.16 דרך נוספת למציאת משוואת :מוצאים את שיעוריהן של אחת הנקודות הנמצאות על הישר ואת הווקטור ) (a 2 + b 2 ≠ 0) n = (a, bהניצב לישר; לאחר מכן אפשר להיעזר בנוסחה הבאה למציאת משוואת הישר: a ( x − x1 ) + b( y − y1 ) = 0 )(1.18 )כאן ) – ( x1 , y1נקודה כלשהי הנמצאת על הישר(. כדי להבין כיצד התקבלה המשוואה האחרונה שימו לב כי באגף השמאלי שלה רשומה המכפלה הסקלרית של הווקטור ) n = (a, bהניצב לישר בווקטור ) . ( x − x1 , y − y1 לאחר פתיחת הסוגריים במשוואה האחרונה נקבל את המשוואה הכללית של הישר: , ax + by + c = 0 שבה c = − ax1 − by1 נדגים את השימוש בנוסחה ) (1.18בסעיף הבא. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 57 אם ידוע כי הישר חותך את ציר ה x -בנקודה ) , ( p, 0את ציר ה y -בנקודה ) (0, q ומתקיים p ≠ 0 :וגם , q ≠ 0אז בעזרת נוסחאות ) (1.4ו (1.5)-אפשר להגיע למשוואה הבאה של הישר: x y + =1 p q )(1.19 המשוואה האחרונה נקראת משוואת הישר בקטעים .בעזרת נוסחה ) (1.19אפשר למצוא את משוואת הישר אם הוא לא עובר דרך ראשית מערכת הצירים ,לא מקביל לאף אחד מצירי השיעורים וידוע באילו נקודת הישר חותך את הצירים. לסיום נציין שאם נשווה כל אחד מהאגפים במשוואה ) (1.16ל t -ונביע את xואת y באמצעות , tנקבל: x = x1 + u1t y = y1 + u2t משוואות אלו נקראות משוואות פרמטריות של הישר. הערה .2במקום השאלה "כיצד מוצאים את המשוואה של ישר מסוים?" אפשר לשאול "מה עלינו למצוא כדי שנוכל לרשום את משוואת הישר?". התשובה לשאלה היא :ברוב המקרים כדי שנוכל לרשום את משוואת הישר עלינו למצוא א( את השיעורים של נקודה כלשהי הנמצאת על הישר ואת השיפוע של הישר )או להראות שהשיפוע לא מוגדר( או ב( את השיעורים של שתי נקודות הנמצאות על הישר או ג( את השיעורים של נקודה כלשהי הנמצאת על הישר ואת וקטור הכיוון של הישר או ד( את השיעורים של נקודה כלשהי הנמצאת על הישר ואת הווקטור הניצב לישר או, ה( אם הישר לא מקביל לאף אחד מצירי השיעורים ולא עובר דרך ראשית הצירים, יש למצוא את השיעורים של נקודות החיתוך של הישר עם הצירים © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .6שבע מנות 58 תלמידי תיכון רגילים בדרך כלל למצוא את משוואת הישר במישור בדרך הראשונה. הערה .3אם נכפיל את משוואה ) (1.14במכנה המשותף שלה ,ובמשוואה שתתקבל נעביר את הביטוי הרשום באגף הימני לאגף השמאלי עם סימן נגדי ,נקבל את המשוואה הבאה: )(1.20 ( x2 − x1 )( y − y1 ) − ( y2 − y1 )( x − x1 ) = 0 a12 מי שיודע כי עבור הדטרמיננטה a22 a11 a21 מתקיים )לפי ההגדרה(: a12 = a11a22 − a12 a21 a22 a11 a21 יכול לרשום את משוואה ) (1.20בצורה הבאה: )(1.21 y2 − y1 =0 y − y1 x2 − x1 x − x1 מי שמתמצא יותר בדטרמיננטות יכול להראות 2כי מתקיים: )(1.22 y2 − y1 y − y1 x2 − x1 x − x1 y1 1 x1 = y2 1 x2 y x 1 ולקבל את המשוואה הבאה של הישר העובר דרך הנקודות ) ( x1 , y1ו( x2 , y2 ) - y1 1 )(1.23 y2 1 = 0 1 y x1 . x2 x נציין כי בעזרת נוסחאות ) (1.21ו (1.23)-אפשר למצוא גם את משוואות הישרים המקבילים לצירים. עוד כמה מילים על דטרמיננטות: 2אפשר לקבל את השוויון ) (1.22בדרך הבאה :לחסר מהשורות השנייה והשלישית של הדטרמיננטה הרשומה באגף השמאלי של השוויון את השורה הראשונה ,ולאחר מכן לפתח את הדטרמיננטה אשר תתקבל לפי העמודה השלישית. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 59 משפט .1שטח המקבילית הבנויה על הווקטורים ) a1 = (a11 , a12וa 2 = (a21 , a22 ) - a12 היוצאים מאותה נקודה שווה ל- a22 a12 a 11או ל- a22 a21 a11 a21 ; −אם כאשר מסובבים את הווקטור a1בזווית הקטנה מ 180° -עד שכיונו יתלכד עם כיוונו של הווקטור , a 2 הסיבוב מתבצע בניגוד לכיוון מחוגי השעון ,אז לפני הדטרמיננטה צריך לרשום את הסימן "פלוס"; ואם הסיבוב מתבצע עם כיוון מחוגי השעון ,יש לרשום לפני הדטרמיננטה את הסימן "מינוס". ניעזר במשפט זה כדי לקבל נוסחה לשטח המשולש שקודקודיו ) ( x2 , y2 ) , ( x1 , y1ו- ) . ( x3 , y3שטח משולש זה שווה למחצית שטח המקבילית הבנויה על הווקטורים ) ( x2 − x1 , y2 − y1ו . ( x3 − x1 , y3 − y1 ) -מכאן וממשפט 1נובע כי שטח המשולש שווה ל- y2 − y1 y3 − y1 1 x2 − x1 2 x3 − x1 או ל- y2 − y1 y3 − y1 1 x2 − x1 2 x3 − x1 ; −אם כאשר מסובבים את הווקטור ) ( x2 − x1 , y2 − y1בזווית קטנה מ 180° -עד שכיוונו יתלכד עם כיוונו של הווקטור ) , ( x3 − x1 , y3 − y1הסיבוב מתבצע בניגוד לכיוון מחוגי השעון ,אז לפני הדטרמיננטה צריך לרשום את הסימן "פלוס"; ואם הסיבוב מתבצע עם כיוון מחוגי השעון צריך לרשום לפני הדטרמיננטה את הסימן "מינוס". על סמך הנאמר לעיל על שטח המשולש ועל סמך שוויון ) (1.22מסיקים כי מתקיים המשפט הבא: משפט .2שטח המשולש שקודקודיו הם הנקודות ) ( x2 , y2 ) , ( x1 , y1ו ( x3 , y3 ) -שווה y1 1 y1 1 ל y2 1 - y2 y3 1 x1 1 x2או ל1 - 2 1 x3 y3 x1 1 . − x2את הסימן "פלוס" לפני הדטרמיננטה יש 2 x3 לרשום כאשר סדר הקודקודים הוא בניגוד לכיוון מחוגי השעון; ואם סדר הקודקודים הוא עם כיוון מחוגי השעון יש לרשום סימן "מינוס". אפשר להיעזר במשפט זה כדי לקבל הוכחה נוספת של נוסחה ) (1.23למשוואת הישר העובר דרך שתי נקודות .הנקודות ) ( x2 , y2 ) , ( x1 , y1ו ( x3 , y3 ) -נמצאות על אותו ישר אך ורק אם שטח ה"משולש" שהן קודקודיו הוא אפס ,כלומר אך ורק אם מתקיים: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .6שבע מנות 60 y1 1 x1 y2 1 = 0 x2 y3 1 x3 אם בשוויון האחרון נחליף את x3ב x -ואת y3ב y -נקבל את נוסחה ).(1.23 6.2מנה שנייה בסעיף זה נפתור את הבעיה הבאה: בעיה .נתונה מקבילית ABCDששניים B מקודקודיה הם ) C (6,15ו . D (12, −3) -קטע C AEהוא גובה לצלע CDוקטע CFהוא גובה לצלע . ADהגבהים CFו BD -נפגשים בנקודה )) M (3, 6ראו ציור משמאל( .מצאו את משוואת E M הישר AE A F D דרך החשיבה ופתרון. מה צריך למצוא בבעיה זו? צריך למצוא את משוואת הישר . AE ומה נתון? ְלמה מהנתון בבעיה יש קשר כלשהו לישר ? AE נרשום להלן רק את הנתונים שיש להם קשר כלשהו לישר . AE ובכן ,נתונים השיעורים של נקודה Mהנמצאת על ישר זה: )(2.1 )M (3, 6 כמו כן נתון כי )(2.2 הקטע AEהוא גובה לצלע CDבמקבילית . ABCD כיצד מוצאים את המשוואה של ישר מסוים? © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 61 בעיות רבות מסוג זה פותרים כך: מוצאים את השיפוע mשל הישר ואת השיעורים x1ו y1 -של אחת הנקודות הנמצאות עליו; לאחר מכן מציבים את המספרים שנמצאו בנוסחה הבאה למשוואה של ישר עם שיפועו mואשר עובר דרך הנקודה ) : ( x1 , y1 ) y − y1 = m( x − x1 בהסתמך על נוסחה זו מסיקים כי ) ℓ AE : y − yM = mAE ( x − xM )(2.3 ברשותנו השוויונים הבאים: )(2.4 yM = 6 ) xM = 3,ראו שורה )((2.1 עלינו למצוא את השיפוע mAEשל הישר . AEהבה נתבונן בטענה ) .(2.2ממנה נובע כי הישרים AEו CD -מאונכים זה לזה: AE ⊥ CD לכן אילו היינו יודעים מהו גודלו של השיפוע mCDשל הישר , CDהיינו יכולים לחשב את השיפוע mAEשל הישר AEלפי השוויון הבא: 1 mCD )(2.5 mAE = − לאחר מכן ,כדי לקבל את משוואת הישר AEנותר רק להציב את שיפועו ואת שיעורי הנקודה Mבנוסחה ).(2.3 כעת נתמקד בניסיון לחשב את השיפוע של הישר . CDנשאל את עצמנו :מה נתון? מה מהנתון בבעיה יכול לעזור לנו לחשב את השיפוע mCDשל הישר ? CD בין היתר נתונים השיעורים של שתי נקודות הנמצאות על הישר , CDשיעורי הנקודות Cו: D - )(2.6 ), C (6,15 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .6שבע מנות 62 ). D (12, −3 )(2.7 לכן נוכל למצוא את השיפוע mCDשל הישר CDבעזרת השוויון yD − yC xD − xC = mCD )ראו נוסחה ) (1.5בסעיף הקודם( .נציב בשוויון האחרון לפי השוויונים: y D = −3 yC = 15, xD = 6, ) xC = 6,ראו את השורות ) (2.6ו((2.7)- ונקבל: )(2.8 −3 − 15 −18 = = −3 12 − 6 6 = mCD כעת נוכל להציב בשוויון ) (2.5לפי שורה ) ,(2.8ולקבל: )(2.9 1 1 = −3 3 mAE = − לאחר שנציב בנוסחה ) (2.3את ערך השיפוע mAEאשר כעת מצאנו ואת שיעורי הנקודה ) Mראו שורה ) ,((2.4נקבל עבור הישר AEאת המשוואה הבאה: 1 )y − 6 = ( x − 3 3 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה )(2.10 1 x+5 3 =y זאת המשוואה המפורשת של הישר . AE הערה .אפשר למצוא את משוואת הישר AEבעזרת נוסחה ).(1.18 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 63 הווקטור ) CD = (12 − 6, −3 − 15) = (6, −18מאונך לישר . AEכאשר נציב בנוסחה ) (1.18את השיעורים של ווקטור זה ואת השיעורים של הנקודה )) M (3, 6את השיעורים של נקודה Mנציב במקום x1ו ( y1 -נקבל עבור הישר AEאת המשוואה הבאה: 6( x − 3) − 18( y − 6) = 0 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה ).(2.10 6.3מנה שלישית בעיה .נתונה מקבילית ABCDששניים B מקודקודיה הם ) C (6,15ו . D (12, −3) -קטע C AEהוא גובה לצלע , CDוקטע CFהוא גובה לצלע . ADהגבהים CFו BD -נפגשים בנקודה )) M (3, 6ראו ציור משמאל( .מצאו את השיעורים E M של נקודה . A A F D דרך החשיבה ופתרון. לפני שנתחיל לפתור את בעיה זו נעשה כפי שיוצרים רבים של סדרות טלוויזיה עושים: נסקור את אירועי הפרקים הקודמים. הבה ניזכר שבסעיף 6.1מצאנו את המשוואה המפורשת של הישר . CFהמשוואה היא )(3.1 y = 3x − 3 בסעיף 6.2מצאנו את השיפוע של הישר CDואת המשוואה המפורשת של הישר . AE קיבלנו כי , mCD = −3 )(3.2 1 x+5 3 = ℓ AE : y © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .6שבע מנות 64 לאחר שרעננו את זיכרוננו ,נשאל את עצמנו :מה צריך למצוא בבעיה זו? צריך למצוא את השיעורים של נקודה . A כיצד מוצאים את השיעורים של נקודה מסוימת במישור? בחלק ניכר מבעיות מסוג זה מוצאים את השיעורים הנדרשים כשיעורים של נקודה משותפת לשני קווים במישור .כדי למצוא את שיעורי הנקודה בדרך זו מבצעים את הפעולות הבאות :מוצאים שני קווים העוברים דרך הנקודה ואת משוואות הקווים; פותרים את מערכת המשוואות המורכבת ממשוואות קווים אלה .הנקודה נמצאת על כל אחד משני הקווים העוברים דרכה ולכן שיעוריה מקיימים את המשוואות של כל אחד משני הקווים .מכאן הזוג הסדור של שיעורי הנקודה הוא פתרון מערכת המשוואות המורכבת ממשוואות של שני קווים העוברים דרך הנקודה.3 נשאל את עצמנו שתי שאלות :אילו קווים עוברים דרך נקודה ? Aמשוואות של אילו שני קווים העוברים דרך הנקודה נמצאים ברשותנו או אפשר למצוא? דרך נקודה Aעוברים הישרים AB , AEו . AD -את משוואת הישר AEכבר מצאנו )ראו שורה ) .((3.2עלינו למצוא את משוואת הישר ABאו את משוואת הישר . ADאיזו משתי המשוואות עלינו למצוא כעת? בינתיים לא ידועים לנו שיעורים של נקודה כלשהי הנמצאת על ישר . ABנראה שלא נוכל למצוא את משוואת הישר לפני שנצליח למצוא את השיעורים של נקודה . Aלעומת זאת ,השיעורים של נקודה , Dהנמצאת על ישר , ADידועים לנו .לפי הנתון )D (12, −3 )(3.3 אם נצליח למצוא את השיפוע של ישר , ADנוכל גם למצוא את משוואת הישר. מה אפשר לומר על הישר ADושיעזור למצוא את שיפועו? כדי לענות על שאלה זו ,נשאלְ :למה מהנתון בבעיה וממה שכבר מצאנו יש קשר לישר ? AD לפי הנתון בבעיה הקטע CFהוא גובה לצלע ADבמקבילית . ABCD מכאן הישרים CFו AD -מאונכים זה לזה: 3 למערכת משוואות זו יכולים להיות פתרונות נוספים. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 65 CF ⊥ AD לכן )(3.4 1 mCF mAD = − את השיפוע mCFשל הישר CFכבר חישבנו .קיבלנו כי mCF = 3 )(3.5 נציב בשוויון ) (3.4על פי שוויון ) ,(3.5ונקבל: )(3.6 1 3 mAD = − נמצא את משוואת הישר ADלפי הנוסחה: ) y − yD = mAD ( x − xD נציב בנוסחה האחרונה לפי שורות ) (3.3ו ,(3.6)-ונקבל את המשוואה הבאה של הישר : AD 1 )y − (−3) = − ( x − 12 3 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: )(3.7 1 y = − x +1 3 כדי למצוא את השיעורים של נקודה Aנותר לפתור את מערכת המשוואות 1 y = 3 x + 5 y = − 1 x +1 3 המורכבת ממשוואה ) (3.2של הישר AEוממשוואה ) (3.7של הישר . AD מערכת המשוואות האחרונה שקולה למערכת המשוואות הבאה: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .6שבע מנות 66 )(3.8 1 1 3 x + 5 = − 3 x + 1 y = − 1 x +1 3 נפתור את המשוואה הראשונה של מערכת משוואות זו: 1 1 x + 5 = − x + 1 ⋅3 3 3 ⇕ x + 15 = − x + 3 ⇕ 2 x = −12 ⇕ )(3.9 x = −6 מצאנו את שיעור ה x -של הנקודה . Aקיבלנו כי )(3.10 x A = −6 נציב במשוואה השנייה של מערכת משוואות ) (3.8לפי שורה ) ,(3.9ונמצא את שיעור ה- yשל נקודה זו: 1 y = − ⋅ (−6) + 1 3 ⇕ y=3 מצאנו את שיעור ה y -של נקודה . Aקיבלנו כי )(3.11 yA = 3 כעת ברשותנו שני השיעורים של נקודה . Aקיבלנו כי ). A( −6, 3 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 67 6.4מנה רביעית בעיה .נתונה מקבילית ABCDששניים B מקודקודיה הם ) C (6,15ו . D (12, −3) -קטע C AEהוא גובה לצלע , CDוקטע CFהוא גובה לצלע . ADהגבהים CFו BD -נפגשים בנקודה )) M (3, 6ראו ציור משמאל( .מצאו את המשוואה E M של הצלע . AB A F D דרך החשיבה ופתרון. בשלושת הסעיפים הקודמים קיבלנו כי , ℓ CF : y = 3 x − 3 , mCD = −3 )(4.1 1 x+5 3 = ℓ AE : y ומצאנו את השיעורים של נקודה . Aקיבלנו: ). A( −6, 3 )(4.2 כעת אנחנו מוכנים למשימה חדשה. כרגיל נתחיל בשאלה :מה צריך למצוא בבעיה זו? צריך למצוא את המשוואה של הישר . AB כיצד מוצאים את המשוואה של ישר מסוים? לעתים קרובות מוצאים את המשוואה של ישר כך: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .6שבע מנות 68 מוצאים את השיפוע mשל הישר ואת השיעורים x1ו y1 -של אחת הנקודות הנמצאות עליו; לאחר מכן מציבים את המספרים שנמצאו בנוסחה למשוואה של ישר עם שיפועו m ואשר עובר דרך הנקודה ) : ( x1 , y1 ) . y − y1 = m( x − x1 את השיעורים של אחת הנקודות הנמצאות על הישר , ABכלומר את השיעורים של נקודה , Aכבר מצאנו )ראו את השורה ).((4.2 ננסה למצוא את השיפוע mABשל הישר . ABבמטרה למצוא את mABנשאל את עצמנו: במה מהנתון בבעיה עוד לא השתמשנו ? 4 עוד לא השתמשנו בכך שלפי הנתון )(4.3 המרובע ABCDהוא מקבילית. מכאן . AB CD )(4.4 שני ישרים במישור )שאינם מתלכדים זה עם זה( מקבילים זה לזה אך ורק אם שיפועיהם שווים זה לזה או אם לכל אחד מהישרים שיפוע לא מוגדר .לכן מטענה )(4.4 נובע כי . m AB = mCD )(4.5 את השיפוע של הישר CDכבר מצאנו )ראו שורה ).((4.1 משוויונים ) (4.1ו (4.5)-נובע )לפי כלל המעבר( כי . m AB = −3 )(4.6 נוכל למצוא את משוואת הישר ABלפי הנוסחה הבאה: ) . y − y A = mAB ( x − x A 4כלומר ,לא השתמשנו בסעיפים הקודמים. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 69 נציב בנוסחה האחרונה את השיעורים של נקודה Aואת גודלו של mABאשר מצאנו )ראו שורות ) (4.2ו ,((4.6)-ונקבל את המשוואה של הישר : AB )y − 3 = −3 ⋅ ( x + 6 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: y = −3 x − 15 זאת משוואה מפורשת של הישר . AB 6.5מנה חמישית בעיה .נתונה מקבילית ABCDששניים B מקודקודיה הם ) C (6,15ו . D (12, −3) -קטע C AEהוא גובה לצלע , CDוקטע CFהוא גובה לצלע . ADהגבהים CFו BD -נפגשים בנקודה )) M (3, 6ראו ציור משמאל( .מצאו את השיעורים E M של נקודה . B A F D דרך החשיבה ופתרון. מה צריך למצוא בבעיה זו? צריך למצוא את השיעורים של נקודה . B אפשר למצוא את שיעורי הנקודה הזאת כשיעורי נקודת החיתוך של הישרים ABו- , BCאך אנחנו נמצא את השיעורים בדרך אחרת ,טובה יותר. לפי הנתון המרובע ABCDהוא מקבילית. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .6שבע מנות 70 ברשותנו שיעורים של הקודקודים C , Aו D -של המקבילית: )(5.1 )) A( −6, 3קיבלנו בסעיף (6.3 )(5.2 )) C (6,15לפי הנתון( , )(5.3 )) D (12, −3לפי הנתון(. קיים משפט שלפיו :האלכסונים במקבילית חוצים זה את זה .לכן נקודת מפגש האלכסונים של המקבילית ABCDהיא אמצע של הקטע ACושל הקטע . BDמכאן, אם נסמן ב N -את נקודת המפגש של האלכסונים המדוברים ,נקבל כי עבור שיעוריה מצד אחד מתקיים: )(5.4 x A + xC 2 = xN )(5.5 y A + yC 2 = yN ומצד שני מתקיים: )(5.6 )(5.7 xB + x D 2 yB + yD 2 = xN = . yN כאשר נציב בארבעת השוויונים האחרונים את שיעורי הנקודות C , Aו D -הידועים לנו )ראו שורות ) (5.2) ,(5.1ו ((5.3)-נקבל את מערכת המשוואות הבאה: −6 + 6 2 3 + 15 = 2 x + 12 = B 2 y −3 = B 2 = xN y N x N yN © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 71 זאת מערכת של ארבע משוואות עם ארבעת הנעלמים הבאים xB , yN , xN :ו . yB -היא שקולה למערכת המשוואות הבאה: =0 =9 xB + 12 2 y −3 = B 2 )(5.8 = xN yN xN yN נציב במשוואה השלישית של המערכת האחרונה לפי המשוואה הראשונה שלה ,ונקבל את המשוואה הבאה: xB + 12 2 =0 פתרון המשוואה האחרונה הוא: xB = −12 כעת נציב במשוואה הרביעית של מערכת משוואות ) (5.8לפי המשוואה השנייה שלה, ונקבל: yB − 3 2 =9 פתרון המשוואה האחרונה הוא: yB = 21 קיבלנו כי )B ( −12, 21 הערה .שימו לב ,היינו צריכים למצוא את xBואת , yBאך לא יכולנו למצוא אותם רק בעזרת המשוואות xB + 12 y −3 , yN = B 2 2 = xN © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .6שבע מנות 72 אשר התקבלו על סמך השוויונים ) (5.6ו .(5.7)-היינו צריכים למצוא קודם את xNואת . yNכדי למצוא את השיעורים xNו yN -של נקודה Nנעזרנו בשוויונים ) (5.4ו.(5.5)- פתרון זה לבעיה הוא דוגמה לכך שלפעמים כדי למצוא nנעלמים יש לבחון גם kנעלמים נוספים ,ולהרכיב מערכת של n + kמשוואות עם n + kנעלמים .נציין שלפעמים אפשר למצוא nנעלמים אם מרכיבים מערכת שבה יהיו n + kנעלמים ומספר המשוואות יהיה קטן מ . n + k -לדוגמה ,אם עלינו למצוא xוידוע כי מתקיים x + 4 y + 6 z = 9וגם , 2 y + 3z = 4אז נוכל לעשות זאת גם בלי לנסות להרכיב את המשוואה השלישית. 6.6מנה שישית בעיה .נתונה מקבילית ABCDששניים B מקודקודיה הם ) C (6,15ו . D (12, −3) -קטע C AEהוא גובה לצלע CDוקטע CFהוא גובה לצלע . ADהגבהים CFו BD -נפגשים בנקודה )) M (3, 6ראו ציור משמאל(. E M ענו על השאלה :האם המקבילית ABCDהיא מעוין? נמקו את תשובתכם. A F דרך החשיבה ופתרון. D מה אנו מתבקשים לעשות בבעיה זו? עלינו להוכיח כי המקבילית ABCDהיא מעוין או להפריך את הטענה. כיצד בודקים אם מקבילית היא מעוין או לא? אחת הדרכים לפתרון בעיות מסוג זה היא לבדוק אם שתי צלעות סמוכות במקבילית שוות זו לזו .אם אכן שתי צלעות סמוכות במקבילית שוות זו לזו ,המקבילית היא מעוין. אם יתברר כי שתי הצלעות לא שוות זו לזו ,המקבילית אינה מעוין. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 73 דרך שנייה לפתרון בעיות מסוג זה היא לבדוק אם האלכסונים במקבילית מאונכים זה לזה .אם אלכסונים במקבילית מאונכים זה לזה ,המקבילית היא מעוין .אם אלכסונים במקבילית לא מאונכים זה לזה ,המקבילית אינה מעוין. דרך שלישית לפתרון בעיות מסוג זה היא לבדוק אם האלכסונים במקבילית חוצים את זוויותיה .אם אלכסונים במקבילית חוצים את זוויותיה ,המקבילית היא מעוין .אם הם לא חוצים את זוויות המקבילית ,המקבילית אינה מעוין. נפתור את הבעיה בדרך הראשונה .ברשותנו שיעורי כל קודקודי המקבילית : ABCD )) A( −6, 3קיבלנו בסעיף (6.3 )) B ( −12, 21קיבלנו בסעיף (6.5 )) C (6,15לפי הנתון(, )) D (12, −3לפי הנתון(. ניעזר רק בשיעורים של שלושה קודקודים של המקבילית :בשיעורים של נקודות B , Aו- . Dנחשב את אורכי הצלעות ADו BC -בעזרת הנוסחה: d = ( x1 − x2 )2 + ( y1 − y2 )2 כאן dהוא מרחק בין נקודה ) ( x1 , y1לבין נקודה ) . ( x2 , y2 על סמך הנוסחה האחרונה נקבל: = AD = ( xA − xD ) 2 + ( y A − yD ) 2 = (−6 − 12) 2 + (3 − (−3))2 360 יח' = = (−18) 2 + 62 = CD = ( xC − xD ) 2 + ( yC − yD ) 2 = (6 − 12) 2 + (15 − (−3))2 360 יח' = = (−6) 2 + 182 קיבלנו כי 360 יח' = AD © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .6שבע מנות 74 וגם 360 יח' = CD מכאן AD = CD לכן המקבילית ABCDהיא מעוין. תרגיל .פתרו בעצמכם את הבעיה בדרך השנייה ובדרך השלישית שלעיל. 6.7מנה שביעית בעיה .נתונה מקבילית ABCDששניים B מקודקודיה הם ) C (6,15ו . D (12, −3) -קטע C AEהוא גובה לצלע CDוקטע CFהוא גובה לצלע . ADהגבהים CFו BD -נפגשים בנקודה )) M (3, 6ראו ציור משמאל(. E M מצאו את היקף המקבילית ABCDואת שטחה. A דרך החשיבה ופתרון. מה צריך למצוא בבעיה זו? F D צריך למצוא את היקף המקבילית ABCDואת השטח שלה. נמצא קודם את ההיקף LABCDשל המקבילית. מהו ההיקף של מקבילית? ההיקף של מקבילית הוא סכום אורכי הצלעות של המקבילית. 5 5 היקף של מצולע הוא סכום אורכי הצלעות של המצולע. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 75 בפרק הקודם קיבלנו כי המקבילית ABCDהיא מעוין שאורך צלעו 360 יח' . במילים אחרות קיבלנו כי המקבילית ABCDהיא מרובע שאורך כל אחת מצלעותיו היא 360 יח' . לכן 50.596יח' ≈ 16 10יח' = LABCD = 4 AD = 4 360 = 4 36 ⋅ 10 כעת נחשב את שטח המקבילית . ABCDמקבילית זו היא מעוין .לכן נשאל את עצמנו: כיצד מחשבים שטח של מעוין? אחת הדרכים לפתרון בעיות מסוג זה היא להיעזר במשפט :השטח של מעוין שווה למחצית המכפלה של אלכסוניו .6לפי משפט זה מתקיים: AC ⋅ BD 2 )(7.1 = S ABCD ברשותנו השיעורים של כל קודקודי המעוין : ABCD )) A( −6, 3קיבלנו בסעיף (6.3 )) B ( −12, 21קיבלנו בסעיף (6.5 )) C (6,15לפי הנתון(, )) D (12, −3לפי הנתון(. נוכל לחשב את אורכי הקטעים ACו BD -בעזרת הנוסחה d = ( x1 − x2 )2 + ( y1 − y2 )2 כאן dהוא מרחק בין נקודה ) ( x1 , y1לבין נקודה ) . ( x2 , y2 על סמך הנוסחה האחרונה נקבל: 6כאשר מדברים על מכפלת אלכסונים של מעוין )או מצולע אחר( מתכוונים למכפלת אורכי האלכסונים. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .6שבע מנות 76 = AC = ( x A − xC ) 2 + ( y A − yC )2 = (−6 − 6) 2 + (3 − 15)2 12 2יח' = = (−12) 2 + 122 = 2 ⋅122 = BD = ( xB − xD )2 + ( yB − yD ) 2 = (−12 − 12) 2 + (21 − (−3))2 24 2יח' = = (−24) 2 + 24 2 = 2 ⋅ 24 2 קיבלנו כי 12 2יח' = , AC 24 2יח' = . BD נציב בשוויון ) (7.1לפי שני השוויונים האחרונים ,ונקבל: (12 2) ⋅ (24 2) 12 ⋅ 24( 2)2 = = = 2 2 12 ⋅ 24 ⋅ 2 288יח"ר = = 12 ⋅ 24 2 S ABCD = נחשב את שטח המקבילית בדרך אחרת .הפעם לא נסתמך על כך שהמקבילית היא מעיון. ניעזר במשפט :השטח של מקבילית שווה למכפלת צלע המקבילית בגובה המורד לאותה צלע .לפי משפט זה מתקיים: S ABCD = CD ⋅ AE )(7.2 בסעיף הקודם קיבלנו כי )(7.3 360 יח' = CD כדי שנוכל לחשב את שטח המקבילית בעזרת השוויון ) (7.2עלינו למצוא את אורך הקטע . AEאפשר לעשות זאת בדרכים שונות .אחת הדרכים היא למצוא את שיעורי נקודה E ולאחר מכן למצוא את המרחק בין נקודה זו לנקודה . Aכדי למצוא את שיעורי נקודה E צריך למצוא את משוואת הישר CDולאחר מכן לפתור את מערכת המשוואות המורכבת © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 77 ממשוואות הישרים CDו . AE -את המשוואה המפורשת של הישר AEמצאנו בסעיף .6.2 נחשב את אורך הקטע AEבדרך אחרת .ניעזר בנוסחה לחישוב מרחק בין נקודה לישר: ax1 + by1 + c )(7.4 a2 + b2 = ) d ( P, ℓ כאן a 2 + b 2 ≠ 0ו d ( P, ℓ ) -הוא מרחק בין נקודה ) P ( x1 , y1לישר . ℓ : ax + by + c = 0 את המרחק בין נקודה לישר מגדירים כאורך האנך המורד מנקודה לישר .לכן המרחק בין נקודה Aלישר CDהוא אורך הקטע . AEאם ברצוננו לחשב את אורך הקטע AE בעזרת נוסחה ) ,(7.4עלינו למצוא משוואה כללית של הישר . CDנעשה זאת ,אך קודם נמצא משוואה של הישר לפי הנוסחה ) y − yC = mCD ( x − xC )(7.5 לפי הנתון yC = 15 )(7.6 xC = 6, ולפי סעיף 6.2קיבלנו כי )(7.7 mCD = −3 נציב בנוסחה ) (7.5לפי שורות ) (7.6ו ,(7.7)-ונקבל את המשוואה הבאה של הישר : CD )y − 15 = −3( x − 6 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הכללית של הישר : CD 3 x + y − 33 = 0 כדי למצוא את המרחק מנקודה ) A( −6, 3לישר CDבעזרת נוסחה ) (7.4נציב בה לפי השוויונים: . a = 3, b = 1, c = −33, x1 = −6, y1 = 3 נקבל: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .6שבע מנות 78 48 48 10 = 4.8 10יח' = 10 10 = 3 ⋅ (−6) + 1 ⋅ 3 − 33 32 + 12 = ) d ( A, lCD מכאן 4.8 10יח' = AE )(7.8 אפשר לקבל את השוויון האחרון גם בעזרת נוסחה לחישוב מרחק בין ישרים מקבילים. מגדירים מרחק בין שני ישרים מקבילים כמרחק בין נקודה שרירותית כלשהי הנמצאת על אחד ישרים לישר השני .כלומר מרחק בין שני ישרים מקבילים הוא אורך האנך המורד מנקודה שרירותית כלשהי הנמצאת על אחד הישרים לישר השני .מכאן מרחק בין הישרים המקבילים ABו CD -הוא אורך האנך AEהמורד לישר CDמנקודה , Aהנמצאת על ישר . AB מרחק ) d (ℓ 1 , ℓ 2בין ישרים מקבילים ℓ1 : ax + by + c1 = 0וℓ 2 : ax + by + c2 = 0 - אפשר לחשב בעזרת הנוסחה c1 − c2 )(7.9 a 2 + b2 = ) d (ℓ 1 , ℓ 2 בסעיף 6.2קיבלנו את המשוואה של הישר : AB y = −3 x − 15 היא שקולה למשוואה הבאה: 3 x + y + 15 = 0 זאת משוואה כללית של ישר . AB קיבלנו את המשוואה הכללית הבאה של ישר : CD 3 x + y − 33 = 0 כדי לחשב את המרחק בין ישרים מקבילים ABו CD -בעזרת נוסחה ) (7.9נציב בה לפי השוויונים הבאים: . a = 3, b = 1, c1 = 15, c2 = −33 נקבל: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 48 48 10 = 4.8 10יח' = 10 10 79 = | )|15 − (−33 32 + 12 = ) d (ℓ AB , ℓ CD מכאן נובע כי 4.8 10יח' = ) AEזהו שוויון ) (7.8אשר קיבלנו קודם בדרך אחרת( כעת אפשר לחשב את שטח המקבילית ABCDבעזרת שוויון ) .(7.2נציב בשוויון זה לפי השוויונים ) (7.3ו ,(7.8)-ונקבל: = )S ABCD = ( 360)(4.8 10) = (6 10)(4.8 10 288יח"ר = = (6 ⋅ 4.8)( 10) 2 = 6 ⋅ 4.8 ⋅10 = 6 ⋅ 48 הערה .אפשר לחשב את שטח המקבילית ABCDגם בדרך הבאה :ראשית למצוא את הווקטורים ABו , AD -ולאחר מכן להיעזר במשפט 1מהערה 3בסעיף .6.2 דרך נוספת לחישוב שטח המקבילית היא לחשב את שטח המשולש ABCבעזרת משפט 2מהערה 3בסעיף 6.2ולהכפיל אותו ב. 2 - © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .7היא בפנים 80 .7היא בפנים בסופרמרקט לא התפתיתי מיופיים של הענבים השחורים .ידעתי שהם עם גרעינים ,ורציתי בלי .עברתי אל הארגזים עם הענבים הירוקים .ליד אחד מהם עמד קונה אשר הכניס לפיו ענב אחר ענב .להערכתי, הוא היה בערך כבן שמונים. שאלתי אותו" :ענבים אלו ללא גרעינים?" "הענבים עם הגרעינים נמצאים שם ",השיב האיש ,תוך שהוא מצביע על הארגזים עם הענבים השחורים. "אינני רוצה ענבים עם גרעינים .הגד נא לי ,האם הענבים שאתה טועם הם ללא גרעינים?" פניו של האיש הביעו מבוכה והוא משך בכתפיו .קשה להאמין ,אך האיש לא ידע האם יש גרעינים בענבים שאכל .הוא השליך ענב נוסף לפיו .שמתי לב שבזמן שלעס את הענב ,עיניו הורמו אל התקרה. דומה היה כי הוא שקוע כולו בניסיון למצוא את התשובה לשאלתי. "נו ,יש גרעינים בענבים או לא?" שאלתי בסבלנות. ושוב הבעת מבוכה על פניו ומשיכת כתפיים ... .ועוד ענב נשלך לפיו ... גם אנוכי טעמתי ענב .הוא היה בלי גרעינים .שמתי קופסת ענבים בעגלתי והלכתי .כאשר התרחקתי מעט מהזקן ,הסתכלתי עליו .הוא המשיך להכניס ענבים לפיו ,להרים את עיניו אל התקרה ולמשוך בכתפיו .כשעזבתי את הסופרמרקט ראיתי שעדיין הזקן מנסה ,אך ללא הועיל ,לברר האם יש גרעינים בענבים. אל תלעגו לאיש ,ולו רק בשל גילו המופלג .סיבה נוספת ,לפני שאתם שופטים אנשים אחרים ,כדאי שתתבוננו במראה .קרוב לוודאי ,שלא אחת קרה ש"לעסתם" ו"לעסתם" מבלי שתחושו את ה"גרעין". במקרה של הזקן הוא לפחות נהנה מה"מחקר". בעיה .נתונות נקודות ) B(14,5) , A(1, 7ו . C (16, 4) -הוכיחו כי נקודה ) D(7, 6נמצאת בתוך המשולש . ABC דרך החשיבה ופתרון. מה צריך להוכיח? © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 81 צריך להוכיח כי נקודה ) D(7, 6נמצאת בתוך המשולש שקודקודיו הם הנקודות ) B(14,5) , A(1, 7ו. C (16, 4) - כיצד אפשר להוכיח כי נקודה מסוימת נמצאת בתוך משולש? כדי לענות על שאלה זו נשאל את עצמנו :מה אפשר לומר על משולשים שיעזור לנו להגיע לפתרון? באיזו תכונה של משולשים אפשר להיעזר כדי להוכיח שנקודה מסוימת נמצאת בתוך משולש מסוים? כל משולש הוא מצולע קמור .מצולע קמור הוא מצולע שעבור כל צלעותיו מתקיים התנאי הבא :אם נעביר ישר דרך הצלע ,יימצא המצולע כולו )פרט לאותה צלע( מצדו האחד של הישר .אם ידועים שיעורי קודקודיו של המצולע ,אז כדי לבדוק אם המצולע קמור די לבדוק עבור כל אחת מצלעותיו אם כל קודקודיו )פרט לקצות הצלע( נמצאים מצדו האחד של הישר העובר דרך הצלע .נוסף על כך נציין כי משולשים ,מקביליות ,טרפזים ומצולעים משוכללים הם כולם מצולעים קמורים. אפשר להוכיח שנקודה מסוימת נמצאת בתוך מצולע קמור מסוים בדרך הבאה :להוכיח עבור כל אחת מצלעות המצולע שאותה נקודה וקודקוד כלשהו של המצולע שאינו מתלכד עם אף אחד מקצות הצלע -שניהם נמצאים מצדו האחד של הישר העובר דרך הצלע. על סמך הנאמר לעיל מסיקים כי נקודה Dנמצאת בתוך המשולש ABCאך ורק אם מתקיימים שלושת התנאים הבאים: )(1 הנקודות Cו D -נמצאות מצדו האחד של הישר ; AB )(2 הנקודות Bו D -נמצאות מצדו האחד של הישר ; AC )(3 הנקודות Aו D -נמצאות מצדו האחד של הישר . BC כיצד אפשר להוכיח כי שתי נקודות נמצאות מצדו האחד של ישר מסוים? אם משוואת הישר היא ) x = x1הישר מאונך לציר ה , ( x -אז שתי נקודות נמצאות מצד אחד שלו אך ורק אם שיעורי ה x -של הנקודות שניהם גדולים מ x1 -או שניהם קטנים מ- . x1אם שיפוע הישר מוגדר ,אז שתי נקודות נמצאות מצד אחד שלו אך ורק אם שתיהן נמצאות מעל הישר או אם שתיהן נמצאות מתחתיו. וכיצד אפשר לברר אם נקודה מסוימת נמצאת מעל ישר מסוים ששיפועו מוגדר ,מתחת לישר זה או על הישר? © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .7היא בפנים 82 כדי לברר אם נקודה מסוימת נמצאת על ישר מסוים מציבים את שיעורי הנקודה במשוואת הישר; אם מתקבל פסוק אמת ,אז הנקודה נמצאת על הישר ,ואם מתקבל פסוק שקר ,הנקודה לא נמצאת על הישר. אך זו אינה תשובה מלאה לשאלה ששאלנו .הרי אם נפעל בדרך זו ונקבל כי הנקודה לא מונחת על הישר ,עדיין לא נוכל לומר אם היא נמצאת מעליו או מתחתיו. כדי להגיע לתשובה מלאה ,נשאל את עצמנו :מהו פירוש הביטוי" :נקודה ) P ( x1 , y1 נמצאת מעל ישר "( b ≠ 0 ) ℓ : ax + by + c = 0ומהו פירוש הביטוי" :נקודה ) P ( x1 , y1 נמצאת מתחת לישר ? "( b ≠ 0 ) ℓ : ax + by + c = 0 כדי להבין את משמעות שני הביטויים עלינו להתבונן בנקודת החיתוך של הישר ℓעם ישר העובר דרך נקודה Pומאונך לציר ה . x -נסמן את שיעור ה y -של נקודת חיתוך זו ב- . y2אם מתקיים , y1 > y2 :אז נקודה Pנמצאת מעל הישר , ℓואילו אם מתקיים , y1 < y2אז נקודה Pנמצאת מתחת הישר ) . ℓאם , y1 = y2אז נקודה Pנמצאת על הישר (. ℓ משוואת הישר העובר דרך הנקודה ) P ( x1 , y1ומאונך לציר ה x -היא: . x = x1 ) P ( x1 , y1 y ) ( x1 , y2 y a c y2 = − x1 − b b ) ( x1 , y2 ) P ( x1 , y1 x = x1 x = x1 x x y1 > y2 y1 < y2 המשוואה המפורשת של הישר ℓהיא a c x− b b y=− © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 83 לכן a c x1 − b b )(4 y2 = − מטענה ) (4ומהנאמר לעיל על מיקומה של נקודה ) P ( x1 , y1ביחס לישר ( b ≠ 0 ) ℓ : ax + by + c = 0נובע כי • נקודה Pנמצאת מעל הישר ℓאך ורק אם מתקיים: a c x1 − b b )(5 • y1 > − נקודה Pנמצאת מתחת לישר ℓאך ורק אם מתקיים: a c x1 − b b )(6 y1 < − אם , b > 0אז אי-שוויון ) (5שקול לאי-שוויון ax1 + by1 + c > 0 ואי-שוויון ) (6שקול לאי-שוויון ax1 + by1 + c < 0 על סמך הנאמר לעיל אפשר להסיק כי )( 7 )(8 )(9 נקודה ) P ( x1 , y1נמצאת על ישר ℓ : ax + by + c = 0אך ורק אם מתקיים; ax1 + by1 + c = 0 : נקודה ) P ( x1 , y1נמצאת מעל ישר ( b > 0 ) ℓ : ax + by + c = 0אך ורק אם מתקיים; ax1 + by1 + c > 0 : נקודה ) P ( x1 , y1נמצאת מתחת לישר ( b > 0 ) ℓ : ax + by + c = 0אך ורק אם מתקיים. ax1 + by1 + c < 0 : © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .7היא בפנים 84 כעת נוכל להוכיח את טענות ) (2) ,(1ו (3)-בשתי דרכים :אפשר להיעזר בטענות ) (8ו,(9)- או להסתמך על פירוש הביטוי "נקודה ) P ( x1 , y1נמצאת מעל ישר ℓ : ax + by + c = 0 ) "( b ≠ 0ועל פירוש הביטוי " :נקודה ) P ( x1 , y1נמצאת מתחת לישר ℓ : ax + by + c = 0 ) ."( b ≠ 0 כך או כך ,כדי להוכיח את טענה ) (1צריך למצוא קודם כל את משוואת הישר ; ABכדי להוכיח את טענה ) (2נצטרך למצוא את משוואת הישר ; ACלהוכחת טענה ) (3נזדקק למשוואת הישר . BC נמצא את משוואת הישר ABלפי הנוסחה הבאה: )(10 ) y − y A = m AB ( x − x A לשם כך נחשב את שיפוע הישר : AB )(11 5−7 2 =− 14 − 1 13 = m AB נציב בנוסחה ) (10לפי שורה ) (11ואת השיעורים של נקודה , Aונקבל: 2 )( x − 1 13 y−7 = − המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: )(12 2 2 x+7 13 13 y=− זו משוואה מפורשת של הישר . ABהיא שקולה למשוואה הבאה: )(13 2 x + 13 y − 93 = 0 המשוואה האחרונה היא משוואה כללית של הישר . ABנזדקק לה להוכחת טענה )(1 בהסתמך על טענה ) (8או על טענה ) .(9שימו לב כי המקדם של yבמשוואה ) (13הוא מספר חיובי. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 85 נציב את שיעורי הנקודה ) C (16, 4בביטוי הרשום באגף השמאלי של משוואה )(13 ונקבל כי ערך הביטוי בנקודה Cהוא . −9לפי טענה ) (9מכאן נובע כי הנקודה Cנמצאת מתחת לישר AB )(14 כעת נציב את שיעורי הנקודה ) D(7, 6בביטוי שבאגף השמאלי של משוואה ) (13ונקבל כי ערך הביטוי בנקודה Dהוא . −1לפי טענה ) (9מכאן נובע כי הנקודה Dנמצאת מתחת לישר AB )(15 מטענות ) (14ו (15)-נובע כי טענה ) (1מתקיימת. כעת נוכיח את טענות ) (14ו (15)-בדרך אחרת .הפעם נסתמך על פירושו של כל אחד מהביטויים. נסמן ב E -את נקודת החיתוך של הישר ABעם הישר ) x = 16הישר האחרון עובר דרך הנקודה ) C (16, 4ומאונך לציר ה .( x -הזוג הסדור של השיעורים של נקודה Eהוא פתרון של המערכת הבאה: 2 2 y = − x + 7 13 13 x = 16 המשוואה הראשונה במערכת זו היא משוואה מפורשת ) (12של הישר . ABאם פותרים את מערכת המשוואות האחרונה מקבלים כי 9 ) 13 )(16 E (16, 4 שיעור ה y -של נקודה Cקטן משיעור ה y -של נקודה : E yC < yE מכאן נובע כי טענה ) (14מתקיימת. כעת נסמן ב F -את נקודת החיתוך של הישר ABעם הישר ) x = 7הישר האחרון עובר דרך הנקודה ) D(7, 6ומאונך לציר ה .( x -הזוג הסדור של השיעורים של נקודה F הוא פתרון של המערכת הבאה: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .7היא בפנים 86 2 2 y = − x + 7 13 13 x = 7 אם פותרים את מערכת המשוואות האחרונה מקבלים כי 1 ) 13 )(17 F (7, 6 y 1 ) 13 9 ) 13 E (16, 4 F (7, 6 )A(1, 7 )B(14,5 )D(7, 6 )C (16, 4 x = 16 x=7 x שיעור ה y -של נקודה Dקטן משיעור ה y -של נקודה : F yD < y F מכאן נובע כי טענה ) (15מתקיימת. כפי שכבר אמרנו ,מטענות ) (14ו (15)-נובע כי טענה ) (1מתקיימת. הוכיחו את טענות ) (2ו (3)-בעצמכם בתור תרגיל. מטענות ) (2) ,(1ו (3)-נובע כי נקודה Dנמצאת בתוך המשולש . ABC מש"ל. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 87 .8לא מפסיקים לשאול :מה זה אמא? מה זה? What in a name? that which we call a rose By any other name would as sweet. )(William Shakespeare אני המחבר, איש הקורא לכל דבר בשמו, הגוזל את ריח הפרחים. )אלכסנדר בלוק( כותרת זו ודאי מעוררת תימהון – במה מדובר בפרק זה? מדוע הוא נקרא כך? בפרק "מה זה אמא? מה זה?" בספרי "שיטות חשיבה בהנדסת המישור" כתבתי":שימוש בהגדרות הוא אחד הכלים החשובים לפתרון בעיות מתמטיות .השאלה 'מה זה?' ,שילדים קטנים נוהגים לשאול את הוריהם ,יכולה לכוון את המחשבות בדרך נכונה ולעזור לפתור בעיות. לעתים כאשר חושבים על השאלה 'מה זה?' מקבלים תשובה לשאלה 'כיצד ."'?...גם בגיאומטריה אנליטית השאלה "מה זה?" עוזרת לפתור בעיות .אדגים זאת בפרק הנוכחי. בעיה .נתון מעגל , ( x − 2)2 + ( y − 4) 2 = 25ונתונות נקודות ) A(−1, 0ו. B(5,8) - הוכיחו כי הקטע ABהוא קוטר במעגל הנתון. דרך החשיבה ופתרון. מה צריך להוכיח בבעיה? צריך להוכיח כי )(1 הקטע ABהמחבר את הנקודות ) A(−1, 0ו B(5,8) -הוא קוטר במעגל ( x − 2) + ( y − 4) = 25 2 2 מה זה קוטר של מעגל? © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .8לא מפסיקים לשאול :מה זה אמא? מה זה? 88 קוטר של מעגל הוא מיתר במעגל אשר עובר דרך מרכז המעגל. 1 כעת מובן שעלינו להוכיח את שתי הטענות הבאות: )(2 הקטע ABהמחבר את הנקודות ) A(−1, 0ו B(5,8) -הוא מיתר במעגל ; ( x − 2)2 + ( y − 4) 2 = 25 )(3 הקטע ABהמחבר את הנקודות ) A(−1, 0ו B(5,8) -עובר דרך מרכז המעגל . ( x − 2)2 + ( y − 4) 2 = 25 נוכיח קודם את טענה ) .(2כדי להבין אותה טוב יותר נשאל את עצמנו :מה זה מיתר במעגל? מיתר במעגל הוא קטע המחבר שתי נקודות הנמצאות על המעגל .במילים אחרות :מיתר במעגל הוא קטע שקצותיו נמצאים על המעגל .לכן טענה ) (2מתקיימת אך ורק אם )(4 הנקודה ) A(−1, 0נמצאת על המעגל ( x − 2)2 + ( y − 4) 2 = 25 וגם )(5 הנקודה ) B(5,8נמצאת על המעגל . ( x − 2)2 + ( y − 4) 2 = 25 כיצד בודקים אם נקודה נמצאת על קו מסוים? מציבים את שיעורי הנקודה במשוואה של הקו .אם יתקבל פסוק אמת ,אז הנקודה נמצאת על הקו ,ואם יתקבל פסוק שקר ,הנקודה לא נמצאת על הקו .וזה מפני שלפי הגדרה ,משוואת הקו היא משוואה שכל הנקודות הנמצאות על הקו מקיימות אותה ,ואילו כל הנקודות שאינן נמצאות על הקו לא מקיימות אותה. נוכיח את טענה ) .(4נציב את השיעורים של נקודה Aבמשוואה של המעגל הנתון .נקבל: (−1 − 2)2 + (0 − 4) 2 = 25 שוויון זה שקול לשוויון 2הבא 25 = 25 1 2 גם אורך המיתר העובר דרך מרכז המעגל נקרא קוטר המעגל. כאשר אומרים ששוויון אחד שקול לשוויון אחר מתכוונים כי התקיימות השוויון הראשון שקולה להתקיימותו של השוויון השני ,כלומר כל אחד משני השוויונים מתקיים אך ורק אם השוויון האחר מתקיים. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 89 השוויון האחרון הוא פסוק אמת .לכן טענה ) (4מתקיימת. נוכיח את טענה ) .(5נציב את השיעורים של נקודה Bבמשוואה של המעגל הנתון .נקבל: (5 − 2) 2 + (8 − 4) 2 = 25 שוויון זה שקול לשוויון הבא . 25 = 25 השוויון האחרון הוא פסוק אמת .לכן טענה ) (5מתקיימת. מטענות ) (4ו (5)-נובע כי טענה ) (2מתקיימת. כעת נוכיח את טענה ) .(3נסמן את מרכז המעגל הנתון ב , M -ונשאל את עצמנו :מהם השיעורים של נקודה ? M כדי לענות על השאלה האחרונה עלינו להיזכר כי הנוסחה למשוואת המעגל שמרכזו נקודה ) (a, bושהרדיוס שלו Rהיא ( x − a ) 2 + ( y − b) 2 = R 2 )(6 אם שוכחים את הנוסחה ,אפשר להגיע אליה מחדש אם שואלים :מה זה מעגל? מעגל שמרכזו נקודה ) (a, bורדיוסו Rהוא המקום הגיאומטרי של כל הנקודות ) ( x, y במישור שמרחקן מהנקודה ) (a, bשווה ל . R -מכאן ומהנוסחה d = ( x1 − x2 )2 + ( y1 − y2 ) 2 לחישוב מרחק בין שתי נקודות ,נובע כי מעגל שמרכזו נקודה ) (a, bורדיוסו Rהוא המקום הגיאומטרי של כל הנקודות ) ( x, yבמישור המקיימות את המשוואה הבאה: ( x − a ) 2 + ( y − b) 2 = R כאשר נעלה את שני האגפים של המשוואה האחרונה בריבוע נקבל את משוואה ).(6 כעת נשאל את עצמנו :מהי המשוואה של המעגל הנתון? משוואת המעגל הנתון היא )(7 ( x − 2)2 + ( y − 4) 2 = 25 באמצעות השוואה של שתי המשוואות האחרונות מגיעים למסקנה כי © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .8לא מפסיקים לשאול :מה זה אמא? מה זה? 90 a = 2, b = 4 קיבלנו כי xM = 2, yM = 4 )(8 נסיים את פתרון הבעיה בשלוש דרכים שונות. המשך פתרון א'. כדי להבין טוב יותר את טענה ) (3נשאל את עצמנו :מהו פירוש הביטוי "הקטע AB עובר דרך מרכז המעגל"? פירוש הביטוי הוא ש"מרכז המעגל נמצא בתוך הקטע , ABכלומר מרכז המעגל נמצא על הקטע , ABאך לא מתלכד עם אף אחד מקצותיו". כעת נשאל את עצמנו :כיצד אפשר להוכיח שנקודה מסוימת נמצאת בתוך קטע מסוים? אם ידועים שיעורים של שלוש נקודות D , Cו E -כלשהן ,וצריך להוכיח שנקודה E נמצאת בתוך קטע , CDאפשר לעשות זאת בשלבים הבאים :ראשית יש להוכיח כי נקודה Eנמצאת על הישר ; CDלאחר שזה הוכח ,נשאר רק להראות כי מתקיים xC < xE < xDאו xD < xE < xCאו להראות כי מתקיים yC < yE < yDאו . yD < yE < yC לפי תוכנית פעולה זו עלינו קודם כל להוכיח כי )(9 נקודה Mנמצאת על הישר . AB כיצד מוכיחים שנקודה מסוימת נמצאת על ישר העובר דרך שתי נקודות נתונות? אפשר להוכיח שנקודה מסוימת )למשל נקודה ( Eנמצאת על ישר העובר דרך שתי נקודות נתונות )למשל נקודות Cו ( D -בשתי הדרכים הבאות :א( קודם למצוא את המשוואה של הישר ; CDלאחר מכן להראות כי שיעורי הנקודה Eמקיימים את המשוואה של הישר , CDולהסיק שהנקודה Eנמצאת על הישר CDב( להראות שהשיפוע mCDשל הישר CDשווה לשיפוע mCEשל הישר , CEאו להראות ששני הישרים מאונכים לציר ה. x - נוכיח את טענה ) (9בדרך הראשונה ולאחר מכן בדרך השנייה. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 91 במטרה למצוא את המשוואה של הישר ABנשאל את עצמנו :כיצד מוצאים את המשוואה של ישר מסוים? בעיות מסוג זה פותרים לעתים קרובות בדרך הבאה :מוצאים את השיפוע mשל הישר ואת השיעורים x1ו y1 -של אחת הנקודות הנמצאות עליו; לאחר מכן מציבים את המספרים שנמצאו בנוסחה הבאה למשוואה של ישר עם שיפועו mואשר עובר דרך הנקודה ) : ( x1 , y1 ) y − y1 = m( x − x1 את השיפוע של הישר ABאפשר לחשב לפי הנוסחה yB − y A xB − x A = mAB נציב בנוסחה זו את השיעורים של הנקודות Aו . B -נקבל: 8−0 8 4 = = 5 − (−1) 6 3 )(10 = . mAB כעת נוכל למצוא את משוואת הישר ABלפי הנוסחה הבאה: ) y − y A = mAB ( x − x A 4 נציב בנוסחה זו את 3 של הישר : AB = mABואת השיעורים של נקודה Aונקבל את המשוואה הבאה 4 )( x + 1 3 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: = y−0 4 4 x+ 3 3 =y נציב במשוואה האחרונה את השיעורים של נקודה ) Mראו שורה ) ,((8ונקבל: 4 4 ⋅2 + 3 3 =4 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .8לא מפסיקים לשאול :מה זה אמא? מה זה? 92 שוויון זה שקול לשוויון הבא: 4=4 השוויון האחרון הוא פסוק אמת .מכאן טענה ) (9מתקיימת. כעת נוכיח את טענה ) (9בדרך השנייה :נוכיח כי מתקיים: mAB = mAM )(11 את השיפוע של הישר m ABכבר מצאנו ,קיבלנו כי 4 3 )(12 = mAB )ראו שורה )((10 נחשב את השיפוע m AMשל הישר : AM yM − y A 4−0 4 = = xM − x A 2 − (−1) 3 )(13 = mAM משוויון ) (12ומהתוצאה אשר התקבלה בשורה ) (13נובע כי שוויון ) (11מתקיים .משוויון ) (11נובע כי טענה ) (9מתקיימת. כעת נעבור לשלב השני: שיעורי ה x -של הנקודות B , Aו C -הם: )(14 x A = −1 , xB = 5 , xM = 2 על סמך שורה ) (14מסיקים כי מתקיים: )(15 x A < xM < xB מטענות ) (9ו (15)-נובע כי נקודה Mנמצאת על הישר ABבין הנקודות Aו . B -מכאן נקודה Mנמצאת בתוך הקטע , ABכלומר טענה ) (3מתקיימת. מטענות ) (2ו (3)-נובע כי טענה ) (1מתקיימת .מש"ל. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 93 המשך פתרון ב'. הוכחנו לעיל את טענה ) (3בלי להיעזר בכך שלפני כן הוכחנו את טענה ) ,(2שלפיה הקטע , ABהמחבר את הנקודות ) A(−1, 0ו , B(5,8) -הוא מיתר במעגל ; ( x − 2)2 + ( y − 4) 2 = 25 אילו היינו נעזרים בטענה ) (2היינו יכולים לדלג על שורות ) (14ו .(15)-כלומר ,לאחר שהוכחנו את טענה ) ,(9שלפיה הנקודה Mנמצאת על הישר , AB יכולנו להיזכר כי הוכחנו את טענה ) ,(2ולומר את הדברים הבאים: אם נקודה כלשהי נמצאת על הישר , ABאז היא נמצאת בתוך מיתר ABאך ורק אם נקודה זו נמצאת בתוך המעגל הנתון .נקודה Mנמצאת בתוך המעגל ,ולכן טענה )(3 מתקיימת .מטענות ) (2ו (3)-נובע כי טענה ) (1מתקיימת .מש"ל . להוכחה הראשונה של טענה ) (3הגענו לאחר ששאלנו את עצמנו :כיצד אפשר להוכיח כי נקודה מסוימת נמצאת בתוך קטע מסוים? להוכחה השנייה של טענה ) (3קל יותר להגיע אם שואלים לפחות אחת משתי השאלות הבאות: כיצד אפשר להוכיח שנקודה מסוימת נמצאת בתוך קטע מסוים אם הקטע הוא מיתר במעגל מסוים והנקודה היא מרכז המעגל? כיצד אפשר להוכיח שנקודה מסוימת נמצאת בתוך קטע מסוים אם הקטע הוא מיתר במעגל מסוים והנקודה נמצאת בתוך המעגל? המשך פתרון ג'. נשאל את עצמנו :כיצד אפשר להוכיח שנקודה מסוימת נמצאת בתוך קטע מסוים אם הקטע הוא מיתר במעגל מסוים והנקודה נמצאת בתוך המעגל? נניח שכבר הוכחנו את טענה ) ,(3אילו מסקנות אפשר להסיק בהסתמך על טענה זו? בוודאי נוכל לומר שממנה ומטענה ) (2נובע כי קטע ABהוא קוטר במעגל הנתון )זו טענה ) (1בניסוח אחר(. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .8לא מפסיקים לשאול :מה זה אמא? מה זה? 94 ומה נובע מהטענה האחרונה? מטענה זו נובע כי )(16 מרכז המעגל הנתון הוא אמצע הקטע . AB האם מטענה ) (16נובע כי טענה ) (3מתקיימת? כן .אם נקודה מסוימת היא אמצע של קטע מסוים ,אז היא נמצאת בתוך הקטע. כיצד מוכיחים כי נקודה מסוימת היא אמצע של קטע מסוים? רשימת שיטות לפתרון בעיות מסוג זה בגיאומטריה אוקלידית תוכלו למצוא בפרק 12בספרי "שיטות חשיבה בהנדסת המישור" .בגיאומטריה אנליטית קיימת דרך נוספת להוכיח כי נקודה מסוימת היא אמצע של קטע מסוים .היא מבוססת על שימוש בנוסחות המקשרות בין שיעורים של קצות הקטע לבין השיעורים של אמצע הקטע .לפיהן עבור השיעורים xmiddle point of ABו- AB ymiddle point ofשל אמצע הקטע ABמתקיים: x A + xB 2 = AB xmiddle point of y A + yB 2 = AB ymiddle point of נציב בשתי נוסחאות אלו את השיעורים של נקודות Aו . B -נקבל: )(17 −1 + 5 =2 2 = AB xmiddle point of )(18 0+8 =4 2 = AB ymiddle point of בהסתמך על שורות ) (17) ,(8ו (18)-מסיקים כי לנקודה Mולאמצע הקטע ABיש אותם שיעורים .הנקודות שיש להן אותם שיעורים מתלכדות זו עם זו .לכן נקודה Mמתלכדת עם אמצע הקטע , ABכלומר טענה ) (16מתקיימת. כפי שאמרנו קודם ,מטענה ) (16נובע כי טענה ) (3מתקיימת ,ומטענות ) (2ו (3)-נובע כי טענה ) (1מתקיימת .מש"ל. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 95 הערה .בהוכחה השנייה של טענה ) (3נעזרנו בטענה הבאה בלי להוכיח אותה :אם נקודה כלשהי נמצאת על ישר העובר דרך הנקודות Aו B -הנמצאות על מעגל ,אז היא נמצאת בתוך מיתר ABאך ורק אם נקודה זו נמצאת בתוך המעגל הנתון .אף על פי שאולי לא שמים לב לכך ,נעזרים בטענה זו לעתים קרובות בלי להוכיח אותה בפתרון בעיות בגיאומטריה אוקלידית .האם את מה שנראה כמובן מאליו לעין המתבוננת בציור ,אפשר גם לנמק בקלות? בדקו זאת .הוכיחו את הטענה בתור תרגיל .רמז :עליכם להיעזר בכך שמעגל שמרכזו נקודה Mורדיוסו Rהוא אוסף של כל הנקודות במישור הנמצאות במרחק Rמהנקודה ; Mהנקודה נמצאת בתוך המעגל אך ורק אם המרחק בינה לבין מרכז המעגל קטן מרדיוס המעגל; הנקודה נמצאת מחוץ למעגל אך ורק אם המרחק בינה לבין מרכז המעגל גדול מרדיוס המעגל. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .9ויהי אור 96 .9ויהי אור 1 ֹאמר ְתה תֹהוּ ָובֹהוּ ְוח ֶֹשׁ ְך עַלְ -פּנֵי ְתהוֹם ְורוּ ַח ֱאל ִֹהים ְמ ַר ֶח ֶפת ַעלְ -פּנֵי ַה ָמּיִםַ .ויּ ֶ אָרץ ָהי ָ ְ ...ו ָה ֶ ַרא ֱאל ִֹהים ֶאתָ -האוֹר ִכּי-טוֹב ... ֱאל ִֹהים ְי ִהי אוֹר ַו ְי ִהי-אוֹרַ .ויּ ְ )בראשית ,פרק א'( בעיה נתון משולש , ABCשקודקודו Bנמצא בנקודה ) , (6,3וצלעו ACנמצאת על ישר שמשוואתו . x + y = 5מצאו את המקום הגיאומטרי של כל הנקודות Dבמישור המקיימות את התנאי הבא :שטח המשולש ADCגדול פי שניים משטח המשולש . ABC y דרך החשיבה ופתרון. נשרטט את משולש , ABC ונתחיל לשאול את עצמנו שאלות. ראשית נשאל :מה אנחנו מתבקשים לעשות A )B(6,3 בבעיה זו? אנו מתבקשים למצוא את המקום הגיאומטרי C של כל הנקודות Dהמקיימות את התנאי הבא: שטח המשולש ADCגדול פי שניים משטח המשולש . ABC x x+ y −5 = 0 כדי להבין את השאלה ,עלינו לשפוך אור על כל המושגים המופיעים בניסוחה. כאשר מנסים לפתור בעיה מתמטית ,יש לברר את משמעותו של כל מושג ,הן בנתון בבעיה, נז ָכּר בבעיה גודל כלשהו הן בטענה שאותה יש להוכיח והן בגודל שאת ערכו יש לחשב .אם ְ שלחישובו קיימת נוסחה מסוימת ,יש לבדוק אם הנוסחה עשויה לעזור לנו לפתור את הבעיה .לעתים קרובות ,כאשר מתרכזים בהבנת המשמעות של מושג כלשהו בניסוח 1פרק זה הוא הגרסה המותאמת לגיאומטריה אנליטית של פרק בעל שם זהה בספרי "שיטות חשיבה בהנדסת המישור". © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בהנדסת המישור 97 הבעיה ,בעזרת השאלות "מה זה?" או "מהי הנוסחה לחישוב גודל זה?" ,נפתחת הדלת לפתרון הבעיה. בבעיה הנוכחית עלינו למצוא את המקום הגיאומטרי של כל הנקודות Dהמקיימות את התנאי הבא :שטח המשולש ADCגדול פי שניים משטח המשולש . ABC נשאל את עצמנו מהו מקום גיאומטרי .הרי לא נוכל למצוא מקום גיאומטרי מסוים בלי לדעת כלל מהו מקום גיאומטרי. מקום גיאומטרי של נקודות הוא אוסף כל הנקודות אשר הן ,ורק הן ,מקיימות תנאי מסוים או תכונה מסוימת. כעת מובן שאנו מתבקשים למצוא את אוסף כל הנקודות Dבמישור ,אשר הן ,ורק הן מקיימות את התנאי ,שלפיו שטח המשולש ADCגדול פי שניים משטח המשולש . ABC כיוון שמדובר בשטחים של משולשים ,נשאל את עצמנו מהי הנוסחה לחישוב שטח של משולש? הצורה המילולית לבטא נוסחה זו היא :שטח משולש שווה למחצית מכפלת צלע בגובה לאותה צלע. ניסוח זה אינו מדויק .בנוסחה המדויקת של שטח משולש משתתפים לא צלע וגובה אלא אורכיהם .הניסוח המדויק ארוך יותר ,וקשה יותר להיזכר בו .לכן לעתים קרובות כאשר אומרים "צלע" מתכוונים לביטוי "אורך הצלע" ,אף על פי שזה לא אותו דבר .לפעמים עושים טעות בכוונה ,כדי להקל על מאזין או על קורא .בהקשר זה אספר לכם בדיחה תלמידי בשיעור ַ מורי ,ואחר כך סיפרתי אותה לכל ששמעתי פעם ,לפני שנים רבות ,מאחד מ ַ הראשון: "מורה אחד אמר לתלמידיו :אם כתבתי לא נכון ואמרתי נכון ,שימו לב למה שאמרתי; אם אמרתי לא נכון וכתבתי נכון ,שימו לב למה שכתבתי; אם אמרתי לא נכון וכתבתי לא נכון ,שימו לב למה שהתכוונתי". הנוסח המדויק של הנוסחה לחישוב שטח משולש הוא :שטח משולש שווה למחצית מכפלת אורך הצלע באורך הגובה לאותה צלע. אנחנו יודעים מה הקשר בין השטחים S ∆ABCו S ∆ADC -של המשולשים ABCו: ADC - )(1 S ∆ADC = 2 S ∆ABC )לפי הנתון(. כאשר חושבים על הנוסחה לחישוב שטח משולש ,מתעוררת השאלה :האם קיים קשר כלשהו בין לפחות זוג אחד של צלעות במשולשים אלו? © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .9ויהי אור 98 כן ,לשני המשולשים המדוברים יש צלע משותפת :הצלע . AC ומה אפשר לומר על הגבהים לצלע ACבמשולשים ABCו? ADC - נסמן את אורך הצלע ACב , b -את אורך הגובה לצלע ACבמשולש ABCב , h -ואת אורך הגובה לצלע זו במשולש ADCב. h′ - לפי הנוסחה לחישוב שטח משולש מתקיים: )(2 b⋅h 2 = , S ∆ABC )(3 b ⋅ h′ 2 = . S ∆ADC כאשר נציב בשוויון ) ,(1לפי שוויונים ) (2ו (3) -נקבל: b ⋅ h′ b⋅h ⋅= 2 2 2 )(4 . השוויון האחרון שקול לשוויון הבא: . h′ = 2 h )(5 קיבלנו כי תנאי ) – (1המגדיר את המקום הגיאומטרי הנדרש – מתקיים אך ורק אם אורך הגובה לצלע ACבמשולש ADCגדול פי שניים מאורך הגובה לצלע זו במשולש . ABC בכל נוסחה לחישוב גודל כלשהו – הרשום באגף השמאלי של הנוסחה – אפשר להשתמש בשני כיוונים .אפשר לחשב את ערך הגודל ,אם ידועים הערכים של כל הגדלים המופיעים באגף הימני של הנוסחה .בעזרת הנוסחה ,אפשר גם להרכיב משוואות עבור הגדלים המופיעים באגף הימני של הנוסחה. גם בהגדרות של מושגים מתמטיים אפשר להשתמש בשני כיוונים .אפשר להיעזר בהגדרה של מושג מתמטי המופיע בניסוח הבעיה כדי להבין את משמעותו .ישנם גם מקרים שבהם צריך להבחין בביטוי המגדיר מושג מתמטי ידוע ,ולזהות את המושג .אם מצליחים להחליף את הביטוי במושג שאותו הוא מגדיר ,נפתחת אפשרות להיעזר בכל הידוע על מושג זה. על סמך שוויון ) ,(5אפשר להסיק שכדי לפתור את הבעיה עלינו למצוא את המקום הגיאומטרי של כל הנקודות Dבמישור שעבורן אורך הגובה לצלע ACבמשולש , ADC יהיה גדול פי שניים מאורך הגובה לאותה צלע במשולש . ABC © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בהנדסת המישור 99 כעת נשאל את עצמנו :מהו אורך הגובה לצלע ACבמשולש ? ADCזהו אורך האנך המוּרד מנקודה Dאל הישר . ACמצד שני" ,אורך אנך המוּרד מנקודה אל ישר" הוא ביטוי שבאמצעותו מגדירים מרחק בין נקודה לישר .לכן המקום הגיאומטרי שעלינו למצוא ,הוא המקום הגיאומטרי של כל הנקודות במישור שמרחקן מהישר ACשווה ל- . 2h וכיצד נחשב את הגודל של ? h כדי לענות על שאלה זו נשאל את עצמנו :כיצד בכלל אפשר לחשב בגיאומטריה אנליטית את אורך הגובה לצלע מסוימת במשולש מסוים? על סמך הנאמר לעיל אפשר להסיק כי לפתרון בעיות מסוג זה אפשר להיעזר בנוסחה הבאה לחישוב מרחק בין נקודה ) ( x1 , y1לישר : ax + by + c = 0 | | ax1 + by1 + c )(6 a2 + b2 =d )אפשר לפתור בעיות מסוג זה גם בדרך הבאה :למצוא את נקודת החיתוך של הישר שעליו נמצאת הצלע עם הישר שמאונך לישר זה ועובר דרך נקודה ; Bולאחר מכן להיעזר בנוסחה לחישוב מרחק בין שתי נקודות(. בעזרת נוסחה ) (6מקבלים: 4 2 2יח' = 2 = || 6+ 3−5 12 + 12 =h )נעזרנו במשוואה x + y − 5 = 0של הישר ACובשיעורי הנקודה .( B מכאן ומהנאמר לעיל על המקום הגיאומטרי שעלינו למצוא נובע כי מקום גיאומטרי זה הוא מקום גיאומטרי של כל הנקודות במישור הנמצאות במרחק של 4 2יחידות מן הישר . x + y = 5בעזרת נוסחה ) (6מקבלים כי הנקודה ) ( x, yשייכת למקום הגיאומטרי האחרון אך ורק אם מתקיים: =4 2 || x + y −5 12 + 12 קיבלנו את המשוואה של המקום הגיאומטרי אשר התבקשנו למצוא .היא שקולה למשוואה הבאה: | x + y − 5 |= 8 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .9ויהי אור 100 נקודה במישור מקיימת את המשוואה האחרונה אך ורק אם היא מקיימת את המשוואה x+ y −5 =8 )(7 או את המשוואה x + y − 5 = −8 )(8 משוואה ) (7שקולה למשוואה הבאה: x + y − 13 = 0 )(9 ואילו משוואה ) (8שקולה למשוואה הבאה: x+ y +3= 0 )(10 מכאן המקום הגיאומטרי אשר התבקשנו למצוא הוא האיחוד של הישרים ℓ1 : x + y − 13 = 0ו . ℓ 2 : x + y + 3 = 0 -שני הישרים מקבילים לישר ACונמצאים במרחק של 4 2יחידות ממנו. y D 2h )B(6,3 x + y − 13 = 0 A h h=2 2 H x C x+ y +3= 0 x+ y −5 = 0 2h D מש"ל. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 101 .10מחפשים זווית נסעתי עם בני במכונית ,כאשר הוא נהג בה .כשעשה סיבוב פרסה שמעתי לפתע את החבטה של הגלגל האחורי על קצה המדרכה" .עשיתי את סיבוב הפרסה טוב מדיי ",אמר הבן. בעיה .נתונים ישרים ℓ1 : y = 3 x − 1ו. ℓ 2 : y = 5 x − 3 - א( מצאו )עם דיוק של שלוש ספרות אחרי הנקודה( את הזווית החדה בין שני הישרים. ב( מצאו )עם דיוק של שלוש ספרות אחרי הנקודה( את הזווית בין הישרים ℓ1וℓ 2 - שבתוכה נמצאת הנקודה ). A(2, 6 דרך החשיבה ופתרון לסעיף א'. מה צריך למצוא בסעיף א' של הבעיה? 1 צריך למצוא )עם דיוק של שלוש ספרות אחרי הנקודה( את הזווית החדה בין הישרים ℓ1 : y = 3 x − 1ו . ℓ 2 : y = 5 x − 3 - כיצד מוצאים את הזווית החדה בין שני ישרים מסוימים במישור? עבור אחת מהזוויות הצמודות בין הישרים y = m1 x + n1ו y = m2 x + n2 -מתקיים: tan α1 − tan α 2 m − m2 = 1 1 + tan α1 ⋅ tan α 2 1 + m1 ⋅ m2 = ) tan α = tan(α1 − α 2 y α y = m1 x + n1 α1 y = m2 x + n2 α2 x 1 אם שני ישרים נחתכים ,הם יוצרים שני זוגות של זוויות קודקודיות .זוויות קודקודיות שוות זו לזו .כל זוג של זוויות לא קודקודיות מתוך ארבע זוויות אלו הן זוויות צמודות ,וסכומן שווה ל . 180° -לכן אם שני הישרים לא מאונכים זה לזה ,הם יוצרים זוג של זוויות חדות ששוות זו לזו וזוג של זוויות קהות ששוות זו לזו. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .10מחפשים זווית 102 אם m1 − m2 >0 1 + m1 ⋅ m2 , אז זווית αהיא זווית חדה )כלומר ,( 0° < α < 90°ואילו אם m1 − m2 <0 1 + m1 ⋅ m2 , אז זווית αהיא זווית קהה )כלומר ( 90° < α < 180°והזווית 180° − αהיא הזווית החדה בין שני הישרים .עבור הזווית 180° − αמתקיים: m1 − m2 m − m1 = 2 1 + m1 ⋅ m2 1 + m1 ⋅ m2 tan(180° − α ) = − tan α = − מכאן את הזווית החדה ϕבין ישרים y = m1 x + n1ו y = m2 x + n2 -אפשר לחשב לפי הנוסחה: )(1 m1 − m2 1 + m1 ⋅ m2 = tan ϕ m1 − m2 נציין שאם , 1 + m1 ⋅ m2 = 0אז הביטוי 1 + m1 ⋅ m2 לא מוגדר .במקרה זה שני הישרים מאונכים זה לזה .אם , m1 = m2אז הישרים מקבילים זה לזה או מתלכדים זה עם זה. השיפוע m1של הישר ℓ1 : y = 3 x − 1הוא )(2 . m1 = 3 השיפוע m2של הישר ℓ 2 : y = 5 x − 3הוא )(3 m2 = 5 נציב בנוסחה ) (1לפי שורות ) (2ו ,(3)-ונקבל: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 103 3−5 1 = 1+ 3⋅5 8 = tan ϕ מכאן הזווית החדה בין הישרים הנתונים היא ϕ ≈ 7.125° מש"ל. דרך החשיבה ופתרון לסעיף ב'. מה צריך למצוא בסעיף ב' של הבעיה? צריך למצוא )עם דיוק של שלוש ספרות אחרי הנקודה( את הזווית בין הישרים ℓ1וℓ 2 - שבתוכה נמצאת נקודה ). A(2, 6 כיצד מחשבים זווית מסוימת מבין הזוויות אשר יוצרים ישרים y = m1 x + n1ו- ? y = m2 x + n2 הבה נסובב את השוק של הזווית הנמצאת על הישר y = m1 x + n1סביב נקודת החיתוך של שני הישרים ,עד שהיא תתלכד עם השוק השנייה של הזווית .ברגעי ביניים ,כשהשוק המסתובבת לא נמצאת על אף אחד מהישרים המדוברים ,היא )פרט לנקודת החיתוך של שני הישרים( צריכה להיות בתוך הזווית אשר צריך לחשב .אם הסיבוב יתבצע בכיוון סיבוב מחוגי השעון ,אז עבור הזווית αאשר צריך לחשב מתקיים: m1 − m2 1 + m1 ⋅ m2 = tan α ואם הסיבוב יתבצע בניגוד לכיוון מחוגי השעון ,אז m1 − m2 m − m1 = 2 1 + m1 ⋅ m2 1 + m1 ⋅ m2 tan α = − באיזו מנוסחאות אלו עלינו להשתמש לפתרון הבעיה? נוכל לענות על שאלה זו אם נדע באיזה כיוון עלינו לסובב את השוק של הזווית המדוברת הנמצאת על הישר ℓ1 : y = 3 x − 1סביב נקודת החיתוך של ישר זה עם הישר , ℓ 2 : y = 5 x − 3עד שהיא תתלכד עם השוק השנייה של אותה זווית )השוק השנייה של © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .10מחפשים זווית 104 הזווית נמצאת על הישר .( ℓ 2כפי שאמרנו ,ברגעי ביניים ,כשהשוק המסתובבת לא נמצאת על אף אחד מהישרים ℓ1ו , ℓ 2 -היא )פרט לנקודת החיתוך של שני הישרים( צריכה להיות בתוך הזווית אשר צריך לחשב. אוסף של כל הנקודות הנמצאות בתוך אחת מארבע הזוויות אשר יוצרים הישרים ℓ1 : y = 3 x − 1ו ℓ 2 : y = 5 x − 3 -הוא המקום הגיאומטרי של כל הנקודות במישור הנמצאות מעל כל אחד משני הישרים; אוסף של כל הנקודות הנמצאות בתוך הזווית השנייה אשר יוצרים הישרים ℓ1ו ℓ 2 -הוא המקום הגיאומטרי של כל הנקודות במישור הנמצאות מעל הישר ℓ1ומתחת לישר ; ℓ 2אוסף של כל הנקודות הנמצאות בתוך הזווית השלישית מתוך ארבע הזוויות המדוברות היא המקום הגיאומטרי של כל הנקודות במישור הנמצאות מתחת לישרים ℓ1ו ; ℓ 2 -אוסף של כל הנקודות הנמצאות בתוך הזווית הרביעית מתוך ארבע הזוויות המדוברות היא המקום הגיאומטרי של כל הנקודות במישור הנמצאות מתחת לישר ℓ1ומעל לישר . ℓ 2נשאל את עצמנו :בתוך איזו מארבע זוויות אלו נמצאת נקודה )? A(2, 6 כדי לענות על שאלה זו נעביר דרך נקודה ) A(2, 6את הישר , ℓ 3המקביל לציר ה. y - משוואה של ישר זה היא . x = 2הוא חותך את הישר ℓ1בנקודה ) B(2,5ואת הישר ℓ 2 בנקודה ). C (2, 7 מהאי-שוויונים yB < y A < yC נובע כי נקודה ) A(2, 6נמצאת מעל הישר ℓ1ומתחת לישר . ℓ 2לכן )(4 נקודה Aנמצאת בתוך אותה זווית שאוסף כל הנקודות הנמצאות בתוכה הוא המקום הגיאומטרי של כל הנקודות במישור הנמצאות מעל הישר ℓ1 ומתחת לישר . ℓ 2 ננסה לקבל מידע נוסף על אודות זווית זו .קודם כל נמצא את השיעורים של עוד נקודה: נקודת החיתוך של הישרים ℓ1 : y = 3 x − 1ו . ℓ 2 : y = 5 x − 3 -נסמן נקודה זו ב. D - כאשר נפתור את מערכת המשוואות © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 105 y = 3x − 1 y = 5x − 3 נקבל: )D(1, 2 מהאי-שוויון yB < yC נובע כי נקודה Cנמצאת מעל הישר ℓ1ונקודה Bנמצאת מתחת לישר . ℓ 2 מכאן אוסף של כל הנקודות הנמצאות בתוך הזווית ( ∡BDC < 180° ) BDC )(5 הוא המקום הגיאומטרי של כל הנקודות במישור הנמצאות מעל הישר ℓ1 ומתחת לישר . ℓ 2 y C A B ℓ3 : x = 2 D x ℓ1 ℓ2 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .10מחפשים זווית 106 מטענות ) (4ו (5)-נובע כי נקודה Aנמצאת בתוך הזווית .( ∡BDC < 180° ) BDC לכן הזווית אשר אנחנו מתבקשים לחשב בסעיף ב' של הבעיה היא זווית . BDC כפי שהוכנו לעיל ,נקודה Cנמצאת מעל הישר . ℓ1מכאן ומהאי-שוויון xD < xB נובע שאם נסובב סביב נקודה Dאת הקרן DBעד שהיא תתלכד עם הקרן , DCכך שברגעי ביניים הקרן המסתובבת )פרט לנקודה ( Dתהיה בתוך הזווית , BDCאז הסיבוב יתבצע נגד כיוון מחוגי השעון .מכאן: 5−3 1 = 1+ 3⋅5 8 = ) . tan(∡BDC מכאן נובע כי הזווית אשר התבקשנו לחשב שווה בערך ל. 7.125° - אפשר לחשב את הזווית BDCבעזרת השוויון: DB ⋅ DC = ) cos(∡BDC | | DB | ⋅ | DC )(6 בהסתמך על השיעורים של הנקודות C , Bו D -נקבל: )(7 )DB = (2 − 1,5 − 2) = (1,3 )(8 )DC = (2 − 1, 7 − 2) = (1,5 בהסתמך על שוויון ) (6ועל התוצאות שקיבלנו בשורות ) (7ו ,(8)-נקבל: ≈ 0.992278 16 260 = 1⋅1 + 3 ⋅ 5 2 1 +3 ⋅ 1 +5 2 2 2 = ) cos(∡BDC מכאן ∡BDC ≈ 7.125° © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 107 הערה .1אילו היינו מתבקשים למצוא את הזווית בין הישרים ℓ1 : y = 3 x − 1ו- ℓ 2 : y = 5 x − 3שבתוכה נמצאת נקודה ) E (2,8היינו אומרים את הדברים הבאים: מהאי-שוויונים yB < yC < yE נובע כי נקודה Eנמצאת מעל הישרים ℓ1ו . ℓ 2 -לכן נקודה Eנמצאת בתוך אותה זווית שאוסף כל הנקודות הנמצאות בתוכה הוא המקום הגיאומטרי של כל הנקודות במישור הנמצאות מעל הישרים ℓ1ו. ℓ 2 - הזווית שאוסף כל הנקודות הנמצאות בתוכה הוא המקום הגיאומטרי של כל הנקודות במישור הנמצאות מעל הישרים ℓ1ו ℓ 2 -היא זווית צמודה לזווית שאוסף כל הנקודות הנמצאות בתוכה הוא המקום הגיאומטרי של כל הנקודות במישור הנמצאות מעל הישר ℓ1 ומתחת לישר , ℓ 2כלומר היא צמודה לזווית . BDCמהנאמר לעיל נובע כי בבעיה זו צריך לחשב את הזווית αהצמודה לזווית . BDCכדי לחשב את הזווית αהיה עלינו לחשב קודם את הזווית , BDCכפי שנעשה לעיל ,ולאחר מכן היינו משתמשים בשוויון . α = 180° − ∡BDC הערה .2אחד מכל זוג זוויות צמודות בין ישרים L1 : a1 x + b1 y + c1 = 0ו- L2 : a2 x + b2 y + c2 = 0שווה לזווית בין הווקטור ) n1 = (a1 , b1הניצב לישר L1לבין הווקטור ) n 2 = (a2 , b2הניצב לישר . L2לכן את הזווית החדה ϕבין ישרים L1וL2 - אפשר לחשב בעזרת הנוסחה | | a1a2 + b1b2 = cos ϕ a12 + b12 ⋅ a2 2 + b2 2 הערה .3אוסף כל הנקודות שאינן נמצאות על ישר , Lאשר מיוצג על ידי משוואה , ax + by + c = 0הוא איחוד של שני חצאי מישורים .עבור כל נקודה באחד מהם מתקיים האי-שוויון , ax + by + c > 0ואילו עבור כל נקודה בחצי המישור השני מתקיים האי- שוויון . ax + by + c < 0חצי המישור הראשון נקרא חצי מישור חיובי ביחס למשוואה © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .10מחפשים זווית 108 ax + by + c = 0של הישר , Lואילו חצי המישור השני נקרא חצי המישור השלילי ביחס לאותה משוואה. אם נכפיל את המשוואה הכללית של הישר במספר שלילי כלשהו ,חצי המשור החיובי וחצי המישור השלילי יתחלפו במקומותיהם. קיים משפט שלפיו :אם נקודת ההתחלה של הווקטור ) n = (a, bהניצב לישר L : ax + by + c = 0מונחת על הישר ,אז נקודת סוף הווקטור נמצאת בחצי המישור החיובי ביחס למשוואה ax + by + c = 0של הישר. בעזרת משפט זה אפשר לפתור את סעיף ב' של הבעיה מהר יותר מאשר פתרנו אותו לעיל. נסו למצוא את הפתרון בעצמכם. חשוב לציין לגבי המשפט האחרון ,שהמושג "חצי המישור החיובי" הנזכר בו והמושג "חצי המישור השלילי" הנזכר לפני כן מעולם לא היו כלולים בתוכנית הלימודים לתלמידי בתי ספר תיכוניים ,ולכן אין להשתמש בהם במבחני הבגרות. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 109 .11בין זוויות שוות אב שואל את בתו הלומדת בבית ספר יסודי" :להכין לך פיתה שלמה לבית הספר או רק חצי?" הבת" :חצי פיתה". "טוב ",אומר האב" ,אכין לך שני חצאים ,אולי מישהו מחברייך יבקש ממך להתחלק עמו ולא יישאר לך מה לאכול". הבת" :אז תכין לי ,אבא ,עשרים וארבעה חצאי פיתות". "למה רק עשרים וארבעה?" שואל האב וחיוך על פניו" ,הרי בכיתה שלך יש שלושים ושלושה תלמידים". "תשעה תלמידים מהכיתה לא חברים שלי". בעיה .נתון משולש . ABCמשוואת הישר ABהיא ; y = 2 x − 13משוואת הישר AC 1 1 היא x + 3 2 2 = ; yמשוואת חוצה הזווית ABCהיא . y = −3x + 22 א .מצאו את משוואת המעגל החסום במשולש . ABC ב .מצאו את משוואת הישר . BC דרך החשיבה ופתרון לסעיף א'. מה צריך למצוא בסעיף א' של הבעיה? צריך למצוא את משוואת המעגל החסום במשולש . ABC מהי הנוסחה למשוואת המעגל? הנוסחה למשוואת המעגל שמרכזו ) M (a, bורדיוסו Rהיא: )(1 ( x − a ) 2 + ( y − b)2 = R 2 מה עלינו למצוא על מנת שנוכל להיעזר בנוסחה זו לפתרון הבעיה? עלינו למצוא את השיעורים של מרכז המעגל החסום במשולש ABCואת הרדיוס שלו. האם קיים משפט גיאומטרי כלשהו שבו מדובר על מרכז מעגל החסום במשולש? © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .11בין זוויות שוות 110 כן .קיים משפט שלפיו :מרכז המעגל החסום במשולש הוא נקודת המפגש של חוצי הזוויות של המשולש .אם יהיו ברשותנו משוואות של שני חוצי זוויות במשולש הנתון ,אז נוכל למצוא את השיעורים של מרכז המעגל החסום במשולש זה. מה נתון? בין היתר נתונה משוואה של חוצה הזווית . ABCהמשוואה היא . y = −3x + 22 עלינו לנסות למצוא משוואה של עוד אחד מחוצי הזוויות במשולש הנתון. מה עוד נתון בבעיה? 1 נתונות משוואות של שוקי הזווית . BACלפי הנתון בבעיה ,משוואת הישר ABהיא y = 2 x − 13 )(2 ומשוואת הישר ACהיא 1 1 x+3 2 2 )(3 =.y כיצד מוצאים את המשוואה של חוצה זווית מסוים אם ידועות המשוואות של שוקי הזווית? באחת הדרכים לפתרון בעיות מסוג זה נעזרים במשפט שלפיו :חוצה הזווית הוא המקום הגיאומטרי של כל נקודות הנמצאות במרחקים שווים משוקי הזווית )ומונחות בתוך הזווית(. על מנת שנוכל להיעזר במשפט גיאומטרי זה עלינו לדעת לחשב מרחק בין נקודה לישר. כיצד מחשבים מרחק בין נקודה לישר? האם קיימת נוסחה למציאת המרחק בין נקודה לישר? את המרחק ) d ( P, ℓבין נקודה ) P ( x1 , y1לישר ℓ : ax + by + c = 0אפשר לחשב לפי הנוסחה הבאה: )(4 | | ax1 + by1 + c a2 + b2 = )d ( P , ℓ משוואה ) (2של הישר ABשקולה למשוואה הבאה: 1ליתר דיוק :נתונות משוואות של הישרים שעליהם נמצאות שוקי הזווית הזו. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 111 −2 x + y + 13 = 0 )(5 משוואה ) (3של הישר ACשקולה למשוואה הבאה: −x + 2 y − 7 = 0 )(6 לכן אילו היינו מתבקשים למצוא את משוואת המקום הגיאומטרי של כל הנקודות במישור הנמצאות במרחקים שווים מהישרים ABו , AC -היינו אומרים קודם כי מרחק בין נקודה שרירותית ) Q( x, yבמישור נמצאת במרחק )(7 | | −2 x + y + 13 5 | | −2 x + y + 13 = (−2) 2 + 12 = ) d (Q, ℓ AB מהישר , ABובמרחק )(8 | | −x + 2 y − 7 5 = | | −x + 2 y − 7 (−1) 2 + 22 = ) d (Q, ℓ AC מהישר . ACלאחר מכן היינו אומרים שמשורות ) (7ו (8)-נובע כי השוויון ) d (Q, ℓ AB ) = d (Q, ℓ AC מתקיים אך ורק אם מתקיים: | | −x + 2 y − 7 5 = | | −2 x + y + 13 5 מכאן נובע כי המקום הגיאומטרי של כל הנקודות במישור הנמצאות במרחקים שווים מהישרים ABו AC -היא איחוד הישרים: )(9 −x + 2 y − 7 5 = −2 x + y + 13 5 ℓ1 : ו- )(10 −x + 2 y − 7 5 =− −2 x + y + 13 5 ℓ2 : © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .11בין זוויות שוות 112 הישרים ABו AC -יוצרים ארבע זוויות .באחת מהן חוצה הזווית עובר מעל הישרים ABו , AC -בשנייה – מעל הישר ABומתחת לישר , ACבשלישית – מתחת לישרים ABו , AC -וברביעית – מעל הישר ACומתחת לישר . ABישר ) (9חוצה שתיים מארבע זוויות אלו; ישר ) (10חוצה את שתי הזוויות האחרות .עלינו לברר איזו מארבע הזוויות אשר נוצרו על ידי הישרים ABו AC -היא זווית BACבמשולש , ABCאחרת לא נוכל לקבוע על איזה מישרים ) (9ו (10)-נמצא חוצה הזווית . BAC כיצד נעשה זאת? אולי עלינו פשוט לשרטט את הישרים AC , ABוחוצה הזווית ABC במערכת הצירים ,ולפי השרטוט לקבוע איזו מארבע הזוויות אשר נוצרו על ידי הישרים ABו AC -היא הזווית BACבמשולש ? ABC חשוב לציין כי מתמטיקאי יכול להיעזר בשרטוט כדי לאייר את תנאי הבעיה או את רעיונותיו .שרטוט יכול לעזור לו להגיע לרעיון ,אך הוא עלול גם להטעות .מתמטיקאי אינו רשאי לומר כי משרטוט נובע כי טענה זו או אחרת מתקיימת. נקבע איזו מארבע הזוויות אשר נוצרו על ידי הישרים ABו AC -היא הזווית BAC במשולש ABCבלי לאייר את דברינו בציור 2.נמצא את שיעוריה של נקודה כלשהי שנמצאת בתוך המשולש . ABCלאחר מכן יהיה קל יותר לאתר את הזווית BAC המדוברת. נסמן ב D -את נקודת החיתוך של חוצה הזווית ABCעם הצלע ACשל המשולש המדובר ,וב E -את אמצע הקטע . BD נקודה Eנמצאת בתוך המשולש . ABCאם נמצא את השיעורים של נקודות Bו, D - נוכל למצוא את השיעורים של נקודה Eלפי הנוסחאות הבאות: )(11 xB + xD 2 = xE )(12 y B + yD 2 = yE כדי למצוא את השיעורים של נקודה Dצריך לפתור את המערכת 2 ראו ציור בסוף הפרק. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 113 1 1 y = x + 3 2 2 y = −3x + 22 )(13 המורכבת ממשוואות הישרים ACו. BE - כדי למצוא את השיעורים של נקודה Bצריך לפתור את המערכת y = 2 x − 13 y = −3 x + 22 )(14 המורכבת ממשוואות הישרים ABו. BE - לאחר שנפתור את מערכת ) (13ואת מערכת ) (14נקבל כי 2 1 )D (5 , 6 ) , B (7,1 7 7 )(15 כאשר נציב את שיעורי הנקודות Bו D -בשוויונים ) (11ו ,(12)-נקבל 2 5 +7 1 xE = 7 =6 2 7 1 6 +1 4 yE = 7 =3 2 7 כעת נשאל את עצמנו :האם נקודה Eנמצאת מעל או מתחת לישר ? AB כדי לענות על שאלה זו נשאל את עצמנו :כיצד מבררים אם נקודה מסוימת נמצאת מעל או מתחת לישר מסוים? כדי לברר אם נקודה ) P ( x1 , y1נמצאת מעל הישר , ℓשאינו מאונך לציר ה , x -או מתחתיו ,מתבוננים בנקודת החיתוך של הישר ℓעם הישר העובר דרך נקודה Pומאונך לציר ה . x -אם שיעור ה y -של נקודת חיתוך זו הוא , y2ומתקיים , y1 > y2אז נקודה P נמצאת מעל הישר ; ℓאם מתקיים , y1 < y2אז נקודה Pנמצאת מתחת לישר . ℓ אפשר לפתור בעיות מסוג זה בהסתמך על הטענות הבאות: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .11בין זוויות שוות 114 )(16 )(17 נקודה ) P ( x1 , y1נמצאת מעל ישר ( b > 0 ) ℓ : ax + by + c = 0אך ורק אם מתקיים; ax1 + by1 + c > 0 : נקודה ) P ( x1 , y1נמצאת מתחת לישר ( b > 0 ) ℓ : ax + by + c = 0אך ורק אם מתקיים. ax1 + by1 + c < 0 : )הוכחנו את הטענות בפרק .(7 1 4 כדי לברר אם נקודה ) E (6 ,3נמצאת מעל או מתחת לישר , ABניעזר במשוואה 7 7 כללית ) (5של ישר זה .נציב את שיעורי נקודה Eבביטוי הרשום באגף השמאלי של משוואה ) ,(5ונקבל : 4 1 −2 ⋅ 6 + 3 + 13 > 0 7 7 מכאן נובע )לפי טענה ) ((16כי )(18 הנקודה Eנמצאת מעל הישר . AB כעת נשאל את עצמנו :הנקודה Eנמצאת מעל או מתחת לישר ? AC כדי לענות על שאלה זו נציב את שיעורי נקודה Eבביטוי הרשום באגף השמאלי של המשוואה הכללית ) (6של ישר , ACונקבל : 1 4 −6 + 2 ⋅ 3 − 7 < 0 7 7 מכאן נובע )לפי טענה ) ((17כי )(19 הנקודה Eנמצאת מתחת לישר . AC כל משולש הוא מצולע קמור .לכן עבור כל אחת משוקי הזווית BACבמשולש ABC מתקיים התנאי הבא :חוצה הזווית ) BACפרט לנקודה ( Aונקודה Eנמצאים מהצד האחד של הישר שעליו נמצאת השוק של הזווית . BACמכאן ומטענות ) (18ו (19)-נובע כי )(20 חוצה הזווית ) BACפרט לנקודה ( Aבמשולש ABCנמצא מעל הישר ABומתחת לישר . AC © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 115 כעת נוסיף כמה מילים בנוגע למרחק בין נקודה לישר ,אשר יאפשרו לנו להיעזר בטענה ) (20להרכבת משוואה של חוצה הזווית BACבמשולש , ABCבהסתמך על המשפט שלפיו :חוצה הזווית הוא המקום הגיאומטרי של כל נקודות הנמצאות במרחקים שווים משוקי הזווית )ומונחות בתוך הזווית(. הבה נתבונן שוב בנוסחה ) (4לחישוב מרחק בין נקודה ) P ( x1 , y1לישר ℓ : ax + by + c = 0ובטענות ) (16ו .(17)-מה אפשר לומר בהסתמך על טענות ) (16ו(17)- על הביטוי | | ax1 + by1 + cהרשום באגף הימני של נוסחה )?(4 מטענות ) (16ו (17)-נובע שאם נקודה ) P ( x1 , y1נמצאת מעל ישר ℓ : ax + by + c = 0 ) ,( b > 0אז , | ax1 + by1 + c |= ax1 + by1 + cואם נקודה ) P ( x1 , y1נמצאת מתחת לישר ,( b > 0 ) ℓ : ax + by + c = 0אז )) . | ax1 + by1 + c |= −(ax1 + by1 + cנציין שאם נקודה ) P ( x1 , y1נמצאת על הישר , ℓ : ax + by + c = 0אז , ax1 + by1 + c = 0ולפיכך במקרה זה מתקיים.( | ax1 + by1 + c |= ±(ax1 + by1 + c) : לכן אם נקודה ) P ( x1 , y1נמצאת מעל הישר ) ℓ : ax + by + c = 0או על ישר )(21 זה( ומתקיים , b > 0 :אז עבור המרחק ) d ( P, ℓבין הנקודה Pלישר ℓ מתקיים: ax1 + by1 + c a 2 + b2 = ); d ( P, ℓ אם נקודה ) P ( x1 , y1נמצאת מתחת לישר ℓ : ax + by + c = 0ומתקיים: )(22 , b > 0אז עבור המרחק ) d ( P, ℓבין נקודה Pלישר ℓמתקיים: ax1 + by1 + c a2 + b2 d ( P , ℓ) = − © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .11בין זוויות שוות 116 במילים אחרות ,אם , b > 0אז אם נקודה ) P ( x1 , y1נמצאת מעל הישר d ( P, ℓ), ) ℓ : ax + by + c = 0או על ישר זה( ax1 + by1 + c = a 2 + b2 אם נקודה ) P ( x , yנמצאת מתחת −d ( P, ℓ), 1 1 ℓ : ax + by + לישר c = 0 על סמך טענות ) (21) ,(20ו (22)-מסיקים שעבור נקודה שרירותית ) Q( x, yעל חוצה הזווית BACבמשולש ) ABCויתרה מזאת ,עבור כל נקודה שרירותית ) Q( x, yבתוך הזווית ( BACמתקיים: −2 x + y + 13 )(23 5 = −2 x + y + 13 (−2) 2 + 12 = ) d (Q, ℓ AB ו- −x + 2 y − 7 )(24 5 =− −x + 2 y − 7 (−1) 2 + 22 d (Q, ℓ AC ) = − )בשורה ) (23השתמשנו במשוואה ) (5של הישר , ABבשורה ) (24השתמשנו במשוואה )(6 של הישר .( AC כעת ניעזר במשפט שלפיו :חוצה הזווית הוא המקום הגיאומטרי של כל הנקודות הנמצאות במרחקים שווים משוקי הזווית )ונמצאות בתוך הזווית( .בהסתמך על משפט זה ועל שורות ) (23ו (24)-מסיקים כי חוצה הזווית BACבמשולש ABCנמצא על הישר −x + 2 y − 7 5 =− −2 x + y + 13 5 . המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: .y = x−2 כעת ברשותנו משוואות של חוצה הזווית ABCוחוצה הזווית BACבמשולש . ABC אם נפתור את המערכת © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 117 y = −3 x + 22 y = x − 2 נקבל כי מרכז המעגל החסום במשולש ABCנמצא בנקודה ) . M (6, 4רדיוס Rשל מעגל זה שווה למרחק בין נקודה Mלישר . ABלכן 5 יח' = 5 5 = −2 ⋅ 6 + 4 + 13 5 == ) R = d ( M , ℓ AB )יכולנו להיעזר בכך ש.( R = d ( M , ℓ AC ) - כעת נוכל להיעזר בנוסחה ) ,(1ולקבל כי משוואת המעגל החסום במשולש ABCהיא ( x − 6) 2 + ( y − 4)2 = 5 מש"ל. דרך החשיבה ופתרון לסעיף ב'. מה צריך למצוא בסעיף ב' של הבעיה? צריך למצוא את משוואת הישר . BC מה אפשר לומר על הישר ? BC על הישר BCנמצאת אחת השוקיים של הזווית ; ABCהשוק השנייה של זווית זו נמצאת על הישר )(25 ; ℓ AB : y = 2 x − 13 חוצה הזווית ABCנמצא על הישר )(26 ℓ BE : y = −3 x + 22 ברשותנו גם השיעורים של נקודה ) Bראו שורה ) .((15אם נצליח למצוא את השיפוע mBCשל הישר ,נוכל למצוא את משוואת הישר BCלפי הנוסחה )(27 ) . y − yB = mBC ( x − xB © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .11בין זוויות שוות 118 נרכיב משוואה שהנעלם בה יהיה השיפוע mBCשל הישר . BCנסתמך על כך ש- ∡CBE = ∡EBA )(28 שתי הזוויות הרשומות בשוויון זה קטנות מ 90° -וגדולות מ . 0° -מכאן ששוויון )(28 מתקיים אך ורק אם מתקיים: )tan(∡CBE ) = tan(∡EBA )(29 ניזכר כי עבור זווית αבין ישרים y = m1 x + n1ו y = m2 x + n2 -מתקיימת אחת מהנוסחאות הבאות: )(30 m1 − m2 1 + m1 ⋅ m2 = tan α או )(31 m1 − m2 1 + m1 ⋅ m2 tan α = − כדי להבין איזה משני השוויונים האחרונים מתקיים ,מסובבים )בדמיון( את השוק של הזווית המונחת על הישר y = m1 x + n1סביב נקודת החיתוך של שני הישרים ,עד שהיא מתלכדת עם השוק השנייה של הזווית ,ועושים זאת כך שברגעי ביניים השוק המסתובבת )פרט לנקודת החיתוך של שני הישרים( תישאר בתוך הזווית המדוברת .אם הסיבוב מתבצע עם כיוון מחוגי השעון ,אז עבור הזווית αמתקיים שוויון ) ,(30ואם הסיבוב מתבצע בניגוד לכיוון מחוגי השעון ,אז מתקיים שוויון ).(31 הסיבוב השוק BEסביב הנקודה Bעד שתתלכד עם השוק BAשל הזווית EBAצריך להתבצע בכיוון ההפוך מזה שיגרום לה להתלכד עם השוק BCשל הזווית . BCלכן או שמתקיימים שני השוויונים הבאים: mBE − mBC m − mBA , tan(∡EBA) = − BE 1 + mBE ⋅ mBC 1 + mBE ⋅ mBA = ) tan(∡CBE או שלחלופין מתקיימים שני שוויונים אלה: mBE − mBC m − mBA , tan(∡EBA) = BE 1 + mBE ⋅ mBC 1 + mBE ⋅ mBA tan(∡CBE ) = − © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 119 מכאן ששוויון ) (29מתקיים אך רק אם מתקיים: mBE − mBC m − mBA = − BE 1 + mBE ⋅ mBC 1 + mBE ⋅ mBA נציב בשוויון האחרון לפי השוויונים: mBE = −3וmBA = 2 - )ראו שורות ) (25ו ((26)-ונקבל: −3 − mBC −3 − 2 =− 1 − 3mBC 1 + (−3) ⋅ 2 כשפותרים את המשוואה האחרונה מקבלים כי 1 2 . mBC = − נציב בנוסחה ) (27את הערך של mBCשזה עתה מצאנו ואת השיעורים של נקודה ) Bראו שורה ) ,((15ונקבל את המשוואה הבאה של הישר : BC 1 )y − 1 = − ( x − 7 2 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: y = −0.5 x + 4.5 y A תשובה. y = −0.5 x + 4.5 : D E C M 1 B 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 x © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 2 −1 −1 120 .12שיטה של lמקומות גיאומטריים .12שיטה של lמקומות גיאומטריים שימוש במשפטים ובנוסחאות מזכיר לי שימוש בצבעים .רוב האנשים משאירים אחריהם רק ציורי ילדים .אך היו אמנים שהשאירו יצירות מופת כה נפלאות שאין לזמן השפעה על קסמן .ישנם גם היום ועוד יהיו בעתיד אמנים כאלה. יום אחד ,כשבניי עדיין למדו בבית ספר יסודי ,הם חזרו הביתה בתום הלימודים וסיפרו שהיה להם שיעור בחינוך מיני. "מה הבנתם מהשיעור?" שאלה אשתי. "הבנתי שמין זה כיף ",ענה אחד מהם. אל דאגה ,למעט הנאמר אולי בכמה הערות ,לא הקדמתי לספר כאן ולא אספר בפרקים הבאים דברים שלתלמידי כיתה י"ב ,הלומדים מתמטיקה ברמה של 5יחידות לימוד ,מוקדם לדעת. בהרבה בעיות מתמטיות )ולא רק מתמטיות( מתבקש הפותר את הבעיה למצוא פרט העונה לתיאור מסוים .נסמן את הפרט המבוקש ב . X -הנעלם Xלא חייב להיות מספר. הוא יכול להיות פרט גיאומטרי או משוואה .הוא יכול אף להיות מילה שחסרה בתשבץ. כשניגשים לפתור את הבעיה יש להבחין קודם כל באוסף תנאים אשר הנעלם Xחייב לקיים .אוסף התנאים חייב להיות כזה שכל פתרון של הבעיה מקיים את כולם ,וכל פרט שמקיים את כל התנאים הללו הוא פתרון הבעיה .נניח שפותר הבעיה הגיע למסקנה כי פתרון הבעיה חייב לקיים את התנאים , r1 , r2 , ..., rlושכל פרט המקיים את כל אחד מl - תנאים אלו הוא פתרון הבעיה .אם כך ,יכול הפותר להיעזר בשיטת החשיבה אשר נקראת שיטה של lמקומות גיאומטריים. 1 1 תיאור השיטה אשר ניתן לעיל מבוסס על הספר " "Mathematical Discoveryמאת ג' פויה ) George ;(Polyaראוי לציין כי עוד מתמטיקאים של יוון העתיקה השתמשו בשיטה של שני מקומות גיאומטריים לעיתים קרובות. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 121 על המשתמש בשיטה זו להתבונן ב l -הקבוצות הבאות :הקבוצה הראשונה )נקרא לה המקום הגיאומטרי הראשון( היא אוסף של כל האובייקטים המקיימים את התנאי , r1 הקבוצה השנייה )נקרא לה המקום הגיאומטרי השני( היא אוסף של כל האובייקטים המקיימים את התנאי , ... , r2הקבוצה ה) l -נקרא לה המקום הגיאומטרי ה ( l -היא אוסף של כל האובייקטים המקיימים את התנאי . rlפתרון הבעיה מקיים את כל אחד מהתנאים . r1 , r2 , ..., rlלכן הוא שייך לכל אחד מ l -המקומות גיאומטריים הנ"ל .מצד שני ,כל אובייקט הנמצא בה בעת בכל אחד ממקומות גיאומטריים אלו ,מקיים את התנאים , r1 , r2 , ..., rlולכן הוא פתרון הבעיה .על סמך הנאמר אפשר להסיק כי אוסף של כל פתרונות הבעיה הוא החיתוך של lהמקומות הגיאומטריים הנ"ל. בפרקים הקודמים מצאנו לעתים קרובות את השיעורים של נקודות כשיעורים של נקודות החיתוך של שני ישרים .במקרים אלו השתמשנו בשיטה של שני מקומות גיאומטריים .להלן דוגמה מורכבת יותר לשימוש בשיטה זו. בעיה .נקודה Pנמצאת על הישר . ℓ : y = − xנתון שמנקודה Pרואים את הקטע המחבר את נקודות ) A(1, −1ו B (17,11) -בזווית ישרה .מצאו את השיעורים של הנקודה . P דרך החשיבה ופתרון. מה צריך למצוא בבעיה? צריך למצוא את שיעורי הנקודה . P על אילו דרישות צריכה לענות נקודה זו? היא צריכה לקיים את התנאים הבאים: ( r1נקודה Pנמצאת על הישר , ℓ : y = − x . ∡APB = 90° ( r2 הזוג הסדור של השיעורים של כל נקודה המקיימת את שני תנאים אלו הוא פתרון הבעיה. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה 122 .12שיטה של lמקומות גיאומטריים נשאל את עצמנו :מהו המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את התנאי ? r1 )(1 המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את התנאי r1הוא הישר . ℓ : y = −x כעת נשאל את עצמנו :מהו המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את התנאי ? r2 במטרה לענות על שאלה זו נשאל את עצמנו :האם קיים משפט גיאומטרי כלשהו על נקודות שמהן רואים קטע מסוים בזווית ישרה? כן ,קיים משפט שלפיו :כל זווית היקפית במעגל הנשענת על קוטר היא זווית ישרה. לכן אם נקודה Pמקיימת את שני התנאים הבאים: .1נקודה Pלא מתלכדת עם נקודות Aו, B - .2נקודה Pנמצאת על המעגל שהקטע ABהוא קוטרו, אז הנקודה גם מקיימת את התנאי . r2 נמצא את משוואת המעגל שהקטע ABהוא קוטרו. נסמן את מרכז המעגל ב . M -הנקודה Mהיא אמצע הקטע . ABלכן )(2 x A + xB 2 = xM )(3 y A + yB 2 = yM לפי הנתון )(4 ), A(1, −1 )(5 ). B (17,11 נציב בשוויונים ) (2ו (3)-לפי שורות ) (4ו .(5)-נקבל: )(6 1 + 17 =9 2 = xM © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית −1 + 11 =5 2 )(7 123 = yM רדיוס Rשל המעגל המדובר הוא מרחק בין נקודות Mו . A -לכן )(8 10יח' = R = ( xM − xA ) 2 + ( yM − y A ) 2 = (9 − 1) 2 + (5 + 1) 2 נמצא את משוואת המעגל Mלפי הנוסחה הבאה: ( x − xM ) 2 + ( y − yM ) 2 = R 2 נציב בנוסחה זו לפי שורות ) (6ו .(7)-נקבל כי משוואת המעגל Mהיא: ( x − 9) 2 + ( y − 5) 2 = 100 נשאל את עצמנו: האם אוסף של כל הנקודות הנמצאות על מעגל Mולא מתלכדות עם )(9 נקודות Aו B -הוא המקום הגיאומטרי של נקודות המקיימות את התנאי ? r2 הוכחנו לעיל רק את הטענה הבאה: )(10 כל הנקודות הנמצאות על מעגל Mולא מתלכדות עם נקודות AוB - מקיימות את התנאי . r2 כדי שנוכל להשיב על שאלה ) (9בחיוב ,עלינו עוד להוכיח את הטענה הבאה: )(11 כל הנקודות המקיימות את התנאי , r2נמצאות על המעגל Mולא מתלכדות עם נקודות Aו. B - ההוכחה של טענה ) (11תובא בסוף הפרק .לעת עתה תוכלו לסמוך על דבריי או להוכיח אותה בעצמכם .אפשר כמובן גם לדפדף לסוף הפרק במידת הצורך ,אך לדעתי עדיף שנתרכז כעת בהבהרת השיטה של שני מקומות גיאומטריים ,ולא בהוכחת טענה ).(11 כאמור ,נמשיך בהנחה שהוכחנו את טענה ) .(11מטענות ) (10ו (11)-נובע כי )(12 אוסף של כל הנקודות המונחות על מעגל Mולא מתלכדות עם נקודות Aו- Bהוא המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את התנאי . r2 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה 124 .12שיטה של lמקומות גיאומטריים מטענות ) (1ו (12)-נובע כי נקודה Pהיא הנקודה שאת שיעוריה אנחנו מתבקשים למצוא בבעיה אך ורק אם היא המקיימת את שני התנאים הבאים: (1נקודה Pנמצאת בה בעת על הישר ℓ : y = − xועל המעגל המיוצג על ידי המשוואה , ( x − 9) 2 + ( y − 5) 2 = 100 (2נקודה Pלא מתלכדת עם נקודות Aו. B - לכן קיימות שלוש אפשרויות :א( לבעיה יש שני פתרונות ,ב( לבעיה יש פתרון אחד, ג( לבעיה אין אף פתרון. לבעיה יש שני פתרונות אם יתברר כי הישר ℓחותך את המעגל Mבשתי נקודות השונות מנקודות Aו. B - לבעיה יש פתרון אחד אם יתברר כי מתקיים אחד המקרים הבאים :א( הישר ℓמשיק למעגל Mבנקודה השונה מנקודה Aוגם מנקודה ; Bב( הישר ℓחותך את המעגל M בשתי נקודות שאחת מהן מתלכדת עם נקודה Aאו עם נקודה , Bואילו נקודת החיתוך השנייה שונה מנקודה Aוגם מנקודה . B לבעיה אין אף פתרון אם יתברר כי מתקיים אחד המקרים הבאים :א( לישר ℓולמעגל Mאין אף נקודה משותפת; ב( הישר ℓמשיק למעגל Mבנקודה Aאו בנקודה ; Bג( הישר ℓחותך את המעגל בנקודות Aו) B -במקרה זה הישר ℓמתלכד עם הישר .( AB נציין כי ישר משיק למעגל אך רק אם לישר ולמעגל יש נקודה אחת משותפת. נמצא את השיעורים של נקודות המונחות בה בעת על הישר ℓ : y = − xוגם על המעגל המיוצג על ידי המשוואה . ( x − 9) 2 + ( y − 5) 2 = 100לשם כך נפתור את מערכת המשוואות הבאה: y = −x 2 2 ( x − 9) + ( y − 5) = 100 נציב במשוואה השנייה של המערכת האחרונה לפי המשוואה הראשונה שלה ,ונקבל את המשוואה הבאה: ( x − 9) 2 + ( − x − 5) 2 = 100 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 125 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: x2 − 4 x + 3 = 0 למשוואה האחרונה יש שני פתרונות שונים: x1 = 1 , x2 = 3 נציב פתרונות אלו במשוואה הראשונה של מערכת המשוואות האחרונה ,ונקבל: y1 = −1 , y2 = −3 קיבלנו כי הישר ℓחותך את המעגל Mבנקודות ) P1 (1, −1ו. P2 (3, −3) - הנקודה P1מתלכדת עם נקודה , Aואילו הנקודה P2לא מתלכדת עם אף אחת מהנקודות Aו. B - y )B (17,11 )M (9,5 x )P2 (3, −3 )A(1, −1 y = −x לכן התשובה לבעיה היא. P(3, −3) : דרך שנייה למציאת המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את התנאי . r2 אם עבור נקודה Pכלשהי מתקיים: )(13 ∡APB = 90° © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה 126 .12שיטה של lמקומות גיאומטריים 2 אז לפי משפט פיתגורס מתקיים: AB 2 = AP 2 + PB 2 )(14 לפי משפט הפוך למשפט פיתגורס ,3בכל משולש APBשצלעותיו מקיימות את שוויון ) ,(14מתקיים גם שוויון ).(13 מכאן המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את התנאי r2הוא אוסף של כל הנקודות Pהמקיימות את שני התנאים הבאים: (1נקודה Pלא מתלכדת עם נקודות Aו, B - (2נקודה Pמקיימת את השוויון ).(14 נרכיב את משוואת המקום הגיאומטרי של נקודות Pהמקיימות את השוויון ).(14 ניעזר בנוסחה לחישוב מרחק בין שתי נקודות ,ונקבל: , AB 2 = ( xB − x A ) 2 + ( yB − y A ) 2 , AP 2 = ( xP − x A ) 2 + ( yP − y A ) 2 . PB 2 = ( xP − xB )2 + ( yP − yB ) 2 מכאן ומשורות ) (4ו (5)-נובע כי , AB 2 = (17 − 1)2 + (11 + 1)2 = 400 , AP 2 = ( xP − 1) 2 + ( yP + 1) 2 . PB 2 = ( xP − 17) 2 + ( yP − 11) 2 נציב בשוויון ) (14לפי שלושת השוויונים האחרונים ,ונקבל: 2אם שוויון ) (13מתקיים ,אז הנקודה Pלא נמצאת על הישר . ABואכן ,אם נקודה Pמתלכדת עם אחת מהנקודות Aאו , Bאז הזווית APBלא מוגדרת; אם נקודה Pנמצאת בתוך הקטע , ABאז ; ∡APB = 180°ואם הנקודה Pנמצאת על הישר , ABאך מחוץ לקטע , ABאז . ∡APB = 0° לכן אם הזווית APBמוגדרת והיא בת , 90°אז אפשר להתבונן במשולש ישר זווית APBולהיעזר במשפט פיתגורס. 3 משפט הפוך למשפט פיתגורס אפשר להוכיח בעזרת משפט הקוסינוסים. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 127 400 = ( xP − 1) 2 + ( yP + 1) 2 + ( xP − 17) 2 + ( yP − 11) 2 נחליף בשוויון האחרון את xPב x -ואת yPב . y -נקבל את המשוואה הבאה של המקום הגיאומטרי של כל הנקודות Pהמקיימות את שוויון ):(14 400 = ( x − 1) 2 + ( y + 1) 2 + ( x − 17) 2 + ( y − 11) 2 לאחר שפותחים סוגריים ומכנסים איברים דומים באגף הימני של משוואה ,מקבלים את המשוואה הבאה: 400 = 2 x 2 − 36 x + 2 y 2 − 20 y + 412 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: )(15 x 2 − 18 x + y 2 − 10 y = −6 נציין כי x 2 − 18 x + y 2 − 10 y = −6 ⇕ ( x 2 − 2 ⋅ x ⋅ 9 + 9 2 ) + ( y 2 − 2 ⋅ y ⋅ 5 + 5 2 ) = −6 + 9 2 + 5 2 ⇕ )(16 ( x − 9) 2 + ( y − 5) 2 = 100 על סמך המשוואה האחרונה מסיקים שהמקום הגיאומטרי של כל הנקודות Pהמקיימות את השוויון ) (14הוא מעגל עם מרכז בנקודה ) , M (9,5רדיוס המעגל שווה ל 10 -יח'. אפשר לסיים את הפתרון כמו בשיטה הקודמת ,אך נוח יותר לפתור את מערכת המשוואות שבה רשומה משוואה ) (15ולא משוואה ).(16 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה 128 .12שיטה של lמקומות גיאומטריים דרך שלישית למציאת המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את התנאי . r2 הזווית APBמוגדרת אך ורק אם נקודה Pלא מתלכדת עם אף אחת מהנקודות Aו- .B אם נקודה Pלא מתלכדת עם אף אחת מהנקודות Aו , B -נוכל להתבונן בישרים AP ו) BP -מכיוון שלפי אקסיומת הישר דרך כל שתי נקודות אפשר להעביר ישר אחד ויחיד(. אם אף אחד מהישרים APו BP -לא מאונך לציר ה , x -אז השיפוע m APשל הישר APוהשיפוע mBPשל הישר BPמוגדרים .יתרה מזאת ,אם אף אחד מהישרים APו- BPלא מאונך לציר ה , x -אז הטענה AP ⊥ BP )(17 מתקיימת אך ורק אם מתקיים: )(18 mAP ⋅ mBP = −1 בהסתמך על נוסחה לשיפוע של ישר העובר דרך שתי נקודות נקבל כי )(19 yP − y A xP − x A = , mAP )(20 yP − yB xP − xB = . mBP לפי הנתון )(21 ), A(1, −1 )(22 ). B (17,11 נציב בשוויון ) (19לפי שורה ) ,(21ובשוויון ) (20לפי שורה ) .(22נקבל: )(23 yP + 1 xP − 1 = mAP )(24 yP − 11 xP − 17 = mBP © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 129 נציב בשוויון ) (18לפי שני השוויונים האחרונים ,ונקבל: yP + 1 yP − 11 ⋅ = −1 xP − 1 xP − 17 )(25 נחליף בשורה ) (25את xPב x -ואת yPב , y -ונקבל את המשוואה הבאה: y + 1 y − 11 ⋅ = −1 x − 1 x − 17 )(26 המשוואה מייצגת את אוסף כל הנקודות Pהמקיימות את התנאים הבאים: (1נקודה Pלא נמצאת על הישר ℓ1 : x = 1וגם לא על הישר , ℓ 2 : x = 17 . ∡APB = 90° (2 נכפיל את המשוואה ) (26ב , ( x − 1)( x − 17) -ונקבל את המשוואה הבאה: )( y + 1)( y − 11) = −( x − 1)( x − 17 )(27 הוכיחו בעצמכם בתור תרגיל כי המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: ( x − 9) 2 + ( y − 5) 2 = 100 )(28 נשאל את עצמנו :האם הדרך שבה הגענו אל משוואה ) (28מאפשרת לנו לומר כי אוסף כל הנקודות הנמצאות על מעגל המיוצג על ידי משוואה ) (28ולא מתלכדות עם נקודות Aו B -הוא המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את התנאי ? r2 לא ,עדיין איננו יכולים להגיע למסקנה זו .הרי הגענו למשוואה ) (28מתוך הנחה שאנו מתבוננים בנקודות שאינן נמצאות על הישר ℓ1 : x = 1וגם לא על הישר . ℓ 2 : x = 17עלינו עוד להתבונן בנקודות הנמצאות על הישר ℓ1 : x = 1וגם בנקודות הנמצאות על הישר . ℓ 2 : x = 17 משוואת הישר המאונך לישר ℓ1 : x = 1והעובר דרך הנקודה ) B (17,11היא . y = 11 נקודת החיתוך של שני הישרים הללו היא הנקודה ) . (1,11נסמן את הנקודה האחרונה ב- . Eמנקודה Eהנמצאת על הישר ℓ1 : x = 1רואים את הקטע ABבזווית ישרה .שיעורי נקודה Eמקיימים את משוואה ) ,(27השקולה למשוואה ) .(28לכן נקודה Eנמצאת על © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה 130 .12שיטה של lמקומות גיאומטריים מעגל ) .(28נקודת החיתוך השנייה של הישר ℓ1 : x = 1עם המעגל המדובר היא הנקודה ) . A(1, −1חוץ מהנקודות Eו A -אין אף נקודה הנמצאת בה בעת גם על הישר ℓ1 : x = 1 וגם על המעגל הנ"ל. y y = 11 )B (17,11 )E (1,11 x =1 )M (9,5 x = 17 x )F (17, −1 y = −1 0 )A(1, −1 משוואת ישר המאונך לישר ℓ 2 : x = 17והעובר דרך הנקודה ) A(1, −1היא . y = −1 נקודת החיתוך של שני הישרים הללו היא הנקודה ) . (17, −1נסמן את הנקודה האחרונה ב . F -מהנקודה Fהנמצאת על הישר ℓ 2 : x = 17רואים את הקטע ABבזווית ישרה. שיעורי הנקודה Fמקיימים את המשוואה ) ,(27השקולה למשוואה ) .(28לכן נקודה F נמצאת על מעגל ) .(28נקודת החיתוך השנייה של הישר ℓ 2 : x = 17עם המעגל המדובר היא הנקודה ) . B (17,11חוץ מנקודות Fו B -אין אף נקודה המונחת בה בעת גם על הישר ℓ 2 : x = 17וגם על המעגל הנ"ל. כעת יש לנו זכות מלאה לומר כי אוסף של כל הנקודות המונחות על מעגל המיוצג על ידי משוואה )(28 )(29 ולא מתלכדות עם נקודות Aו B -הוא המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את התנאי . r2 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 131 הערה .1בדרך כלל ,כשמוכיחים טענות מהסוג של טענה ) (29בשיטה השלישית לא כותבים הוכחה כה מפורטת :לא מבחינים בישרים המאונכים לציר ה x -ועוברים דרך קצוות הקטע . ABהרי אין במבחן די זמן להסברים מפורטים כל כך .ובכל זאת ,קיים הבדל עצום בין החסרת קטעים מהפתרון למען חיסכון בזמן ,ואף ברור אילו קטעים הוחסרו ,לבין כתיבת אותם שלבים במחשבה שהפתרון מושלם .נציין שאילו לא היינו קפדניים ולא היינו מבחינים בכך שאם נקודה Pמתלכדת עם הנקודה Aאו עם הנקודה , Bאז הזווית APBלא מוגדרת ,היינו מגיעים בטעות למסקנה כי לבעיה יש שני פתרונות שונים ולא פתרון אחד. הוכחת טענה ).(11 הבה נזכר כיצד הגענו לראשונה למסקנה כי אוסף של כל הנקודות הנמצאות על מעגל Mולא מתלכדות עם נקודות A ו B -הוא המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את התנאי . r2 בהסתמך על אחד מהמשפטים הגיאומטריים קיבלנו כי כל הנקודות הנמצאות על מעגל Mולא מתלכדות עם נקודות Aו, B - מקיימות את התנאי . r2 היינו חייבים להוכיח גם את הטענה הבאה )טענה ):((11 כל הנקודות המקיימות את התנאי , r2נמצאות על המעגל Mולא מתלכדות עם נקודות Aו. B - הבטחתי שנוכיח את טענה ) (11בסוף הפרק ,וזה הזמן לקיים את ההבטחה. נוכיח בדרך השלילה כי )(30 כל הנקודות המקיימות את התנאי , r2נמצאות על המעגל . M נניח שקיימת נקודה Pאשר לא נמצאת על מעגל Mואשר מקיימת את השוויון הבא: ∡APB = 90° )(31 על סמך טענה ) (31אפשר להסיק כי )(32 הנקודה Pלא נמצאת על הישר . AB © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה 132 .12שיטה של lמקומות גיאומטריים לפי אקסיומת הישר ,דרך נקודות Aו P -אפשר להעביר ישר אחד ויחיד .יתרה מזאת, בהסתמך על טענה ) (32אפשר להסיק כי קיימות אך ורק שתי אפשרויות: .1הישר APמשיק למעגל Mבנקודה ; A .2הישר APחותך את המעגל Mבשתי נקודות :בנקודה Aובנקודה שונה מנקודות Aו. B - הנחנו כי )(33 קיימת נקודה Pאשר לא נמצאת על מעגל Mואשר מקיימת את שוויון ),(31 לאחר מכן הגענו למסקנה שאם טענה זו מתקיימת ,אז מתקיימת אך ורק אחת משתי הטענות הבאות: הישר APמשיק למעגל Mבנקודה ; A )(34 הישר APחותך את המעגל Mבשתי נקודות :בנקודה Aובנקודה שונה )(35 מנקודה זו. נניח כי נוסף לטענה ) (33מתקיימת גם טענה ) .(34מטענה ) (34נובע כי ∡PAB = 90° )(36 )לפי המשפט :הזווית בין משיק לרדיוס הנפגשים בנקודת ההשקה שווה ל.( 90° - כעת ניעזר במשפט שלפיו :מכל נקודה שנמצאת מחוץ לישר נתון אפשר להוריד לישר אנך אחד ויחיד. 4 לפי משפט זה שוויונים ) (31ו (36)-לא יכולים להתקיים בו-זמנית .הגענו לידי סתירה .לכן טענה ) (34לא מתקיימת .מכאן אם טענה ) (33מתקיימת ,אז טענה ) (34לא מתקיימת .לכן על סמך ההנחה שטענה ) (33מתקיימת עלינו להסיק כי טענה ) (35מתקיימת. נסמן ב C -את נקודת החיתוך השונה מנקודה Aשל הישר APעם המעגל . Mעל סמך טענה ) (32מסיקים כי )(37 נקודה Cלא מתלכדת עם נקודה . B 4ישנו גם המשפט הבא :במישור ,אפשר להעביר דרך כל נקודה שנמצאת על ישר נתון אנך אחד ויחיד לישר זה. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 133 הזווית ACBהיא זווית היקפית במעגל Mהנשענת על קוטר . ABקיים משפט שלפיו :כל זווית היקפית במעגל הנשענת על קוטר היא זווית ישרה .לפי משפט זה מתקיים: ∡ACB = 90° )(38 שוב ניעזר במשפט שלפיו מנקודה הנמצאת מחוץ לישר אפשר להוריד לישר אנך אחד ויחיד .לפי משפט זה טענות ) (31ו (38)-לא יכולות להתקיים בו-זמנית .הגענו לידי סתירה על סמך ההנחה כי טענה )) (33טענה הפוכה לטענה ) ((30מתקיימת .לכן טענה ) (30אכן מתקיימת. כפי שאמרנו לעיל ,נקודה Pהמקיימת את התנאי r2לא מתלכדת עם נקודות Aו , B -כי אחרת הזווית APBלא מוגדרת .מכאן ומטענה ) (30נובע כי טענה ) (11מתקיימת. הערה .2נציין שלאחר שמצאנו את המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את התנאי r2בדרך השנייה ,גם לאחר שעשינו זאת בדרך השלישית ,קיבלנו בה בעת כי טענות ) (10ו (11)-מתקיימות. . © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .13שתי נקודות מבט 134 .13שתי נקודות מבט שאל אותי תלמיד" :איך זה ייתכן שלבעיה אין אף פתרון?" עניתי" :בעוד מספר שנים תגיע לגיל שבו תרצה להקים משפחה משלך .אם למטרה זו תחפש אישה מושלמת – לבעיה זו ,לא קיים אף פתרון. באמצע המאה ה 19-הומצא הצילום הסטריאוסקופי -צילום משתי זוויות ליצירת תמונה תלת-ממדית .גם כשפותרים בעיה בשתי שיטות שונות מקבלים תמונה רב-ממדית שלה. בעיה .שניים מקודקודי המשולש ABCהם ) A(−1, 2ו . B(3,5) -הקודקוד השלישי של 1 המשולש נמצא על הישר . ℓ : y = xשטח המשולש הוא 10יח"ר .מצאו את הקודקוד 2 השלישי של המשולש. דרך החשיבה ופתרון א' )שיטה אלגברית(. מה צריך למצוא? צריך למצוא את השיעורים של קודקוד Cבמשולש . ABC נסמן את שיעור ה x -של נקודה Cב , x1 -ואת שיעור ה y -שלה נסמן ב. y1 - עלינו לפתור בעיה עם שני נעלמים x1 :ו . y1 -ננסה להרכיב שתי משוואות עם שני נעלמים אלו. מה נתון? 1 בין היתר נתון שנקודה Cנמצאת על הישר x 2 = .ℓ: y נקודה ) C ( x1 , y1נמצאת על ישר ℓאך ורק אם שיעוריה מקיימים את משוואת הישר, כלומר אך ורק אם מתקיים: )(1 1 x1 2 = y1 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 135 כעת ברשותנו משוואה אחת עם הנעלמים x1ו . y1 -ננסה להרכיב עוד משוואה עם נעלמים אלו. נשאל את עצמנו :במה מהנתון בבעיה עוד לא השתמשנו? לא השתמשנו בכך שלפי הנתון קודקוד Aשל המשולש המדובר נמצא בנקודה ), (−1, 2 וקודקוד Bנמצא בנקודה ) . (3,5גם לא השתמשנו בכך שלפי הנתון עבור השטח S ∆ABC של המשולש ABCמתקיים: )(2 10יח"ר = S ∆ABC כיצד נוכל להיעזר בשטח המשולש ובשיעורי הנקודות Aו? B - כדי לענות על שאלה זו נשאל את עצמנו :מהי הנוסחה לחישוב שטח של משולש? שטח משולש שווה למחצית מכפלת צלע בגובה לאותה צלע. את אורכה של איזו צלע במשולש ABCאפשר לחשב? אפשר לחשב את אורך הצלע ABלפי הנוסחה )(3 AB = ( x A − xB )2 + ( y A − yB ) 2 נציב בנוסחה את השיעורים של הנקודות Aו . B -נקבל: )(4 5יח' = AB = (−1 − 3) 2 + (2 − 5) 2 נסמן ב hAB -את הגובה לצלע ABבמשולש . ABCננסה להיעזר בנוסחה )(5 1 ⋅ AB ⋅ hAB 2 = S ∆ABC נציב בשוויון ) (5לפי שורות ) (2ו , (4) -ונקבל: 1 ⋅ 5 ⋅ hAB 2 = 10 קיבלנו משוואה עם הנעלם . hABלאחר שנפתור אותה ,נקבל: )(6 4יח' = hAB © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .13שתי נקודות מבט 136 על סמך השוויון האחרון אפשר להסיק כי נקודה Cנמצאת במרחק 4יח' מהישר AB )(7 בטענה ) (7מדובר במרחק בין נקודה לישר ,לכן נשאל את עצמנו :מהי הנוסחה לחישוב מרחק בין נקודה לישר? את המרחק dבין נקודה ) ( x0 , y0לישר ,המיוצג על ידי המשוואה הכללית , ax + by + c = 0אפשר לחשב לפי הנוסחה הבאה: | | ax0 + by0 + c )(8 a 2 + b2 =d כדי שנוכל להיעזר בנוסחה זו לחישוב המרחק בין נקודה Cלישר ABעלינו לקבל משוואה כללית של הישר . ABמצאו בעצמכם את המשוואה הכללית של הישר . AB עליכם לקבל את המשוואה הבאה : −3x + 4 y − 11 = 0 )(9 או משוואה השקולה לה. 1 על סמך נוסחה ) (8ומשוואה ) (9מקבלים כי עבור המרחק ) d (C , ℓ ABבין נקודה ) C ( x1 , y1לישר ABמתקיים: || −3 x1 + 4 y1 − 11 5 )(10 = || −3 x1 + 4 y1 − 11 2 (−3) + 4 2 = ) d (C , ℓ AB על סמך שורות ) (7ו (10)-מסיקים כי שיעורי הנקודה ) C ( x1 , y1חייבים לקיים את המשוואה הבאה )(11 || −3 x1 + 4 y1 − 11 =4 5 3 3 1המשוואה המפורשת של ישר זה היאx + 2 : 4 4 =.y © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 137 קיבלנו כי שיעורי הנקודה ) C ( x1 , y1מקיימים את תנאים ) (1ו .(11)-יתרה מזאת ,על סמך הנאמר לעיל אפשר להסיק כי כל זוג סדור ) ( x1 , y1אשר מקיים את תנאים אלו הוא פתרון הבעיה .מכאן הזוג הסדור של שיעורי נקודה Cהוא פתרון המערכת הבאה: 1 y = 2 x | −3 x + 4 y − 11| = 4 5 וכל פתרון של מערכת משוואות זו הוא פתרון הבעיה. אוסף הנקודות במישור המקיימות את המשוואה השנייה של מערכת זו הוא איחוד של אוסף הנקודות המקיימות את המשוואה −3 x + 4 y − 11 =4 5 ואוסף של נקודות המקיימות את המשוואה −3 x + 4 y − 11 = −4 5 . במילים אחרות || −3 x + 4 y − 11 =4 5 ⇕ −3 x + 4 y − 11 =4 5 או −3 x + 4 y − 11 = −4 5 . מכאן 1 y = 2 x | −3 x + 4 y − 11| = 4 5 ⇕ © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .13שתי נקודות מבט 138 ⇕ 1 y = 2 x −3 x + 4 y − 11 = 4 5 1 y = 2 x או 3 4 11 − x + y − = −4 5 פתרון של המערכת 1 y = 2 x −3 x + 4 y − 11 = 4 5 הוא ) , (−31, −15.5ואילו פתרון של המערכת 1 y = 2 x −3 x + 4 y − 11 = −4 5 הוא ) . (9, 4.5לכן התשובה לבעיה היא ) C (−31, −15.5או ). C (9, 4.5 דרך החשיבה ופתרון ב' )שיטה של שני מקומות גיאומטריים(. מה צריך למצוא? צריך למצוא את השיעורים של קודקוד Cבמשולש . ABC כיצד מחפשים שיעורים של נקודה מסוימת? אחת הדרכים למציאת שיעורים של נקודה מסוימת היא למצוא את המשוואות של שני קוים כלשהם אשר עוברים דרך נקודה זו ,ולאחר מכן למצוא את השיעורים של נקודות משותפות לשני הקווים .שיטה זו היא מקרה פרטי של שיטת lמקומות גיאומטריים המתוארת בפרק הקודם .לעתים קרובות כדי למצוא את השיעורים של נקודה מסוימת מספיק להבחין בשני תנאים אשר הנקודה חייבת לקיים ,למצוא עבור כל אחד מהתנאים © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 139 את משוואת המקום גיאומטרי של כל הנקודות המקיימות אותו ,ולפתור את המערכת המורכבת ממשוואות אלו. 2 ננסה למצוא משוואות של שני מקומות גיאומטריים הכוללים את נקודה . Cעלינו להבחין בשני תנאים )נקרא להם תנאים r1ו ( r2 -אשר נקודה Cחייבת לקיים. על סמך הנתון בבעיה מסיקים כי נקודה Cחייבת לקיים את תנאי הבא: 1 נקודה Cנמצאת על הישר x 2 ( r1 = .ℓ: y 1 המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את תנאי זה הוא הישר x 2 בדיוק כמו בפתרון הבעיה בשיטה הקודמת ,מסיקים כי נקודה Cחייבת גם לקיים את = .ℓ: y התנאי הבא: ( r2 נקודה Cנמצאת במרחק 4יח' מהישר . AB נציין שכל נקודה אשר מקיימת את התנאים r1ו r2 -יכולה לשמש קודקוד Cשל המשולש ABCהנתון בבעיה. מהו המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את התנאי ? r2 כדי לענות על שאלה זו נשאל את עצמנו :מהי הנוסחה לחישוב מרחק בין נקודה לישר? את המרחק dבין נקודה ) ( x0 , y0לישר ,המיוצג על ידי המשוואה הכללית , ax + by + c = 0אפשר לחשב לפי הנוסחה הבאה: | | ax0 + by0 + c )(12 a 2 + b2 =d שוב אבקש שתקבלו בעצמכם את המשוואה הכללית של הישר . ABכפי שנאמר לעיל, עליכם לקבל את המשוואה הבאה: −3x + 4 y − 11 = 0 או משוואה השקולה לה. 2קיימות גם בעיות שבהן הנקודה חייבת לקיים יותר משני תנאים .לעתים קרובות אפשר לפתור בעיות מסוג זה בדרך הבאה :ראשית מרכיבים מערכת של שתי משוואות עם שני נעלמים בעזרת שיטה של שני מקומות גיאומטריים ,פותרים אותה ובודקים אילו מהפתרונות של המערכת מקיימים את שאר התנאים. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .13שתי נקודות מבט 140 בהסתמך על נוסחה ) (12ועל המשוואה הכללית של הישר ABמסיקים כי משוואה של המקום הגיאומטרי השני )כלומר ,של המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את התנאי ( r2היא || −3 x + 4 y − 11 =4 5 מכאן המקום הגיאומטרי השני הוא איחוד של ישרים −3 x + 4 y − 11 −3 x + 4 y − 11 ℓ 1 :ו = −4 - =4 5 5 . ℓ2 : שני ישרים אלו מקבילים לישר ABונמצאים במרחק של 4יח' ממנו. נשים לב כי מתקיימות שתי הטענות הבאות: קודקוד Cשל המשולש הנתון מקיים את תנאים r1ו; r2 - הזוג הסדור של השיעורים של כל נקודה המקיימת את התנאים r1ו r2 -הוא פתרון של בעיה זו. לכן קודקוד Cשל המשולש הנתון שייך לשני המקומות הגיאומטריים הנ"ל; כל נקודה אשר שייכת בה בעת לשני המקומות הגיאומטריים הנ"ל יכולה לשמש קודקוד Cשל המשולש הנתון. 1 השיפוע של הישר x 2 = ℓ : yלא שווה לשיפוע של הישר . ABלכן הישר ℓחותך את הישרים ℓ1ו ℓ 2 -המקבילים לישר . ABמכאן לבעיה יש שני פתרונות. כדי למצוא אחד מפתרונות אלו צריך לפתור את המערכת 1 y = 2 x −3 x + 4 y − 11 = 4 5 כדי למצוא את הפתרון השני צריך לפתור את המערכת © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 141 1 y = 2 x . −3 x + 4 y − 11 = −4 5 לאחר שפותרים את מערכות משוואות אלו מקבלים כי ) C (−31, −15.5או ). C (9, 4.5 הערה .1אילו השיפוע של הישר ℓהיה שווה לשיפוע של הישר , ABהיינו יכולים לקבל את תשובות הבאות :א( אם אף אחד מהישרים ℓ1ו ℓ 2 -לא מתלכד עם הישר , ℓהיינו מסיקים כי לבעיה אין אף פתרון; אם אחד מהישרים ℓ1ו ℓ 2 -מתלכד עם הישר , ℓהיינו מסיקים כי כל נקודה על ישר זה יכולה להיות קודקוד Cשל המשולש הנתון )במקרה זה לבעיה יש אינסוף פתרונות(. הערה .2גם למי שיעדיף להשתמש בשיטה האלגברית לפתרון בעיה דומה לזו במבחן אמליץ לפתור אותה בראש בשיטה של שני מקומות גיאומטריים. הערה .3כשהתחלנו לחפש את השיעורים של נקודה Cבדרך השנייה )בשיטה של שני מקומות גיאומטריים( שאלנו את עצמנו :כיצד מחפשים את השיעורים של נקודה מסוימת? התשובה שניתנה לאחר מכן הייתה חלקית .אילו עוד דרכים קיימות למציאת השיעורים של נקודה מסוימת במישור נוסף על אלו שתוארו מיד לאחר השאלה? בעיות מסוג זה פותרים גם בדרכים הבאות: • מרכיבים מערכת של שתי משוואות שהנעלמים בהן הם שיעורי הנקודה או מערכת של 2 + mמשוואות עם 2 + mנעלמים )כאן mהוא מספר טבעי( .ושניים מהנעלמים הם שיעורי הנקודה .הדרך הראשונה שבה פתרנו את הבעיה האחרונה הייתה לפי גישה זו .חשוב לציין כי מי שמנסה למצוא את שיעורי הנקודה כנקודה משותפת לשני מקומות גיאומטריים מנסה גם הוא להגיע למערכת של שתי משוואות עם שני נעלמים ,אך דרך חשיבתו שונה מזו של מי שמנסה להרכיב מערכת משוואות אך לא חושב על הנקודה כנקודת החיתוך של שני קווים. • נעזרים בנוסחאות המקשרות בין שיעורי קצות הקטע לבין שיעורי הנקודה המחלקת את הקטע ביחס נתון .בבעיות רבות הנקודה האחרונה היא אמצע הקטע) .לאמיתו של דבר שיטה זו היא מקרה פרטי של השיטה הקודמת .חשוב לציין כי לעתים קרובות כאשר מנסים לפתור בעיה כלשהי בשיטה הקודמת נעזרים בנוסחאות אלו(. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .14צועדים במעגל 142 .14צועדים במעגלים כשאתה זורק אבנים למים ,הסתכל על המעגלים שהם יוצרים ,אחרת אתה זורק את האבנים לשווא. )קוזמא פרוטקוב( בעיה .נתון מעגל העובר דרך נקודות ) A(−2,3ו . B(6,5) -מרכז המעגל נמצא על הישר . ℓ : y = 4 x + 4מצאו את משוואת המעגל. דרך החשיבה ופתרון. מה צריך למצוא בבעיה? צריך למצוא משוואת מעגל המקיים כמה תנאים. מהם התנאים אשר מקיים המעגל המדובר? לפני שנענה על השאלה האחרונה נסמן את מרכז המעגל ב . M -כעת נוכל לקרוא למעגל המדובר מעגל . M לפי הנתון )(1 המעגל Mעובר דרך נקודה ), A(−2,3 )(2 המעגל Mעובר דרך נקודה ), B(6,5 )(3 מרכז Mשל המעגל המדובר נמצא על הישר . ℓ : y = 4 x + 4 אפשר לשאול :מהו מעגל שמרכזו בנקודה ? M מעגל שרדיוסו Rומרכזו בנקודה Mהוא מקום גיאומטרי של כל הנקודות במישור הנמצאות במרחק Rמהנקודה ) Mמידע עשוי לסייע למי שלא זוכר את הנוסחה הבאה, הנוסחה למשוואת מעגל ,בתנאי שיזכור את הנוסחה למרחק בין שתי נקודות במישור(. נשאל את עצמנו :מהי הנוסחה למשוואת המעגל? משוואת המעגל שרדיוסו Rומרכזו בנקודה ) M (a, bהיא )(4 ( x − a ) 2 + ( y − b) 2 = R 2 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 143 המשך פתרון א' )שיטה אלגברית(. מה עלינו למצוא כדי לקבל את המשוואה הנדרשת בעזרת נוסחה )?(4 עלינו למצוא את הגודל של כל אחד מהפרמטרים b , aו R -בנוסחה .זו בעיה עם שלושה נעלמים .הנעלמים אשר עלינו למצוא הם b , aו . R -ננסה להרכיב שלוש משוואות עם שלושת הנעלמים האלו. שוב נשאל את עצמנו :מהם התנאים אשר מקיים המעגל המדובר? המעגל מקיים את התנאים ) (2) ,(1ו .(3)-ננסה להרכיב שלוש משוואות בהסתמך על שלושה תנאים אלו. נקודה נמצאת על קו מסוים אך ורק אם היא מקיימת את המשוואה המייצגת את הקו. לכן (1תנאי ) (1מתקיים אם רק שיעורי הנקודה ) A(−2,3מקיימים את משוואה ) ,(4כלומר אך ורק אם מתקיים: (−2 − a )2 + (3 − b) 2 = R 2 (2תנאי ) (2מתקיים אם רק שיעורי הנקודה ) B(6,5מקיימים את משוואה ) ,(4כלומר אך ורק אם מתקיים: (6 − a ) 2 + (5 − b)2 = R 2 (3תנאי ) (3מתקיים אם רק שיעורי הנקודה ) M (a, bמקיימים את המשוואה , y = 4 x + 4כלומר אך ורק אם מתקיים: b = 4a + 4 מכאן המשוואה אשר אנחנו מתבקשים למצוא בבעיה היא משוואת המעגל שהשיעורים של מרכזו ) M (a, bושל רדיוסו Rמקיימים את שלושת השוויונים הבאים: , (−2 − a )2 + (3 − b) 2 = R 2 , (6 − a ) 2 + (5 − b)2 = R 2 . b = 4a + 4 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .14צועדים במעגל 144 כדי למצוא את ערכי הפרמטרים b , aו R -המקיימים את שלושת השוויונים הללו עלינו להתייחס אל פרמטרים b , aו R -כאל נעלמים ,להתייחס אל שלושת השוויונים האחרונים כאל משוואות ,ולפתור את המערכת הבאה המורכבת ממשוואות אלו: (−2 − a ) 2 + (3 − b) 2 = R 2 2 2 2 (6 − a ) + (5 − b) = R b = 4a + 4 )(5 מערכת המשוואות הזו שקולה למערכת המשוואות הבאה (2 + a ) 2 + (3 − b) 2 = R 2 2 2 2 2 (6 − a ) + (5 − b) − (2 + a ) − (3 − b) = 0 b = 4a + 4 )נעזרנו בשוויון (−2 − a ) 2 = (2 + a ) 2וחיסרנו מהמשוואה השנייה של מערכת ) (5את המשוואה הראשונה(. לאחר שבמשוואה השנייה של מערכת המשוואות האחרונה נפתח סוגריים ונכנס איברים דומים ,נקבל את מערכת המשוואות הבאה: (2 + a) 2 + (3 − b) 2 = R 2 −16a − 4b + 48 = 0 b = 4a + 4 מערכת משוואות זו שקולה למערכת המשוואות הבאה: (2 + a) 2 + (3 − b) 2 = R 2 b = −4a + 12 b = 4a + 4 מערכת המשוואות האחרונה שקולה למערכת המשוואות הבאה: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 145 (2 + a) 2 + (3 − b) 2 = R 2 b = −4a + 12 −4a + 12 = 4a + 4 )(6 נפתור את המשוואה השלישית במערכת המשוואות הזו .נקבל: a =1 )(7 נציב במשוואה השנייה של מערכת משוואות ) (6לפי שורה ) ,(7ונקבל: b=8 )(8 נציב במשוואה הראשונה של מערכת המשוואות ) (6לפי שורות ) (7ו ,(8)-ונקבל: (2 + 1) 2 + (3 − 8) 2 = R 2 מכאן R 2 = 34 )(9 לכן 34 יח' = R למעשה אין לנו צורך בשוויון האחרון .ניעזר רק בשוויונים ) (8) ,(7ו .(9)-נציב בנוסחה )(4 לפי שלושה שוויונים אלו ,ונקבל את המשוואה הבאה: ( x − 1) 2 + ( y − 8) 2 = 34 מש"ל. המשך פתרון ב' )מבוסס על שימוש בשיטה של שני מקומות גיאומטריים(. מה עלינו למצוא כדי שנוכל לקבל את המשוואה הנדרשת בעזרת נוסחה )?(4 עלינו למצוא את השיעורים של מרכז המעגל ואת רדיוס המעגל. ראשית ננסה לפתור את הבעיה הבאה: נתון מעגל העובר דרך נקודות ) A(−2,3ו . B(6,5) -מרכז המעגל נמצא על הישר . ℓ : y = 4 x + 4מצאו את השיעורים של מרכז המעגל. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .14צועדים במעגל 146 זו תת-בעיה של הבעיה אשר התבקשנו לפתור בפרק זה. מרכז המעגל המדובר הוא נקודה .לכן נשאל את עצמנו :כיצד מחפשים את השיעורים של נקודה מסוימת? אחת הדרכים למציאת השיעורים של נקודה מסוימת היא למצוא את המשוואות של שני קוים כלשהם אשר עוברים דרך נקודה זו ,ולאחר מכן למצוא את השיעורים של נקודות משותפות לשני הקווים. ננסה למצוא משוואות של שני מקומות גיאומטריים הכוללים את הנקודה ) Mנזכיר כי ב M -אנחנו מסמנים את מרכז המעגל המדובר( .עלינו להבחין בשני תנאים )נקרא להם תנאים r1ו ( r2 -אשר הנקודה Mחייבת לקיים. התנאים r1ו r2 -צריכים לענות על הדרישה הבאה :המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את התנאי ) r1נקרא לו המקום הגיאומטרי הראשון( וגם המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את התנאי ) r2נקרא לו המקום הגיאומטרי השני( -שניהם צריכים להיות קווים. אם נצליח להבחין בשני תנאים כאלו ולמצוא את המשוואות של שני המקומות הגיאומטריים ,נוכל להרכיב מערכת מהמשוואה של המקום הגיאומטרי הראשון ומהמשוואה של המקום הגיאומטרי השני .הזוג הסדור של שיעורי הנקודה Mהוא פתרון של מערכת משוואות זו. אם יתברר שנוסף על תנאים r1ו r2 -יהיו תנאים נוספים שנקודה Mחייבת לקיים, נבדוק עבור כל פתרון של מערכת המשוואות הנ"ל אם הוא מקיים גם את אותם תנאים נוספים .כל פתרון של מערכת משוואות זו אשר מקיים את כל התנאים אשר שיעורי הנקודה Mחייבים לקיים הוא פתרון לבעיה זו. זוהי תוכנית כללית לפתרון תת-הבעיה הנ"ל .נתחיל בביצועה. ננסח את תנאי r1כך :נקודה Mמונחת על הישר . ℓ : y = 4 x + 4 ננסח את תנאי r2כך :נקודה Mהיא מרכז המעגל העובר דרך נקודות ) A(−2,3ו- ). B(6,5 נשים לב כי מתקיימות שתי הטענות הבאות: מרכז המעגל הנזכר בתת-הבעיה הנוכחית מקיים את תנאים r1ו; r2 - © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 147 זוג השיעורים של כל נקודה Mהמקיימת את התנאים r1ו r2 -הוא פתרון של תת-בעיה זו. לכן אוסף של כל הפתרונות של תת-הבעיה הנוכחית הוא אוסף של כל הפתרונות של מערכת המשוואות אשר אנחנו מנסים להרכיב. נשאל את עצמנו :מהו המקום הגיאומטרי של כל הנקודות Mהמקיימות את התנאי r1 )המקום הגיאומטרי הראשון(? המקום הגיאומטרי הראשון הוא הישר . ℓמשוואתו היא . y = 4 x + 4 נשאל את עצמנו :מהו המקום הגיאומטרי של כל הנקודות Mהמקיימות את התנאי r2 )המקום הגיאומטרי השני(? במילים אחרות :מהו המקום הגיאומטרי של מרכזי המעגלים העוברים דרך הנקודות ) A(−2,3ו? B(6,5) - אם נקודה Mהיא מרכז המעגל העובר דרך הנקודות ) A(−2,3ו , B(6,5) -אז היא נמצאת במרחקים שווים מנקודות אלו .גם ההפך הוא נכון :כל נקודה Mהנמצאת במרחקים שווים מהנקודות Aו B -היא מרכז המעגל העובר דרך נקודות אלו .הרדיוס של המעגל האחרון שווה למרחק בין נקודות Mו. A - מכאן המקום הגיאומטרי השני הוא המקום הגיאומטרי של כל הנקודות הנמצאות במרחקים שווים מקצות הקטע . AB קיים משפט גיאומטרי שלפיו :האנך האמצעי לקטע הוא המקום הגיאומטרי של כל הנקודות במישור הנמצאות במרחקים שווים מקצות הקטע .לכן המקום הגיאומטרי השני הוא האנך האמצעי לקטע . AB מתברר שגם המקום הגיאומטרי השני הוא ישר .נסמן ישר זה ב , ℓ′ -וננסה למצוא את משוואתו. נשאל את עצמנו :כיצד מוצאים את המשוואה של ישר מסוים? בעיות מסוג זה פותרים לעתים קרובות בדרך הבאה :מוצאים את השיפוע mשל הישר ואת השיעורים x1ו y1 -של אחת הנקודות הנמצאות עליו; לאחר מכן מציבים את © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .14צועדים במעגל 148 המספרים שנמצאו בנוסחה הבאה למשוואה של ישר עם שיפועו mואשר עובר דרך הנקודה ) : ( x1 , y1 ) y − y1 = m( x − x1 במטרה למצוא את השיפוע של הישר ℓ′ואת השיעורים של אחת הנקודות הנמצאות עליו נשאל את עצמנו :מהו האנך האמצעי לקטע ? AB האנך האמצעי לקטע ABהוא הישר המאונך לישר ABוהעובר דרך אמצע הקטע . AB נסמן את אמצע הקטע ABב . N -נמצא את השיעורים של הנקודה Nלפי הנוסחאות הבאות: )(10 x A + xB 2 = , xN )(11 y A + yB 2 = yN לפי הנתון )(12 ), A(−2,3 )(13 )B(6,5 נציב בנוסחאות ) (10ו (11)-לפי שורות ) (12ו ,(13)-ונקבל: −2 + 6 =2 2 = xN 3+5 =4 2 = yN קיבלנו כי ). N (2, 4 )(14 ברשותנו השיעורים של אחת הנקודות הנמצאות על הישר . ℓ′ננסה למצוא את השיפוע ' mשל הישר ,בהסתמך על כך ש- )(15 ℓ′ ⊥ ℓ AB © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 149 מטענה ) (15נובע כי 1 mAB )(16 m′ = − אם נצליח לחשב את השיפוע m ABשל הישר , ABנוכל לחשב בעזרת שוויון זה את השיפוע ' mשל הישר . ℓ′ מה אפשר לומר על הישר ? AB הישר עובר דרך הנקודות ) A(−2,3ו . B(6,5) -נוכל לחשב את השיפוע של הישר AB לפי הנוסחה yB − y A xB − x A = mAB נציב בנוסחה זו את השיעורים של הנקודות Aו , B -ונקבל: )(17 5−3 1 = 6+2 4 = . mAB נציב בשוויון ) (16לפי שורה ) ,(17ונקבל: )(18 m′ = − 4 נמצא את המשוואה של הישר ℓ′לפי הנוסחה ) y − yN = m′( x − xN כאשר נציב בנוסחה זו לפי שורות ) (14ו ,(18)-נקבל את המשוואה הבאה של הישר : ℓ′ )y − 4 = −4 ⋅ ( x − 2 מכאן ℓ′ : y = −4 x + 12 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .14צועדים במעגל 150 כעת ברשותנו משוואות של שני ישרים העוברים דרך מרכז המעגל שאת משוואתו התבקשנו למצוא בתחילת הפרק .אם נפתור את המערכת הבאה המורכבת ממשוואות אלו y = 4x + 4 y = −4 x + 12 נקבל כי פתרונה הוא ) . (1,8לכן מרכז המעגל המדובר הוא )(19 ). M (1,8 כעת נחשב את רדיוס המעגל .נשאל את עצמנו :מה זה רדיוס של מעגל? רדיוס של מעגל הוא אורך הקטע המחבר את מרכז המעגל עם נקודה שרירותית על מעגל זה. 1 מכאן הרדיוס Rשל המעגל המדובר הוא אורך הקטע המחבר את הנקודות Mו: A - R = AM )(20 את אורך הקטע AMנוכל לחשב בעזרת הנוסחה הבאה: AM = ( xA − xM ) 2 + ( y A − yM ) 2 נציב בנוסחה זו את השיעורים של הנקודות Aו , M -ונקבל: )(21 34 יח' = AM = (−2 − 1) 2 + (3 − 8) 2 משורות ) (20ו (21)-נובע כי )(22 34 יח' = R כאשר נציב בנוסחה ) (4לפי שורות ) (19ו (22)-נקבל כי משוואת המעגל המדובר היא ( x − 1) 2 + ( y − 8) 2 = 34 1גם הקטע המחבר את מרכז המעגל עם נקודה שרירותית על מעגל זה נקרא רדיוס המעגל .לפעמים יש כמה תשובות שונות לאותה שאלה .צריך לדעת לבחור בתשובה המתאימה. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 151 הערה .בפתרון השני לבעיה הנתונה יכולנו לקבל את שוויון ) (22אחרת :לאחר שקיבלנו את השיעורים של נקודה Mיכולנו להציב אותם בנוסחה ) (4ולקבל את הנוסחה הבאה למשוואת המעגל הנדרשת: )(23 ( x − 1) 2 + ( y − 8) 2 = R 2 המעגל המדובר עובר דרך הנקודה ) . A(−2,3לכן השיעורים של נקודה זו מקיימים את המשוואה האחרונה .כלומר מתקיים: (−2 − 1) 2 + (3 − 8) 2 = R 2 מכאן . R 2 = 34 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .15לגעת במעגל 152 .15לגעת במעגל גם היום ,אף על פי שהוא כבר סב ,אפשר להבחין שבצעירותו איש זה היה בחור נאה שמשך את תשומת לבן של בחורות רבות .זמן מה לאחר שפגש את אשתו לעתיד ,קבעו השניים לנסוע לחוף אגם לשחות ולהשתזף. לאחר שקבעו את הפגישה ,חזר האיש הצעיר לביתו והביט בעצמו במראה .הוא לא היה מרוצה ממה שראה .בחירת לבו היתה יפהפיה מהממת מאותו סוג של נשים צעירות שאי אפשר לחשוד בהן שהן אנורקטיות ,והיא התהדרה בפרופורציות עוצרות נשימה .הוא פחד שבבגד ים ייראה לידה כמו דחליל. האיש הצעיר החליט שעליו לנפח שרירים בדחיפות ,ועליו להספיק לעשות זאת עד המפגש הקרוב עם בחירת לבו .אף על פי שגופו כאב ,מפני שעבר זמן רב מאז עשה פעילות ספורטיבית ,הוא התמיד והרים משקולות כבדות במשך שעות ארוכות בכל יום שנותר עד הפגישה .ומה הייתה התוצאה? שום שינוי מהותי מלבד כאבי הגב אשר קיבל ,ואשר מזכירים לו גם היום את אותם ימים .הוא למד לקח :לא מפתחים שרירים בתוך כמה ימים .גם יכולת גבוהה של חשיבה מתמטית לא מפתחים במשך שבוע- שבועיים; ומתמטיקה היא כמו אישה קנאית ,היא דורשת תשומת לב יום-יומית ,וכשמבקשים את ברכתה ,מענישה המתמטיקה את כל אלו שזלזלו בה. בעיה .נתון משולש שווה שוקיים .( AB = AC ) ABCאחד מקודקודי המשולש הוא הנקודה ) . A(7,14משוואת המעגל החסום במשולש ABCהיא . ( x − 2)2 + ( y − 4) 2 = 25מצאו את משוואת הישר . BC דרך החשיבה ופתרון. מה צריך למצוא? צריך למצוא את משוואת הישר . BC כיצד מוצאים את המשוואה של ישר מסוים? © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 153 בעיות מסוג זה פותרים לעתים קרובות בדרך הבאה :מוצאים את השיפוע mשל הישר ואת השיעורים x1ו y1 -של אחת מהנקודות הנמצאות עליו; לאחר מכן מציבים את המספרים שנמצאו בנוסחה הבאה למשוואה של ישר עם שיפועו mואשר עובר דרך הנקודה ) : ( x1 , y1 ) y − y1 = m( x − x1 מה נתון? נתון כי . AB = AC )(1 גם נתון כי )A(7,14 ונתונה משוואת המעגל החסום במשולש . ABCהמשוואה היא: . ( x − 2)2 + ( y − 4) 2 = 25 על סמך משוואה זו מסיקים כי מרכז המעגל החסום במשולש ABCנמצא בנקודה )M (2, 4 ורדיוס Rשל מעגל זה הוא 5יח': 5יח' = R את שיעוריה של איזו נקודה על הישר BCנוכל לנסות למצוא? במטרה לנסות לענות על שאלה זו נשאל את עצמנו :מה אפשר לומר על הישר ? BC ראשית, הקטע BCהנמצא על ישר זה הוא בסיס במש"ש . ABC שנית, הישר BCמשיק למעגל הנתון. באיזו נקודה הישר BCמשיק למעגל הנתון? © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .15לגעת במעגל 154 במטרה לענות על שאלה זו נשאל את עצמנו :באיזה משפט גיאומטרי מוזכרת נקודת ההשקה בין ישר למעגל? היא מוזכרת במשפט שלפיו :הזווית בין משיק למעגל לרדיוס הנפגשים בנקודת ההשקה היא בת ) 90°קיים גם משפט הפוך :ישר המאונך לרדיוס ועובר דרך קצהו שעל המעגל ,הוא משיק למעגל( .לכן אם נסמן ב N -את נקודת ההשקה בין ישר BCלמעגל הנתון ,נוכל לומר כי MN ⊥ BC )(2 ניעזר במשפט שלפיו :מרכז המעגל החסום במשולש הוא נקודת המפגש של חוצי הזוויות של המשולש .לכן הקרן AMהיא חצה הזווית . BAC )(3 הזווית BACהיא זווית הראש במש"ש ) ABCראו טענה ) .((1מכאן ומטענה ) (3נובע כי . AM ⊥ BC )(4 )לפי המשפט :במשולש שווה שוקיים ,חוצה זווית הראש מתלכד עם הגובה לבסיס(. מנקודה הנמצאת מחוץ לישר אפשר להוריד אנך אחד ויחיד לישר זה .לכן מטענות ) (2ו(4)- נובע כי הישר AMמתלכד עם הישר . MN מכאן נובע כי )(5 הישר AMחותך את הישר BCבנקודה . N לפי הסימון שנעשה לעיל )(6 הנקודה Nהיא נקודת ההשקה בין הישר BCלמעגל הנתון. מטענות ) (5ו (6)-נובע כי הנקודה Nהיא נקודת החיתוך בין הישר AMלמעגל הנתון. לכן הזוג הסדור של שיעורי הנקודה Nהוא פתרון של המערכת המורכבת ממשוואת הישר AMוממשוואת המעגל החסום במשולש . ABC © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 155 y A )M (2, 4 x 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 B -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 -2 N -3 -4 C מצאו בעצמכם בתור תרגיל את משוואת הישר . AMעליכם לקבל כי ℓ AM : y = 2 x )(7 לאחר מכן פתרו את המערכת ( x − 2) 2 + ( y − 4) 2 = 25 y = 2x )(8 למערכת זו שני פתרונות .אחד הפתרונות הוא ) . (2 − 5, 4 − 2 5הפתרון השני הוא ) . (2 + 5, 4 + 2 5איזה מפתרונות אלו הוא הזוג הסדור של שיעורי הנקודה ? N המעגל Mחותך את הישר AMבשתי נקודות :בנקודת ההשקה בין הישר BCלבין המעגל ) Mהיא מסומנת ב ,( N -ובנקודה הנמצאת בתוך משולש . ABCהנקודה האחרונה נמצאת בתוך הקטע , ANכלומר היא נמצאת על הקטע , ANאך לא מתלכדת עם אף אחד מקצותיו. הנקודות ) (2 − 5, 4 − 2 5) , A(7,14ו (2 + 5, 4 + 2 5) -נמצאות על הישר . AM מכאן ומהאי-שוויונים 2− 5 < 2+ 5 < 7 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .15לגעת במעגל 156 נובע כי הנקודה ) (2 + 5, 4 + 2 5נמצאת בתוך הקטע המחבר את הנקודה )A(7,14 עם הנקודה ). (2 − 5, 4 − 2 5 מהנאמר לעיל נובע כי )(9 )N (2 − 5, 4 − 2 5 על סמך טענות ) (4ו (7)-מקבלים כי )(10 1 1 =− 2 mAB mBC = − בהסתמך על שורות ) (9ו (10)-מקבלים את המשוואה הבאה של הישר : BC 1 )y − 4 + 2 5 = − ( x − 2 + 5 2 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה y = −0.5 x + 5 − 2.5 5 המשוואה האחרונה היא משוואה מפורשת של הישר . BC © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 157 .16הם יצאו מאותו מקום בתחילת החופש הגדול שאלה אשתי את אחיינה" :איך התעודה שלך ,איתי?" "התעודה שלי מעולה ,המועצה הפדגוגית החליטה שאני עולה לכיתה ד'". "ולאיזו כיתה היית צריך לעלות ,לכיתה ג'?" "לא ,למדתי השנה בכיתה ג' והמועצה הפדגוגית החליטה שאני עולה לכיתה ד' .לכן תעודה שלי מעולה". בפרק הקודם מצאנו את משוואת הבסיס BCבמשולש שווה השוקיים ABC ) .( AB = ACברשותנו היו שיעורי נקודה Aומשוואת המעגל החסום במשולש זה .בפרק הנוכחי נמצא את המשוואות של השוקיים ABו BC -באותו משולש . ABCלמעשה אנו לא זקוקים לכל הנתונים שקיבלנו בבעיה הקודמת .נפתור את הבעיה הבאה: בעיה .נתון מעגל . ( x − 2)2 + ( y − 4) 2 = 25מצאו את משוואות המשיקים למעגל זה העוברים דרך נקודה ). A(7,14 נפתור את הבעיה בשלוש דרכים שונות. דרך החשיבה ופתרון א'. מה צריך למצוא? צריך למצוא את משוואות המשיקים למעגל ( x − 2)2 + ( y − 4) 2 = 25 )(1 העוברים דרך הנקודה ). A(7,14 עלינו למצוא משוואות של ישרים מסוימים .לכן נשאל את עצמנו :כיצד מוצאים את המשוואה של ישר מסוים? © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .16הם יצאו מאותו מקום 158 במקרים רבים כדי למצוא משוואת ישר מוצאים קודם כל את השיעורים של שתי נקודות הנמצאות על הישר. ומה עושים לאחר שמקבלים כי הישר עובר דרך נקודות ) ( x1 , y1ו? ( x2 , y2 ) - אם , x1 = x2מסיקים כי משוואת הישר היא . x = x1 אם , y1 = y2מסיקים כי משוואת הישר היא . y = y1 אם x1 ≠ x2וגם , y ≠ y1נעזרים בנוסחה הבאה למשוואת ישר העובר דרך שתי נקודות: )(2 x − x1 y − y1 = x2 − x1 y2 − y1 או מוצאים את שיפוע הישר לפי הנוסחה )(3 y2 − y1 x2 − x1 =m ונעזרים בנוסחה הבאה למשוואת ישר ששיפועו mהעובר דרך נקודה ) : ( x1 , y1 )(4 ) y − y1 = m( x − x1 אם במצב של y1 = y2היה לכם קושי להבחין בכך שמשוואת הישר היא y = y1יש באפשרותכם להיעזר בנוסחה ) (3ולקבל כי , m = 0ולאחר מכן להיעזר בנוסחה ).(4 נציין כי המשוואה הבאה שקולה למשוואה ):(4 ) y − y2 = m( x − x2 לפי הנתון הישרים שעלינו למצוא את משוואותיהם עוברים דרך הנקודה ) . A(7,14אם נצליח למצוא עבור כל אחד מישרים אלו את השיעורים של עוד נקודה אחת הנמצאת עליו, נוכל למצוא את המשוואות המבוקשות בדרכים המתוארות לעיל. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 159 איזו נקודה מיוחדת ,כלומר נקודה שיש משהו מייחד אותה מנקודות אחרות ,קיימת על משיק למעגל? זוהי נקודת ההשקה. באיזה משפט גיאומטרי נזכרים משיק למעגל ונקודת השקה? קיים משפט שלפיו :הזווית בין משיק למעגל לרדיוס הנפגשים בנקודת ההשקה היא בת . 90°ישנו גם משפט הפוך ,ולפיו :ישר המאונך לרדיוס ועובר דרך קצהו שעל המעגל ,הוא משיק למעגל .על סמך שני משפטים אלה מסיקים כי: אם ישר ℓעובר דרך נקודה Aאשר נמצאת מחוץ למעגל ,הוא משיק למעגל הנתון אך ורק אם ישר זה גם עובר דרך נקודה , Bהמקיימת את שני התנאים )(5 הבאים :א( נקודה Bנמצאת על המעגל הנתון; ב( מנקודה Bרואים את הקטע המחבר את נקודה Aעם מרכז המעגל הנתון בזווית ישרה. נקודה Bמקיימת את שני התנאים הנזכרים בטענה ) (5אך ורק אם היא נקודה משותפת למעגל הנתון ולמקום הגיאומטרי של כל הנקודות שמהן רואים בזווית ישרה את הקטע המחבר את נקודה Aעם מרכז המעגל הנתון. מה הם השיעורים של מרכז המעגל הנתון? מרכזו של מעגל זה נמצא בנקודה ) . (2, 4נסמן את נקודה זו ב. M - כעת נשאל את עצמנו :מהו המקום הגיאומטרי של כל הנקודות שמהן רואים את הקטע AMבזווית ישרה? כפי שהראינו בפרק ,12מקום גיאומטרי זה הוא המעגל )להוציא נקודות Aו ( M -שהקטע ABהוא קוטרו .מרכז המעגל האחרון הוא אמצע הקטע . AMרדיוס של מעגל זה שווה למרחק בין אמצע הקטע AMלבין נקודה . Mמצאו בעצמכם בתור תרגיל את משוואת המעגל האחרון .עליכם לקבל את המשוואה הבאה: ( x − 4.5) 2 + ( y − 9)2 = 31.25 כעת עלינו לפתור את מערכת המשוואות הבאה: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .16הם יצאו מאותו מקום 160 ( x − 2) 2 + ( y − 4) 2 = 25 2 2 ( x − 4.5) + ( y − 9) = 31.25 מערכת משוואות זו שקולה למערכת המשוואות הבאה: )(6 ( x − 2)2 + ( y − 4)2 = 25 2 2 2 2 ( x − 4.5) + ( y − 9) − ( x − 2) − ( y − 4) = 31.25 − 25 המשוואה השנייה במערכת המשוואות האחרונה שקולה למשוואה הבאה: x = −2 y + 15 לכן מערכת ) (6שקולה למערכת הבאה: ( x − 2) 2 + ( y − 4) 2 = 25 x = −2 y + 15 )(7 נציב במשוואה הראשונה של מערכת זו לפי המשוואה השנייה ,ונקבל את המשוואה הבאה: (13 − 2 y ) 2 + ( y − 4)2 = 25 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: y 2 − 12 y + 32 = 0 פתרונות משוואה זו הם: )(8 y1 = 4 , y2 = 8 נציב במשוואה השנייה של מערכת ) (7לפי שורה ) ,(8ונקבל: x1 = 7 , x2 = −1 קיבלנו כי המעגל הנתון והמקום הגיאומטרי של כל הנקודות שמהן רואים את הקטע AMבזווית ישרה נחתכים בנקודות ) B1 (7, 4ו. B2 ( −1,8) - © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 161 y )A(7,14 (x−4.5)2 +(y −9)2 =31.25 B1 x )M (2, 4 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 B2 ( x − 2) + ( y − 4) = 25 2 2 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 -2 -3 -4 המשיקים למעגל הנתון העוברים דרך נקודה Aהם הישרים AB1ו. AB2 - שיעורי ה x -של הנקודות Aו B1 -שווים לאותו מספר :ל . 7 -לכן משוואת הישר AB1 היא: .x =7 שיעורי ה x -של הנקודות Aו B2 -שונים זה מזה .לכן שיפוע הישר AB2מוגדר .נציב בנוסחה ) (3את השיעורים של הנקודות Aו B2 -לפי השוויונים: )(9 x1 = 7, y1 = 14, x2 = −1, y2 = 8 נקבל: 8 − 14 3 = −1 − 7 4 =m © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .16הם יצאו מאותו מקום 162 3 נציב בנוסחה ) (4את 4 = mואת שיעורי נקודה . Aנקבל את המשוואה הבאה של הישר : AB2 3 )( x − 7 4 = y − 14 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: 3 3 x +8 4 4 )(10 =y עכשיו נקבל את משוואת הישר AB2בדרך אחרת :ניעזר בנוסחה ) .(2נציב בנוסחה זו לפי שורה ) ,(9ונקבל: x−7 y − 14 = −1 − 7 8 − 14 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: x − 7 y − 14 = −8 −6 משוואה זו שקולה למשוואה ).(10 3 3 תשובהx + 8 , x = 7 : 4 4 =.y דרך החשיבה ופתרון ב'. מה צריך למצוא? צריך למצוא את משוואות המשיקים למעגל )(11 ( x − 2)2 + ( y − 4) 2 = 25 העוברים דרך הנקודה ). A(7,14 ניעזר בנוסחה הבאה למשוואת הישר ששיפועו mהעובר דרך הנקודה ) : ( x1 , y1 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 163 ) y − y1 = m( x − x1 בהסתמך על נוסחה זו מסיקים כי כל ישר אשר עובר דרך הנקודה ) A(7,14ולא מאונך לציר ה x -מיוצג על ידי משוואה מן הצורה: )y − 14 = m( x − 7 משוואה זו שקולה למשוואה הבאה: y = mx − 7m + 14 )(12 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: −mx + y + 7m − 14 = 0 )(13 נסמן ב ℓ m -את הישר המיוצג על ידי משוואה ).(13 נציין כי משפחת הישרים המיוצגים על ידי משוואה מן הצורה ) (13היא משפחה של כל הישרים העוברים דרך ) A(7,14ואינם מאונכים לציר ה. x - נציין גם כי משפחת ישרים זו לא כוללת את הישר , x = 7אשר גם עובר דרך הנקודה ) A(7,14כיוון שהישר האחרון מאונך לציר ה x -ושיפועו לא מוגדר. עד כה נעזרנו רק בכך שהישרים שאת משוואותיהם עלינו למצוא עוברים דרך הנקודה ) . A(7,14במה מהנתון טרם נעזרנו? לא נעזרנו בכך שהישרים המדוברים הם משיקים למעגל . ( x − 2)2 + ( y − 4) 2 = 25 איזה משפט גיאומטרי יכול לעזור לנו לפתור את הבעיה? אילו משפטים גיאומטריים אודות משיקים קיים? המטרה של השאלה האחרונה היא לאלץ את פותר הבעיה להיזכר במשפט שלפיו: הזווית בין משיק למעגל לרדיוס הנפגשים בנקודת ההשקה היא בת . 90° לאורך האנך המורד לישר מהנקודה הנמצאת מחוץ לישר קוראים מרחק בין ישר הנקודה לבין הישר .לכן על סמך המשפט אשר הזכרנו ניתן להסיק כי )(14 מרחק בין מרכז המעגל למשיק למעגל שווה לרדיוס המעגל. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .16הם יצאו מאותו מקום 164 האם מתקיימת גם הטענה ההפוכה לזו? האם כל ישר אשר נמצא במרחק שווה לרדיוס המעגל ממרכז המעגל ,משיק למעגל? כן, ) (15כל ישר אשר נמצא במרחק שווה לרדיוס המעגל ממרכז המעגל ,משיק למעגל. באמת ,אם ישר ℓנמצא במרחק Rממרכז המעגל Mשרדיוסו , Rאז אורך האנך המורד מנקודה Mלישר ℓשווה ל ; R -לפי כך הקצה של האנך הנ"ל אשר נמצא על הישר , ℓנמצא גם על המעגל המדובר )הרי המעגל שמרכזו Mרדיוסו Rהוא אוסף של כל הנקודות במישור הנמצאות במרחק Rמהנקודה ;( Mמכאן נובע כי טענה ) (15מתקיימת )לפי המשפט הבא :ישר המאונך לרדיוס ועובר דרך קצהו שעל המעגל ,הוא משיק למעגל(. כדי שנוכל להיעזר בטענות ) (14ו (15)-לפתרון הבעיה עלינו למצוא את מרכז המעגל הנתון בבעיה ואת רדיוסו. על סמך משוואה ) (1מסיקים כי מרכז המעגל הנתון נמצא בנקודה ) M (2, 4ורדיוסו שווה ל 5 -יח': 5יח' = R במשפחת הישרים המיוצגת על ידי משוואה ) (13ננסה להבחין במשוואה של הישר הנמצא במרחק 5יח' מנקודה ). M (2, 4 על סמך טענות ) (14ו (15)-מגיעים למסקנה כי )(16 ישר משיק למעגל הנתון בבעיה אך ורק אם הוא נמצא במרחק 5יח' מנקודה ). M (2, 4 נשאל את עצמנו :מהי הנוסחה למציאת מרחק בין נקודה לישר? את המרחק dבין נקודה ) ( x0 , y0לישר ,המיוצג על ידי המשוואה הכללית , ax + by + c = 0אפשר לחשב לפי הנוסחה הבאה: )(17 | | ax0 + by0 + c a 2 + b2 =d © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 165 על סמך נוסחה זו מסיקים כי עבור המרחק ) d ( M , ℓ mבין נקודה ) M (2, 4לבין הישר ℓ mהמיוצג על ידי משוואה ) (13מתקיים: |5| m−2 )(18 m2 + 1 = | | −2m + 4 + 7m − 14 m +1 2 2 = ) d (M , ℓ m על סמך טענה ) (16ושורה ) (18מסיקים כי הישר ℓ mמשיק למעגל הנתון בבעיה אך ורק אם מתקיים: =5 |5| m−2 m2 + 1 נתייחס לשוויון זה כאל משוואה עם הנעלם mונפתור משוואה זו: 3 4 = = 5 ⇔ | m − 2 |= m 2 + 1 ( ) 2 ⇔ m 2 − 4m + 4 = m 2 + 1 ⇔ m 3 נציב את 4 |5|m−2 m2 + 1 = mבמשוואה ) ,(12ונקבל את המשוואה הבאה של הישר המשיק למעגל הנתון ועובר דרך הנקודה ): A(7,14 3 3 x +8 4 4 =y דרך נקודה הנמצאת מחוץ למעגל אפשר להעביר שני משיקים למעגל ,אך קיבלנו רק משוואה אחת -של אחד משני הישרים העוברים דרך הנקודה ) A(7,14ומשיקים למעגל הנתון. מדוע לא קיבלנו את המשוואה של המשיק השני? כי לא התבוננו בכל הישרים העוברים דרך נקודה ; Aחיפשנו את משוואות המשיקים אך ורק בין משוואות מן הצורה ) ;(13משפחת הישרים המיוצגת על ידי משוואה ) (13כוללת את כל הישרים שאינם מאונכים לציר ה x -אשר עוברים דרך נקודה ; Aמשפחת ישרים זו אינה כוללת את הישר העובר דרך נקודה Aומאונך לציר ה . x -נראה כי הישר האחרון משיק למעגל הנתון. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .16הם יצאו מאותו מקום 166 מהי המשוואה של הישר העובר דרך נקודה ) A(7,14ומאונך לציר ה? x - המשוואה של ישר זה היא .x =7 מהו המרחק בין הישר האחרון לבין הנקודה )? M (2, 4 כדי לענות על שאלה זו נשאל את עצמנו :כיצד מחשבים מרחק dבין נקודה ) ( x1 , y1 לישר ? x = x0 הדרך הפשוטה ביותר לחישוב מרחק זה היא להיעזר בנוסחה | d =| x1 − x0 לפי נוסחה זו המרחק בין הנקודה ) M (2, 4לישר x = 7הוא 5יח' =| d =| 2 − 7 קיבלנו כי המרחק בין הנקודה ) M (2, 4לישר x = 7שווה לרדיוס המעגל הנתון. לכן הישר x = 7משיק למעגל זה. 3 3 תשובהx + 8 , x = 7 : 4 4 =.y דרך החשיבה ופתרון ג'. כמו בפתרון הבעיה בשיטה הקודמת ,נקבל כי משוואת הישר ששיפועו mהעובר דרך הנקודה ) A(7,14היא y = mx − 7m + 14 )(19 לאחר מכן נשאל את עצמנו :מהו משיק למעגל? משיק למעגל הוא ישר שיש לו נקודה אחת משותפת עם המעגל. מכאן ישר ) (19משיק למעגל )(20 ( x − 2)2 + ( y − 4) 2 = 25 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 167 אך ורק אם למערכת ( x − 2) 2 + ( y − 4) 2 = 25 y = mx − 7 m + 14 )(21 יש פתרון יחיד )שני פתרונות שווים(. נציב במשוואה הראשונה של מערכת זו לפי המשוואה השנייה ,ונקבל את המשוואה הבאה: ( x − 2)2 + (mx − 7 m + 10)2 = 25 משוואה זו שקולה למשוואה הבאה: )(22 (m 2 + 1) x 2 − (14m 2 − 20m + 4) x + 49m 2 − 140m + 79 = 0 זו משוואה ריבועית .למשוואה ריבועית יכולים להיות שני פתרונות שונים ,שני פתרונות שווים זה לזה )במקרה זה אומרים לעתים קרובות שלמשוואה ריבועית יש פתרון יחיד( או שאין אף פתרון. אם למשוואה ) (22יש פתרון יחיד ,אז גם למערכת ) (21יש פתרון יחיד; אם למשוואה )(22 יש שני פתרונות שונים ,אז גם למערכת ) (21יש שני פתרונות שונים; אם למשוואה ) (22אין אף פתרון ,אז גם למערכת ) (21אין אף פתרון. למשוואה ) (22יש פתרון יחיד )שני פתרונות שווים זה לזה( אך ורק אם הדיסקרימיננטה שלה )∆ = (14m 2 − 20m + 4) 2 − 4(m 2 + 1)(49m 2 − 140m + 79 שווה ל. 0 - לאחר פתיחת סוגריים וכינוס איברים דומים נקבל כי ∆ = 400m − 300 נפתור את המשוואה: 400m − 300 = 0 נקבל: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .16הם יצאו מאותו מקום 168 3 4 3 נציב את 4 =m = mבמשוואה ) (12ונקבל את המשוואה הבאה של הישר המשיק למעגל הנתון ועובר דרך הנקודה ): A(7,14 3 3 x +8 4 4 =y עדיף להראות שהישר x = 7משיק למעגל הנתון בשיטה הקודמת .אפשר גם להראות כי למערכת ( x − 2) 2 + ( y − 4) 2 = 25 x = 7 יש פתרון יחיד .עשו זאת בעצמכם בתור תרגיל. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 169 .17אחדות היא כוח שלושה חכמים עיוורים החליטו לחקור ולברר מה זה פיל .החכם הראשון נגע ברגלו של הפיל ואמר כי הפיל דומה לעמוד; החכם השני נגע בצדו של הפיל ואמר כי הפיל דומה לקיר ,החכם השלישי נגע בזנבו של הפיל ואמר כי הפיל הוא נחש. )משל הודי( תלמידים אשר תוך כדי פתרון בעיה בגיאומטריה אנליטית מצליחים להרכיב מספר משוואות עם אותו מספר נעלמים ,אך לא מתבוננים במערכת המורכבת ממשוואות אלו – מזכירים לי את החכמים העיוורים מהמשל ההודי העתיק. בעיה .נתון מעגל . ( x − 22) 2 + ( y − 50)2 = 1480 א( הוכיחו כי נקודה ) E (10,15נמצאת בתוך המעגל הנתון. ב( מיתר ABעובר דרך נקודה . Eהקטע BEגדול פי 3מהקטע . AEמצאו את שיעורי הקצוות של המיתר ABואת אורכו. דרך החשיבה ופתרון סעיף א'. מה צריך להוכיח? צריך להוכיח כי נקודה ) E (10,15נמצאת בתוך המעגל . ( x − 22) 2 + ( y − 50)2 = 1480 כיצד אפשר לקבוע אם נקודה נמצאת בתוך מעגל ,על מעגל או מחוץ למעגל? נקודה במישור נמצאת על מעגל שמרכזו בנקודה Mורדיוסו Rאך ורק אם המרחק שלה מנקודה Mשווה ל ; R -נקודה במישור נמצאת בתוך מעגל שמרכזו בנקודה M ורדיוסו Rאך ורק אם המרחק שלה מנקודה Mקטן מ ; R -נקודה במישור נמצאת מחוץ למעגל שמרכזו בנקודה Mורדיוסו Rאך ורק אם המרחק שלה מנקודה Mגדול מ. R - © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .17אחדות היא כוח 170 כעת מובן כי עלינו להוכיח כי המרחק בין נקודה Eלבין מרכז המעגל הנתון קטן מרדיוס המעגל. מהם השיעורים של מרכז המעגל הנתון ושל רדיוסו? מרכז המעגל הנתון נמצא בנקודה ) . M (22,50רדיוס המעגל שווה ל 1480 -יח': 1480יח' = R )(1 נמצא את המרחק בין נקודות Eו M -לפי הנוסחה d ( M , E ) = ( xE − xM ) 2 + ( yE − yM ) 2 נציב בנוסחה זו את השיעורים של נקודות Eו . M -נקבל: d ( M , E ) = (10 − 22)2 + (15 − 50)2 עלינו להראות כי d (M , E) < R )(2 כלומר עלינו להראות כי (10 − 22) 2 + (15 − 50) 2 < 1480 האי-שוויון האחרון מתקיים אך ורק אם מתקיים: (10 − 22) 2 + (15 − 50) 2 < 1480 )(3 אפשר לקבל את האי-שוויון האחרון גם בדרך הבאה :יכולנו להציב במשוואת המעגל הנתון את השיעורים של נקודה Eולהחליף את הסימן = בסימן < . האגף השמאלי של האי-שוויון ) (3שווה ל . 1380 -לכן אי-שוויון זה מתקיים .מכאן נובע כי אי-שוויון ) (2מתקיים .לכן נקודה Eנמצאת בתוך המעגל הנתון. דרך החשיבה ופתרון א' לסעיף ב'. מה צריך למצוא? צריך למצוא את שיעורי הקצוות של המיתר ABבמעגל הנתון ואת אורכו של מיתר זה. מה נאמר בבעיה על מיתר ? AB © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 171 לפי הנתון המיתר ABעובר דרך נקודה ). E (10,15 )(4 כמו כן נתון כי BE = 3 AE )(5 כיצד מוצאים את אורכו של מיתר במעגל? בגיאומטריה אנליטית אפשר לעתים קרובות לפתור בעיות מסוג זה בדרך הבאה: מוצאים את שיעורי קצות המיתר ,ולאחר מכן נעזרים בנוסחה לחישוב מרחק בין שתי נקודות. ננסה לפתור את הבעיה בדרך זו .ראשית ננסה למצוא את שיעורי הנקודות Aו. B - זאת בעיה עם ארבעה נעלמים .ננסה להרכיב ארבע משוואות עם נעלמים אלו. נתבונן שוב בנתונים בבעיה .לפי הנתון )(6 הקטע ABהוא מיתר במעגל . ( x − 22) 2 + ( y − 50)2 = 1480 נשאל את עצמנו :מהו מיתר במעגל? מיתר במעגל הוא קטע ששני קצותיו נמצאים על המעגל .לכן טענה ) (6מתקיימת אך ורק אם הנקודות Aו B -נמצאות על המעגל . ( x − 22) 2 + ( y − 50)2 = 1480 נקודה Aנמצאת על המעגל הנתון אך ורק אם שיעוריה מקיימים את משוואת המעגל, כלומר אך ורק אם מתקיים: ( x A − 22) 2 + ( y A − 50)2 = 1480 גם נקודה Bנמצאת על המעגל הנתון אך ורק אם מתקיים: ( xB − 22) 2 + ( yB − 50)2 = 1480 בהסתמך על טענה ) (6הרכבנו שתי משוואות עם הנעלמים xB , y A , xAו. yB - במה מהנתון בבעיה עוד לא השתמשנו? © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .17אחדות היא כוח 172 לא השתמשנו בטענות ) (4ו .(5)-כשמתבוננים בטענות אלו כדאי להיזכר במשפט שלפיו: אם נקודה ) P( xP , yPמחלקת את הקטע , ABהמחבר את הנקודות ) A( x A , y Aו- AP k ) B ( xB , yBביחס ) k : lכלומר = PB l ( ,אז מתקיים: lx A + kxB ly + kyB , yP = A k +l k +l )(7 = xP על סמך טענות ) (4ו (5)-ועל סמך המשפט האחרון מקבלים כי 3 ⋅ x A + 1 ⋅ xB 3 ⋅ y A + 1 ⋅ yB = , yE 3 +1 3 +1 )(8 = xE נציב בשוויונים הרשומים בשורה ) (8את השיעורים של נקודה ) , E (10,15ונקבל: 3 x A + xB 4 = 10 3 y A + yB 4 = 15 כעת ברשותנו המערכת )(9 ( x A − 22) 2 + ( y A − 50)2 = 1480 2 2 ( xB − 22) + ( yB − 50) = 1480 10 = 3 x A + xB 4 3 y + yB 15 = A 4 של ארבע משוואות עם ארבעה נעלמים .נפתור אותה בשתי דרכים שונות. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 173 פתרון מערכת ) .(9דרך א'. ראשית נבודד את xBבמשוואה השלישית ואת yBבמשוואה הרביעית של המערכת. נקבל את מערכת המשוואות הבאה. )(10 ( x A − 22) 2 + ( y A − 50)2 = 1480 ( xB − 22) 2 + ( yB − 50)2 = 1480 xB = 40 − 3 xA y = 60 − 3 y A B נציב במשוואה השנייה של מערכת זו לפי המשוואות השלישית והרביעית ,ונקבל: ( x A − 22) 2 + ( y A − 50) 2 = 1480 (18 − 3x A ) 2 + (10 − 3 y A ) 2 = 1480 xB = 40 − 3x A y = 60 − 3 y B A נחסר מהמשוואה השנייה של המערכת האחרונה את המשוואה הראשונה המוכפלת ב. 9 - נקבל את מערכת המשוואות הבאה: )(11 ( x A − 22) 2 + ( y A − 50)2 = 1480 (18 − 3 xA )2 − 9( xA − 22) 2 + (10 − 3 y A ) 2 − 9( y A − 50) 2 = −11840 xB = 40 − 3 xA y = 60 − 3 y B A המשוואה השנייה במערכת האחרונה שקולה למשוואה הבאה: 288 xA + 840 y A = 14592 נבודד את y Aבמשוואה האחרונה: )(12 12 13 xA + 17 35 35 yA = − קיבלנו כי מערכת משוואות ) (9שקולה למערכת הבאה: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .17אחדות היא כוח 174 ( x A − 22) 2 + ( y A − 50)2 = 1480 y = − 12 x + 17 13 A A 35 35 x = 40 − 3 x A B y = − y 60 3 B A )(13 נציב במשוואה הראשונה של מערכת ) (13לפי המשוואה השנייה שלה )כלומר לפי משוואה ) ,((12ונקבל את המשוואה הבאה: 12 22 xA − 32 ) 2 = 1480 35 35 ( x A − 22)2 + (− לאחר פתיחת סוגריים ,העברת כל האיברים לאגף השמאלי של המשוואה וכינוס איברים דומים ,נקבל את המשוואה הבאה: 1369 2 26492 84064 xA − xA + =0 1225 1225 1225 נכפיל את המשוואה האחרונה ב , 1225 -ונקבל: 1369 xA 2 − 26492 x A + 84064 = 0 נפתור את המשוואה האחרונה: 26492 ± (26492) 2 − 4 ⋅1369 ⋅ 84064 26492 ± 15540 = = 2 ⋅1369 2 ⋅1369 ( x A )1,2 מכאן 13 , ( xA )2 = 4 37 ( x A )1 = 15 קיבלנו כי xA = 4 או 13 37 x A = 15 נציב את x A = 4במשוואות השנייה והשלישית של מערכת ) ,(13ונקבל: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 175 , y A = 16 )(14 xB = 28 נציב במשוואה הרביעית של מערכת ) (13לפי שורה ) ,(14ונקבל: yB = 12 13 באופן דומה נקבל שאם 37 , x A = 15אז 4 2 25 , xB = −6 , yB = 23 37 37 37 y A = 12 קיבלנו כי xA = 4, y A = 16, xB = 28, yB = 12 )(15 או )(16 13 4 2 25 , y A = 12 , xB = −6 , yB = 23 37 37 37 37 xA = 15 פתרון של מערכת ) .(9דרך ב'. לא מסובך להוכיח כי )(17 המיתר ABאינו מאונך לציר ה. x - כיוון שאם המיתר ABמאונך לציר ה , x -אז )(18 xA = 10וגם xB = 10 )מכיוון שהמיתר ABעובר דרך נקודה ) ,( E (10,15ושיעורי הנקודות Aו B -מקיימים את מערכת המשוואות המורכבת מהמשוואות הכלולות במערכת ) (9ומהמשוואות הרשומות בשורה ) ;(18קל לבדוק )עשו זאת בעצמכם( כי למערכת זו אין אף פתרון. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .17אחדות היא כוח 176 באופן דומה מקבלים כי המיתר ABאינו מאונך לציר ה. y - )(19 כעת נשים לב שמערכת ) (9שקולה למערכת הבאה )(20 ( x A − 22) 2 + ( y A − 50)2 = 1480 [( xB − 22) 2 − ( xA − 22) 2 ] + [( yB − 50) 2 − ( y A − 50)2 ] = 1480 − 1480 xB = 40 − 3 xA y = 60 − 3 y A B )חיסרנו מהמשוואה הראשונה של מערכת ) (9את המשוואה השנייה ,בידדנו את xB במשוואה השלישית ואת yBבמשוואה הרביעית(. המשוואה השנייה במערכת המשוואות האחרונה שקולה למשוואה הבאה: ( xB − xA )( x A + xB − 44) + ( yB − y A )( y A + yB − 100) = 0 נחלק את המשוואה האחרונה ב) ( xB − x A ) -ראו טענה ) .((17נקבל: yB − y A ⋅ ( y A + yB − 100) = 0 xB − x A )(21 yB − y A הביטוי xB − x A xA + xB − 44 + במשוואה האחרונה שווה לשיפוע mABשל הישר . ABלכן נוכל לרשום את משוואה ) (21בצורה הבאה: )(22 xA + xB − 44 + mAB ( y A + yB − 100) = 0 נציב במשוואה ) (22לפי המשוואה השלישית והמשוואה הרביעית במערכת משוואות ),(10 ונקבל: xA + 40 − 3 xA − 44 + mAB ( y A + 60 − 3 y A − 100) = 0 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: −2 x A − 4 + mAB (−2 y A − 40) = 0 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 177 משוואה זו שקולה למשוואה הבאה: x A + 2 + mAB ( y A + 20) = 0 נבודד במשוואה האחרונה את הביטוי . y A + 20נקבל: 1 )( x A + 2 mAB y A + 20 = − )מטענה ) (19נובע כי .( mAB ≠ 0 נתבונן במשוואה האחרונה וננסה להסיק מסקנות. אם נתייחס למשוואה זו כאל שוויון שאותו מקיימים שיעורי הנקודה , Aנוכל לומר שנקודה זו נמצאת על הישר 1 )( x + 2 mAB )(23 y + 20 = − ומה אפשר לומר על ישר זה? הישר ) (23עובר דרך הנקודה ). N (−2, −20 1 יתרה מזאת ,השיפוע של הישר ) (23שווה ל- mAB )(24 , −ולכן ישר ) (23מאונך לישר . AB נקודה Eנמצאת בתוך הקטע . ABלכן טענה ) (24מתקיימת אך ורק אם ∡EAN = 90° במילים אחרות ,טענה ) (24מתקיימת אך ורק אם מנקודה Aרואים את הקטע ENבזווית ישרה. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .17אחדות היא כוח 178 y M B E A B A x N מהו המקום גיאומטרי של כל הנקודות שמהן רואים את הקטע ENבזווית ישרה? מקום גיאומטרי זה הוא המעגל )להוציא הנקודות Eו ( N -שהקטע ENהוא קוטרו. מצאו בעצמכם את המשוואה של המעגל האחרון .עליכם לקבל את המשוואה הבאה: )(25 ( x − 4) 2 + ( y + 2.5) 2 = 342.25 נקודה Aנמצאת על המעגל הנתון ( x − 22) 2 + ( y − 50)2 = 1480וגם על מעגל ).(25 כלומר היא נקודת החיתוך של שני המעגלים .כדי למצוא את השיעורים של נקודה Aעלינו לפתור את מערכת המשוואות הבאה: ( x A − 22) 2 + ( y A − 50) 2 = 1480 2 2 ( x A − 4) + ( y A + 2.5) = 342.25 פתרו מערכת משוואות זו בעצמכם בתור תרגיל .עליכם לקבל כי © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית xA = 4, y A = 16 179 או 13 4 , y A = 12 37 37 xA = 15 נציב את x A = 4במשוואה השלישית ,ואת y A = 16במשוואה הרביעית של מערכת משוואות ) ,(9ונקבל: xB = 28, yB = 12 4 13 אם נציב באותן משוואות את x A = 15ואת 37 37 2 25 , yB = 23 37 37 , y A = 12נקבל: x B = −6 קיבלנו כי xA = 4, y A = 16, xB = 28, yB = 12 )(26 או 13 4 2 25 , y A = 12 , xB = −6 , yB = 23 37 37 37 37 )(27 xA = 15 סיום פתרון א' לסעיף ב'. עבור שיעורי הנקודות Aו B -הרשומים בשורה )) (15ובשורה ) ((26אורך הקטע AB הוא 592 יח' = AB = (28 − 4) 2 + (12 − 16) 2 גם עבור שיעורי הנקודות Aו B -הרשומים בשורה )) (16ובשורה ) ((27אורך הקטע AB שווה ל592 - יח': 592 תשובה לסעיף ב'592 : 2 13 25 4 יח' = − 15 ) 2 + (23 − 12 ) 2 37 37 37 37 AB = (−6 יח' )כ 24.331 -יח'(. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .17אחדות היא כוח 180 הערה .1שימו לב כי לא במקרה אורך המיתר ששיעורי קצותיו רשומים בשורה ) (26שווה לאורך המיתר שקצותיו רשומים בשורה ) .(27שני המיתרים סימטריים זה לזה ביחס לישר העובר דרך נקודה Eודרך מרכז המעגל הנתון. הערה .2גיאומטריה אנליטית מאפשרת לפתור בעיות רבות של הנדסת המישור בעזרת שימוש באלגברה .הדרך השנייה שבה פתרנו את מערכת משוואות ) (9מראה שלפעמים אפשר לפתור בעיות אלגבריות הן בעזרת גיאומטריה אנליטית והן בעזרת משפטים של הנדסת המישור. דרך החשיבה ופתרון ב' לסעיף ב'. נתבונן במשולש ) MABנזכיר כי הנקודה ) M (22,50היא מרכז המעגל הנתון( .הצלעות MAו MB -של משולש זה הן רדיוסים במעגל הנתון .מכאן ומשוויון ) (1נובע כי מתקיים: 1480יח' = MA = MB )(28 נסמן ב x -את אורך הקטע AEוב h -את אורך הגובה MHלבסיס ABבמשולש שווה שוקיים : MAB )(29 , AE = x )(30 . MH = h M משוויונים ) (5ו (29)-נובע כי מתקיים: EB = 3 x מהשוויון האחרון ומשוויון ) (29נובע כי מתקיים: h A HxEx AB = 4 x )(31 גובה לבסיס במשולש שווה שוקיים הוא גם תיכון .לכן 1 AB 2 = AH משני השוויונים האחרונים נובע כי © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה B שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 181 AH = 2 x )(32 על סמך שוויונים ) (29ו (32)-מקבלים כי מתקיים: EH = 2 x − x = x )(33 ברשותנו שיעורי הנקודות Mו . E -לכן נוכל לחשב את אורך הקטע . MEנעשה זאת: )(34 37יח' = ME = ( xM − xE ) 2 + ( yM − yE )2 = (22 − 10) 2 + (50 − 15) 2 לפי משפט פיתגורס מתקיים: )(35 MH 2 + EH 2 = ME 2 )(36 MH 2 + AH 2 = MA2 נציב בשוויון ) (35לפי שורות ) (33) ,(30ו .(34)-נקבל: h 2 + x 2 = 1369 )(37 נציב בשוויון ) (36לפי שורות ) (30) ,(28ו .(32)-נקבל: h 2 + 4 x 2 = 1480 )(38 נתבונן במערכת )(39 h 2 + x 2 = 1369 2 2 h + 4 x = 1480 המורכבת ממשוואות ) (37ו .(38)-מערכת משוואות זו שקולה למערכת הבאה: )(40 h 2 + x 2 = 1369 2 3x = 111 הפתרון החיובי של המשוואה השנייה במערכת האחרונה הוא: )(41 x = 37 נציב את ערך ה x -אשר קיבלנו במשוואה הראשונה של מערכת ) .(40נקבל את המשוואה הבאה: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .17אחדות היא כוח 182 h 2 + 37 = 1369 הפתרון החיובי של המשוואה האחרונה הוא: h = 1332 )(42 משורות ) (31ו (41)-נובע כי 4 37יח' = AB נציין כי . 4 37 = 16 ⋅ 37 = 592 הפעם הצלחנו למצוא את אורך המיתר ABלפני שמצאנו את שיעורי הנקודות Aו. B - כעת עלינו למצוא את השיעורים של שתי נקודות אלו .בהסתמך על שורות ) (30) ,(4ו(42)- מסיקים כי הנקודות Aו B -הן נקודות החיתוך של הישר אשר עובר דרך הנקודה ) E (10,15ונמצא במרחק של 1332יח' מהנקודה ) . M (22,50ישנם שני ישרים כאלו. הם משיקים למעגל שמרכזו נמצא בנקודה Mורדיוסו שווה ל 1332 -יח' .אפשר למצוא את משוואותיהם בדרכים המתוארות בפרק הקודם .נציין כי שני המשיקים למעגל האחרון סימטריים אחד לשני ביחס לישר העובר דרך הנקודות Mו . E -מצאו בעצמכם בתור תרגיל את המשוואות של שני הישרים .לאחר מכן מצאו את נקודות החיתוך של כל אחד מישרים אלו עם המעגל הנתון .כדי שעבור כל זוג של נקודות חיתוך תוכלו להסיק נכון איזו משתי הנקודות היא נקודה Aואיזו היא נקודה , Bעליכם לחשב את מרחקן מנקודה E או להיעזר בנוסחאות הרשומות בשורה ).(7 אפשר למצוא את השיעורים של נקודה Aגם בהסתמך על כך שנקודה זו היא נקודת החיתוך של המעגל הנתון עם המעגל שמרכזו נמצא בנקודה ) E (10,15ורדיוסו שווה ל- 37 יח' )ראו שורות ) (29ו .((41)-לאחר מכן אפשר למצוא את שיעורי נקודה Bבעזרת הנוסחאות הרשומות בשורה ) .(7מצאו בעצמכם את השיעורים של הנקודות Aו B -בדרך זו גם כן .ייתכן שאם תתבקשו לפתור בעיה כזו במבחן תעדיפו להרכיב את מערכת )(39 ולפתור אותה ולאחר מכן למצוא את השיעורים של הנקודות Aו B -בדרך האחרונה. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 183 .18כשהמעגל פגש את הפרבולה אחד מבניי הגיע לחופשה קצרה מהצבא .אשתי ואני התכוננו לנסוע למחרת לחיפה להביא אוכל לאחיו התיאום ,אשר היה באותה תקופה עתודאי בטכניון וגר במעונות .הזמנו את הבן לנסוע אתנו ,אך הוא היה עייף ורצה לנוח. "מה יש לראות בחיפה?" שאל. "את אחיך". "בשביל זה אני לא חייב לנסוע לחיפה ,אני יכול להסתכל במראה". בעיה .נתונים פרבולה קנונית ומעגל אשר נחתכים בנקודות C , B , Aו) O -אף שתיים מהנקודות לא מתלכדות זו עם זו(; הנקודה Oהיא ראשית הצירים; הזווית ACBהיא זווית ישרה; המרחק בין מוקד הפרבולה לבין נקודת החיתוך של הישר ABעם ציר הx - שווה ל 1.5 -יח'. א( מצאו את משוואת הפרבולה. ב( נקודה Aנמצאת במרחק של 2.5יח' ממוקד הפרבולה .מצאו את שיעורי נקודה . A דרך החשיבה ופתרון סעיף א'. מה צריך למצוא בסעיף א' של הבעיה? צריך למצוא את המשוואה של פרבולה קנונית אם ידוע כי )(1 מעגל מסוים חותך את הפרבולה בנקודות C , B , Aו, O - )(2 הנקודה Oהיא ראשית מערכת הצירים, )(3 ∡ACB = 90° )(4 1.5יח' = ) FDכאן Dהיא נקודת חיתוך של הישר ABעם ציר הx - ונקודה Fהיא מוקד הפרבולה(. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .18כשהמעגל פגש את הפרבולה 184 ראשית עלינו להיזכר כי פרבולה קנונית היא קו המיוצג על ידי המשוואה y 2 = 2 px )(5 )( p > 0 y A F x O D C B מכאן מסיקים כי עלינו למצוא את הפרמטר . p כיצד נמצא אותו? ננסה להרכיב משוואה עם הנעלם . p וכיצד אפשר להרכיב את משוואה זו? כיצד בכלל מרכיבים משוואות? אחת הדרכים להרכבת משוואות היא להביע גודל ידוע באמצעות הנעלם. הבה נשים לב לטענה ) ;(4אם נצליח להביע את אורך הקטע FDבאמצעות הפרמטר , p אז בהסתמך על טענה ) (4נקבל את המשוואה שבעזרתה נוכל למצוא את הגודל של . p מה אפשר לומר על קצות הקטע ? FD © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 185 אחד מקצות הקטע ,נקודה , Fהוא מוקד הפרבולה הנתונה ,וידוע כי המוקד של פרבולה p שמשוואתה ) (5נמצא בנקודה ) . ( , 0במילים אחרות ,ידוע כי 2 p )F ( , 0 )(6 2 ומה אפשר לומר על הקצה השני של הקטע המדובר? הקצה השני של הקטע ,נקודה , Dהוא נקודת החיתוך של הישר ABעם ציר ה . x -לכן מתקיים: yD = 0 )(7 בהסתמך על שורות ) (6ו (7)-מסיקים שאם נצליח להביע באמצעות pאת השיעור הראשון של נקודה , Dנוכל להביע באמצעות פרמטר זה גם את אורך הקטע . FD נשים לב שמתוך הטענה שבה נאמר כי נקודה Dהיא נקודת החיתוך של הישר ABעם ציר ה x -נעזרנו עד כה רק בכך שהנקודה נמצאת על ציר ה . x -לא נעזרנו בכך שגם נאמר שנקודה Dנמצאת על הישר . ABהבה ננסה להיעזר בכל מה שנאמר בטענה זו. ראשית ננסה להסיק כמה מסקנות לגבי הישר . ABעבור השיפוע mABשל ישר זה מתקיים: yB − y A xB − x A = mAB נציב לפי השוויון האחרון בנוסחה הבאה למשוואת הישר : AB ) y − y A = mAB ( x − x A נקבל את הנוסחה הבאה למשוואה זו: )(8 yB − y A ) ⋅ ( x − xA xB − x A = y − yA השיעורים של נקודה Dמקיימים את המשוואה של הישר . ABלכן מתקיים: )(9 yB − y A ) ⋅ ( xD − x A xB − x A = yD − y A )הצבנו את השיעורים xDו yD -של נקודה Dבמשוואה ).((8 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .18כשהמעגל פגש את הפרבולה 186 נציב בשוויון ) (9לפי שוויון ) ,(7ונקבל: yB − y A ) ⋅ ( xD − x A xB − x A = 0 − yA לאחר שבשוויון האחרון נבודד את xDנקבל: y B x A − y A xB yB − y A )(10 = xD קיבלנו את השוויון האחרון בלי להיעזר בטענות ) (2) ,(1ו .(3)-ננסה להסיק מסקנות גם מטענות אלו. מטענה ) (1נובע כי הנקודות Aו B -נמצאות על הפרבולה הנתונה .לכן שיעוריהן מקיימים את משוואתה ) ,(5כלומר מתקיים: y A 2 = 2 px A )(11 וגם yB 2 = 2 pxB )(12 שוויון ) (11שקול לשוויון הבא: y A2 2p )(13 = xA שוויון ) (12שקול לשוויון הבא: yB 2 2p = xB נציב בשוויון ) (10לפי שני השוויונים האחרונים ,ונקבל: y A2 yB 2 ⋅ yB − yA 2p 2p = xD yB − y A שוויון זה שקול לשוויון הבא: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 187 y A yB ) ⋅ ( y A − yB 2p = xD ) ( yB − y A השוויון האחרון שקול לשוויון הבא: y A yB 2p )(14 xD = − עלינו לנסות להביע את הביטוי y A yBבאמצעות . p במה מהנתון בבעיה עוד לא השתמשנו? עוד לא השתמשנו בכך ש- )(15 הנקודות C , B , Aו O -נמצאות על המעגל הנתון. כמו כן לא השתמשנו בטענות ) (2ו .(3)-ננסה להיעזר בטענות אלו. על סמך טענה ) (15מסיקים כי )(16 הזווית ACBהיא זווית היקפית במעגל הנתון. וגם )(17 הזווית AOBהיא זווית היקפית במעגל הנתון. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .18כשהמעגל פגש את הפרבולה 188 y A F O D x C B מטענות ) (3ו (16)-נובע כי )(18 הקטע ABהוא קוטר במעגל הנתון. )לפי המשפט הבא :הזווית ההיקפית הישרה נשענת על קוטר(. מטענות ) (17ו (18)-נובע כי ∡AOB = 90° )לפי המשפט הבא :הזווית ההיקפית הנשענת על קוטר היא זווית ישרה(. על סמך השוויון האחרון מסיקים כי מתקיים: )(19 . mOA ⋅ mOB = −1 הנקודה Oהיא ראשית הצירים )זאת טענה ) .((2לכן עבור השיפוע mOAשל הישר OA מתקיים: )(20 yA − 0 yA = xA − 0 xA = mOA © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 189 ועבור השיפוע mOBשל הישר OBמתקיים: yB − 0 yB = xB − 0 xB )(21 = mOB נציב בשוויון ) (19לפי מה שהתקבל בשורות ) (20ו ,(21)-ונקבל: y A yB ⋅ = −1 x A xB השוויון האחרון שקול לשוויון הבא: y A y B = − x A xB )(22 כיצד עוד אפשר לקבל שוויון המקשר בין הביטויים x A xBו? y A yB - אם נכפיל את שוויון ) (11בשוויון ) (12נקבל: ( y A y B ) 2 = 4 p 2 x A xB נציב בשוויון האחרון לפי השוויון x A xB = − y A y B השקול לשוויון ) ,(22ונקבל: ( y A y B ) 2 = −4 p 2 y A y B )(23 נסמן את הביטוי y A yBב: t - y A yB = t נציב בשוויון ) (23לפי השוויון האחרון ,ונקבל: t 2 = −4 p 2 t קיבלנו משוואה עם הנעלם . tהיא שקולה למשוואה הבאה: t (t + 4 p 2 ) = 0 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .18כשהמעגל פגש את הפרבולה 190 מכאן t = −4 p 2 t=0 או לכן y A yB = −4 p 2 )(24 y A yB = 0 או השוויון y A yB = 0 מתקיים אך ורק אם מתקיים: yB = 0או yA = 0 אם מתקיים שוויון , yA = 0 )(25 אז ממנו ומשוויון ) (11נובע כי xA = 0 אם נקודה Aמקיימת את שני השוויונים האחרונים ,אז היא מתלכדת עם נקודה . O הדבר סותר את הנתון בבעיה .לכן שוויון ) (25לא מתקיים ,כלומר מתקיים: yA ≠ 0 )(26 באופן דומה מקבלים כי גם שוויון yB = 0 לא מתקיים ,כלומר מתקיים: )(27 yB ≠ 0 קבלנו כי שוויון y A yB = 0לא מתקיים .מכאן ומשורה ) (24נובע כי מתקיים: )(28 y A yB = −4 p 2 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 191 נציב בשוויון ) (14לפי השוויון האחרון ,ונקבל: −4 p 2 = 2p 2p )(29 xD = − p הקטע FDמחבר את הנקודות ) F ( , 0ו) D(2 p, 0) -ראו שורות ) (7) ,(6ו .((29)-לכן 2 עבור אורכו מתקיים: p 3 = p 2 2 FD = 2 p − מכאן ומטענה ) (4נובע כי 3 3 =p 2 2 מכאן p =1 )(30 נציב בנוסחה ) (5על פי שוויון ) (30ונקבל כי המשוואה של הפרבולה הנתונה היא y2 = 2x )(31 הערה .נציין עכשיו כי את שוויון ) (10קיבלנו למעשה בהנחה שמתקיים: x A ≠ xBוגם y A ≠ yB )(32 הטענה שמתקיים y A ≠ yBנובעת משוויון ) .(28הרי מכפלה של מספר במספר שווה לו לא יכולה להיות שלילית. נוכיח כי x A ≠ xBבדרך השלילה .נניח כי . x A = xB מהשוויון האחרון נובע כי הישר ABמאונך לציר ה. x - )(33 כעת ניעזר בכך ש- )(34 ציר ה x -הוא ציר הסימטריה של הפרבולה הנתונה. מטענה ) (34) ,(33ומכך שהנקודות Aו B -נמצאות על הפרבולה הנתונה נובע כי )(35 הנקודות Aו B -סימטריות אחת לשנייה ביחס לציר ה. x - © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .18כשהמעגל פגש את הפרבולה 192 מכאן נקודה ) Dכלומר נקודת החיתוך של הישר ABעם ציר ה ( x -היא אמצע הקטע . AB לכן נקודה Dהיא מרכז המעגל שהקטע ABהוא קוטרו ,כלומר נקודה Dהיא מרכז המעגל הנתון )(36 )ראו טענה ).((18 כל ישר אשר עובר דרך מרכז מעגל הוא אחד מצירי הסימטריה של המעגל )זה נובע מהמשפט שלפיו :האנך למיתר במעגל העובר דרך מרכז המעגל חוצה את המיתר( .מכאן ומטענה ) (36נובע כי ציר ה x -הוא אחד מצירי הסימטריה של המעגל הנתון. )(37 נסמן ב E -נקודה סימטרית לנקודה Cביחס לציר ה . x -ניזכר כי נקודה Cהיא אחת מארבע נקודות החיתוך של המעגל והפרבולה הנתונים .נקודה Cלא נמצאת על ציר הx - מכיוון שהפרבולה הנתונה חותכת את ציר זה רק בנקודה אחת – בנקודה . Oלכן נקודה Eלא מתלכדת עם נקודה Cועם נקודה . Oנקודה Eגם לא מתלכדת עם נקודה Aמכיוון שאם נניח שהיא מתלכדת עם נקודה זו נקבל כי נקודה Bהיא נקודה סימטרית לנקודה Eביחס לציר ה) x -ראו טענה ) ,((35ולכן נקודות Bו C -מתלכדות זו עם זו. באופן דומה מגיעים למסקנה שנקודה Eלא מתלכדת עם נקודה . B קיבלנו כי )(38 נקודה Eלא מתלכדת עם אף אחת מהנקודות C , B , Aו. O - מטענות ) (37) ,(34ומכך שנקודה Cהיא אחת מנקודות החיתוך של הפרבולה והמעגל הנתונים נובע כי )(39 נקודה ) Eכלומר נקודה הסימטרית לנקודה Cביחס לציר ה ( x -היא גם נקודת החיתוך של הפרבולה והמעגל הנתונים. אכן ,מטענה ) (34ומכך שנקודה Cנמצאת על הפרבולה הנתונה נובע כי גם הנקודה הסימטרית לנקודה Cביחס לציר ה x -נמצאת על הפרבולה הנתונה ,ואילו מטענה )(37 ומכך שנקודה Cנמצאת על המעגל הנתון נובע כי גם הנקודה הסימטרית לנקודה Cביחס © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 193 לציר ה x -נמצאת על המעגל הנתון; הנקודה אשר נמצאת על הפרבולה הנתונה וגם על המעגל הנתון היא נקודת החיתוך של שני הקווים. לפי הנתון בבעיה )(40 הפרבולה והמעגל הנתונים נחתכים בנקודות C , B , Aו. O - שתי הטענות ) (38ו (39)-סותרות את טענה ) .(40מעבר לכך שנקודה Eלא נכללת באוסף נקודות החיתוך הנזכרות בטענה ) ,(40לפרבולה ולמעגל כלל לא יכולות להיות יותר מארבע נקודות חיתוך )הוכיחו זאת בעצמכם בתור תרגיל( .הגענו לידי סתירה מפני שהנחנו כי . x A = xBלכן . x A ≠ xB דרך החשיבה ופתרון סעיף ב'. מה צריך למצוא בסעיף ב' של הבעיה? צריך למצוא את השיעורים של נקודה . A מה נתון? נוסף על הנתונים הקודמים ,כעת גם נתון כי 2.5יח' = AF )(41 נוכל למצוא את שיעור ה x -של נקודה Aבעזרת השוויון הבא ,המקשר בין השיעור הראשון של הנקודה ) Q( xQ , yQהנמצאת על פרבולה קנונית y 2 = pxלבין המרחק rבין הנקודה לבין מוקד הפרבולה: )(42 p 2 r = xQ + אם מתקשים לזכור נוסחה זו ,אפשר לקבלה בקלות אם נזכרים בהגדרה הבאה של פרבולה :פרבולה היא מקום גיאומטרי של כל הנקודות במישור שמרחקן מנקודה מסוימת ,שנקראת מוקד הפרבולה ,שווה למרחקן מישר מסוים ,שנקרא מדריך הפרבולה. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .18כשהמעגל פגש את הפרבולה 194 p עבור פרבולה y 2 = 2 pxהמדריך הוא הישר 2 p שווה ל- 2 . x = −המרחק בין נקודה Qלישר זה . xQ +מכאן ומההגדרה של פרבולה נובע כי שוויון ) (42מתקיים. מכאן נובע כי: p 2 נציב בשוויון האחרון לפי שוויונים ) (30ו ,(41)-ונקבל: AF = xA + 1 2 2.5 = x A + מכאן xA = 2 )(43 שיעורי נקודה Aמקיימים את המשוואה של הפרבולה הנתונה ,כלומר מתקיים: y A2 = 2 xA )ראו שורה ).((31 נציב במשוואה האחרונה לפי שורה ) ,(43ונקבל: y A2 = 2 ⋅ 2 מכאן y A = ±2 תשובה A(2, 2) :או ). A(2, −2 תרגיל .מצאו את משוואת המעגל הנתון בבעיה אשר פתרנו בפרק זה. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 195 .19כבוד האליפסה איני יכול להתפאר בידע רב באסטרונומיה .אולי אתה ,הקורא שורות אלו ,בקי בה יותר ממני .בכל זאת ,גם אני יודע משהו על כוכבים .קראתי כמה ספרים .פעם אחת ,בשיחת חולין ,סיפרתי לאיש לא משכיל במיוחד את מה שקראתי ,והוא אמר לי" :אתה משקר!" בעיה .נתונות נקודות ) A(−4, 0ו . B (4, 0) -מצאו את השיעורים של נקודה Cהמקיימת את התנאים הבאים :א( היקף המשולש ABCשווה ל 18 -יח'; ב( שטח המשולש ABC שווה ל 12 -יח' ריבועיות. דרך החשיבה ופתרון. מה צריך למצוא? צרך למצוא את השיעורים של נקודה Cהמקיימת שני תנאים. מה הם התנאים? תנאי ראשון: )(1 עבור הנקודות ) A(−4, 0ו B (4, 0) -היקף המשולש ABCשווה ל 18 -יח' . תנאי שני: )(2 עבור הנקודות ) A(−4, 0ו B (4, 0) -שטח המשולש ABCשווה ל 12 -יח' ריבועיות. נפתור את הבעיה בשיטה של שני מקומות גיאומטריים :נמצא את המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את תנאי ) ;(1נמצא את המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את תנאי ) ;(2ולאחר מכן נמצא את השיעורים של הנקודה Cכשיעורים של נקודה משותפת לשני מקומות גיאומטריים אלו. נפעל לפי תוכנית זו לפתרון הבעיה .ראשית נמצא את המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את תנאי ).(1 אורך הצלע ABבמשולש ABCהוא 8יח' .לכן תנאי ) (1שקול לתנאי הבא: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .19כבוד האליפסה 196 )(3 סכום המרחקים בין נקודה Cלנקודות ) A(−4, 0וB (4, 0) - שווה ל 10 -יח' . הבה ניזכר כי המקום הגיאומטרי של כל הנקודות שסכום מרחקיהן משתי נקודות קבועות שווה למספר קבוע נקרא אליפסה .המקום הגיאומטרי של כל הנקודות שסכום מרחקיהן מנקודות ) F1 (c, 0ו F2 (−c, 0) -שווה ל ( 0 ≤ c < a ) 2a -הוא אליפסה שמשוואתה x2 y 2 + =1 a 2 b2 )(4 כאן bהוא מספר חיובי המקיים את השוויון הבא: b2 = a2 − c2 )(5 אליפסה זו נקראת אליפסה קנונית. y משוויון ) (5נובע כי מתקיים: r1 + r2 = 2a a≥b ) (0, b הגרף של האליפסה הקנונית מוצג r2 בציור משמאל. r1 על סמך הנאמר לעיל על אודות האליפסה הקנונית אפשר להסיק כי x )( a , 0 )F1 (c, 0 )F2 (−c, 0 המקום הגיאומטרי של כל הנקודות Cהמקיימות את תנאי ) (3הוא ) (0, − b אליפסה קנונית המקיימת את התנאים הבאים: )(6 2a = 10 )(7 c=4 משוויון ) (6נובע כי )(8 a=5 נציב בשוויון ) (5לפי שוויונים ) (7ו ,(8)-ונקבל: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה )( − a , 0 שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 197 b 2 = 52 − 4 2 = 9 )(9 מכאן b=3 נציב במשוואה ) (4לפי שורות ) (8ו ,(9)-ונקבל כי המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את תנאי ) (3הוא אליפסה שמשוואתה x2 y 2 + =1 25 9 )(10 ומהו המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את תנאי )?(2 במטרה לענות על שאלה זו נשאל את עצמנו :האם כבר פתרנו בעיה הדומה לבעיה זו? כן ,בפרק 13עבור הנקודות ) A(−1, 2ו B(3,5) -מצאנו את המקום הגיאומטרי של כל הנקודות Cהמקיימות את התנאי הבא :שטח המשולש ABCשווה ל 10 -יח"ר. קראו את פרק 13שוב ,ומצאו בעצמכם את המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את תנאי ) .(2מקום גיאומטרי זה הוא איחוד הישרים y = 3ו. y = −3 - למקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את תנאי ) ,(1כלומר לאליפסה ),(10 ולמקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את תנאי ) ,(2כלומר לאיחוד הישרים y = 3ו , y = −3 -יש שתי y נקודות משותפות: הנקודות ) (0,3ו. (0, −3) - y=3 )C (0, 3 לכן התשובה לבעיה היא: ) C (0,3או ). C (0, −3 (5, 0) x )B (4, 0 )( −5, 0) A( −4, 0 y = −3 )C (0, −3 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .20פגישה שנייה עם האליפסה 198 .20פגישה שנייה עם האליפסה איני חולק על הטענה כי בורא העולם מחלק כישרונות באופן לא שווה בין ילדים קטנים ,אך כפי שנוכחתי לדעת ,אין זו חלוקה סופית .גורלו של הכישרון מלידה ,אם לא משתמשים בו ולא מטפחים אותו ,הוא כגורלה של מכונית יקרה שקיבלת במתנה ,אך לא נסעת בה :חלודה תכרסם בה .אפשר להשוות כישרון זה לצמח אשר היה זקוק למים ,אך לא קיבלם והתייבש .מי שניחן ולו בקמצוץ של כישרון בתחום כלשהו ,אך לא נכנע ועשה כל מאמץ כדי לפתחו ,יופתע לגלות בבוא העת כי כישרונו התפתח לממדים אדירים והוא אף נושא פרי. חוק חלוקת הכישרונות המכריע הוא :בסוף כל אחד מקבל כפי שהשקיע. x2 y2 + בעיה .באליפסה שמשוואתה = 1 a 2 b2 ) ( a < bחסום משולש . ABCהצלע BC מתלכדת עם הציר הקטן של האליפסה .אורכי הצלעות של המשולש הנתון הם25 , 28 : ו 17 -יח' .נקודה Aנמצאת ברביע השני ,ומתקיים . ∡BAC > ∡ACB > ∡ACB :מצאו את משוואת האליפסה. דרך החשיבה ופתרון. מה צריך למצוא? צריך למצוא משוואה של אליפסה מסוימת. מה נתון? נתון שהאליפסה מיוצגת על ידי משוואה מן הצורה )(1 x2 y2 + =1 a 2 b2 ומתקיים: )(2 a<b © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 199 על סמך משוואה ) (1מסיקים כי אנו מתבקשים למצוא את הריבועים של חוצי הצירים a ו b -של האליפסה המדוברת ,ולהציב אותם במשוואה ).(1 מה עוד נתון? עוד נתון כי )(3 באליפסה המדוברת חסום משולש , ABC )(4 הצלע BCמתלכדת עם הציר הקטן של האליפסה, )(5 אורכי הצלעות של המשולש הנתון הם 25 , 28 :ו 17 -יח', , ∡BAC > ∡ACB > ∡ACB )(6 נקודה Aנמצאת ברביע השני. )(7 טענה ) (3שקולה לטענה הבאה: )(8 הנקודות B , Aו C -נמצאות על האליפסה המדוברת. כעת נתמקד בטענה ) ,(4ונשאל את עצמנו :מהו הציר קטן של האליפסה המיוצגת על ידי משוואה ) (1אשר מקיימת את תנאי )?(2 )(9 הציר הקטן של אליפסה זו הוא הקטע המחבר את הנקודות ) (−a, 0ו(a, 0) - )גם לאורך הקטע קוראים הציר הקטן של האליפסה(. מטענות ) (4ו (9)-נובע כי ) (10אחת מהנקודות Bו C -מתלכדת עם הנקודה ) (−a, 0והשנייה עם הנקודה ). (a, 0 מכאן )(11 BC = 2a כעת נתבונן בטענות ) (5ו .(6)-מטענות אלו ומהאי-שוויונים 28 > 25 > 17נובע )לפי משפט :במשולש מול זווית גדולה יותר נמצאת צלע גדולה יותר( כי )(12 BC = 28 )(13 AB = 25 )(14 AC = 17 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .20פגישה שנייה עם האליפסה 200 על סמך טענה ) (7מסיקים כי אורך ההיטל על ציר ה x -של הקטע המחבר את נקודה A עם הנקודה ) (a, 0גדול יותר מאשר אורך ההיטל על ציר ה x -של הקטע המחבר את נקודה Aעם הנקודה ) . (−a, 0מכאן )(15 אורך הקטע המחבר את נקודה Aעם הנקודה ) (a, 0גדול יותר מאורך הקטע המחבר את נקודה Aעם הנקודה ). (−a, 0 מטענות ) (14) ,(13) ,(10ו (15)-נובע כי )(16 נקודה Bמתלכדת עם הנקודה ), (a, 0 )(17 נקודה Cמתלכדת עם הנקודה ). (−a, 0 y )(0, b x A )C (− a, 0 )B(a, 0 )(0, −b משוויונים ) (11ו (12)-נובע )לפי כלל המעבר( כי מתקיים: 2a = 28 מכאן )(18 a = 14 )(19 a 2 = 196 נציב במשוואה ) (1לפי שוויון ) ,(19ונקבל כי משוואתה של האליפסה המדוברת היא )(20 x2 y2 . + =1 196 b 2 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 201 נותר רק למצוא את הערך של b 2ולהציב אותו במשוואה האחרונה .ננסה להרכיב משוואה עם נעלם . b אילו היו ידועים לנו שיעורי הנקודה , Aהיינו יכולים להציבם במשוואה ) (20ולקבל משוואה שבאמצעותה היינו מוצאים את . b 2 הבה נפתור את הבעיה שבה נדרש למצוא את השיעורים xAו y A -של הנקודה Aהנזכרת לעיל. זאת בעיה עם שני נעלמים .ננסה להרכיב מערכת של שתי משוואות עם הנעלמים xAו. y A - ניעזר בכך שנקודה Aמקיימת את השוויונים ) (13ו (14)-ובנוסחה לחישוב מרחק בין שתי נקודות ,ונקבל את שני השוויונים הבאים: )(21 ( x A − xB ) 2 + ( y A − yB )2 = 25 )(22 ( x A − xC ) 2 + ( y A − yC ) 2 = 17 מטענות ) (17) ,(16ו (18)-נובע כי )(23 yB = 0 xB = 14, )(24 yC = 0 xC = −14, נציב בשוויון ) (21לפי שורה ) ,(23ובשוויון ) (22לפי שורה ) ,(24ונקבל את המערכת הבאה: 2 2 ( x A − 14) + y A = 25 ( x A + 14) 2 + y A2 = 17 כדי לפתור מערכת זו צריך להעלות את כל משוואתה בריבוע ולחסר מהמשוואה השנייה של המערכת אשר תתקבל את משוואה הראשונה .כשפותרים את מערכת המשוואות האחרונה מקבלים כי x A = −6 y A = −15 או x A = −6 y A = 15 מכאן ומטענה ) (7נובע כי © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .20פגישה שנייה עם האליפסה 202 )A(−6,15 נציב את השיעורים של נקודה Aבמשוואה ) ,(20ונקבל: (−6) 2 152 + 2 =1 196 b מכאן )(25 b 2 = 275.625 נציב במשוואה ) (20לפי שורה ) ,(25ונקבל את התשובה הבאה לסעיף א' של הבעיה: x2 y2 + =1 196 275.625 מש"ל. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 203 .21פגישה שלישית עם האליפסה אין לנו אומץ לדברים רבים לא מפני שהם קשים, הם קשים כי אין לנו אומץ בשבילם. )סנקה הצעיר( בעיה .נתונה אליפסה קנונית .הישר x = 2חותך את האליפסה בנקודות הנמצאות במרחק של 8.8יח' מהמוקד הימני של האליפסה ובמרחק של 11.2יח' מהמוקד השמאלי שלה .מצאו את המשוואה של האליפסה. דרך החשיבה ופתרון. מה צריך למצוא? צריך למצוא את המשוואה של האליפסה הקנונית המקיימת את התנאי הבא: הישר x = 2חותך את האליפסה בנקודות הנמצאות במרחק של )(1 8.8יח' מהמוקד הימני של האליפסה ובמרחק של 11.2יח' מהמוקד השמאלי שלה קודם כל נשאל את עצמנו :מהי אליפסה קנונית? אליפסה קנונית היא מקום גיאומטרי של כל הנקודות במישור שסכום מרחקיהן מנקודות ) F1 (c, 0ו (c ≥ 0) F2 (−c, 0) -הוא מספר קבוע .לאחר שמסמנים את מספר קבוע זה ב 2a -מקבלים את המשוואה הבאה של האליפסה הקנונית: )(2 x2 y 2 + =1 a 2 b2 עבור הפרמטרים aו b -במשוואה זו מתקיים: )(3 b2 + c2 = a2 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .21הפגישה שלישית עם האליפסה 204 )לפרמטרים aו b -קוראים חוצי הצירים של האליפסה הקנונית(. לנקודות ) F1 (c, 0ו F2 (−c, 0) -קוראים מוקדי האליפסה הקנונית .נקודה ) F1 (c, 0היא המוקד הימני של האליפסה ,ונקודה ) F2 (−c, 0היא המוקד השמאלי שלה. על סמך משוואה ) (2מסיקים כי אנו מתבקשים למצוא את הריבועים של חוצי הצירים aו b -של האליפסה הנתונה בבעיה ולהציב אותם במשוואה זו. לעתים כדי למצוא את חוצי הצירים aו b -של אליפסה קנונית מרכיבים שתי משוואות עם הנעלמים aו , b -אך לא תמיד אפשר להסתפק בשני נעלמים אלו .לעתים כדי למצוא את aו b -צריך להרכיב ולפתור מערכת של שלוש משוואות עם הנעלמים b , aו. c - ננסה להרכיב מערכת של שלוש משוואות עם הנעלמים b , aו . c -כבר יש בידינו משוואה אחת :משוואה )) (3כעת אנחנו מתייחסים לשוויון ) (3כאל משוואה עם הנעלמים b , aו- .( cעלינו להרכיב עוד שתי משוואות עם נעלמים אלו. הבה נתבונן בטענה ) . (1נשאל את עצמנו מה ידוע על מרחקיה של נקודה הנמצאת על אליפסה קנונית ממוקדי האליפסה? נסמן את המרחק של נקודה ) ( x, yהנמצאת על אליפסה ) (2מהמוקד הימני )F1 (c, 0 שלה ב r1 -ואת המרחק של הנקודה מהמוקד השמאלי ) F2 (−c, 0של האליפסה ב; r2 - ניזכר כי אליפסה ) (2היא מקום גיאומטרי של כל הנקודות במישור שסכום מרחקיהן מנקודות ) F1 (c, 0ו F2 (−c, 0) -הוא ; 2aלכן מתקיים: r1 + r2 = 2a )(4 עבור נקודה ) ( x, yהנמצאת על אליפסה ) (2גם מתקיים: c x a )(5 r1 = a − ו- c x a )(6 r2 = a + לפי טענה ) (1עבור כל אחת מנקודות החיתוך של הישר x = 2עם האליפסה שאת משוואתה עלינו למצוא מתקיים: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 205 )(7 r1 = 8.8 )(8 r2 = 11.2 מובן ששיעורה הראשון שכל אחת משתי נקודות אלו שווה ל: 2 - .x = 2 )(9 כאשר נציב בשוויון ) (4לפי שוויונים ) (7ו (8)-נקבל: 8.8 + 11.2 = 2a מכאן a = 10 )(10 כעת ברשותנו שתי משוואות עם הנעלמים b , aו : c -משוואות ) (3ו .(10)-עלינו להרכיב עוד משוואה אחת עם נעלמים אלו. נציב בשוויון ) (5לפי שוויונים ) (7ו ,(9)-ונקבל: c ⋅2 a )(11 8.8 = a − כעת ברשותנו שלוש משוואות עם הנעלמים b , aו : c -משוואות ) (10) ,(3ו .(11)-אפשר לפתור את המערכת המורכבת ממשוואות אלו ,אך נעשה דבר אחר :נציב בשוויון ) (6לפי שוויונים ) (8ו .(9)-כך נקבל: c ⋅2 a 11.2 = a + קיבלנו משוואה נוספת עם הנעלמים b , aו . c -נחסר ממשוואה זו את משוואה ),(11 ונקבל: c = 2.4 a ⋅.4 נחלק את המשוואה האחרונה ב 4 -ונכפיל ב , a -ונקבל: )(12 c = 0.6a © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .21הפגישה שלישית עם האליפסה 206 נפתור את המערכת b 2 + c 2 = a 2 a = 10 c = 0.6a המורכבת ממשוואות ) (10) ,(3ו.(12)- נציב במשוואה שלישית של מערכת זו לפי המשוואה השנייה שלה ,ונקבל את המערכת הבאה: b 2 + c 2 = a 2 a = 10 c = 6 כאשר נציב במשוואה הראשונה של המערכת האחרונה לפי שתי המשוואות האחרונות שלה נקבל את המשוואה הבאה: b 2 + 62 = 102 מכאן )(13 b=8 נציב בנוסחה ) (2לפי השוויונים ) (10ו ,(13)-ונקבל כי המשוואה של האליפסה הנתונה היא x2 y 2 + =1 64 36 מש"ל. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 207 דוּאט של אליפסה והיפרבולה ֶ .22 אפלטון ניסח הגדרה שהייתה בעלת הצלחה רבה" :אדם הוא בעל חיים ללא נוצות ועם שתי רגליים". דיוגנס 1מרט נוצות מן תרנגול ,הביא אותו לאפלטון לבית הספר והכריז" :הנה האדם של אפלטון". לאחר מכן הוסף להגדרה" :ועם ציפורניים רחבות". )דיוגנס לארטיוס( בעיה .נתונות נקודות ) C (3, 0) , B (−3, 0) , A(−5, 0ו . D (5, 0) -מצאו ,עם דיוק של שלוש ספרות אחרי הנקודה ,את השיעורים של נקודה Pהמקיימת את התנאים הבאים: א( המרחק בין נקודה Pלבין נקודה Aגדול ב 6 -יח' מהמרחק בין נקודה זו לבין נקודה ; Dב( היקף המשולש PCBשווה ל 16 -יח'. דרך החשיבה ופתרון. מה צריך למצוא? צרך למצוא ,עם דיוק של שלוש ספרות אחרי הנקודה ,את השיעורים של נקודה P המקיימת שני תנאים. מה הם התנאים? תנאי ראשון: )(1 המרחק בין נקודה Pלבין נקודה ) A( −5, 0גדול ב 6 -יח' מהמרחק בין נקודה זו לבין נקודה )D(5, 0 תנאי שני: )(2 1 עבור הנקודות ) B (−3, 0ו C (3, 0) -היקף המשולש PCBשווה ל 16 -יחידות . הכוונה לפילוסוף דיוגנס מסינופ. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה דוּאט של אליפסה והיפרבולה ֶ .22 208 נפתור את הבעיה בשיטה של שני מקומות גיאומטריים :נמצא את המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את תנאי ) ;(1נמצא את המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את תנאי ) ;(2לאחר מכן נמצא את השיעורים של הנקודה Pכשיעורים של נקודה משותפת לשני מקומות גיאומטריים אלו. נפעל לפי תוכנית זו לפתרון הבעיה .ראשית נמצא את המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את תנאי ).(1 נזכור כי המקום גיאומטרי של כל הנקודות שהפרש מרחקיהן משתי נקודות קבועות שווה למספר קבוע נקרא היפרבולה .2לשתי הנקודות הקבועות הנ"ל קוראים מוקדי ההיפרבולה .המקום הגיאומטרי של כל הנקודות שהפרש מרחקיהן משתי נקודות ) F1 (c, 0ו F2 (−c, 0) -שווה ל ( 0 < a < c ) 2a -הוא היפרבולה שמשוואתה x2 y 2 − =1 a 2 b2 )(3 כאן bהוא מספר חיובי המקיים את השוויון הבא: b2 = c2 − a2 )(4 היפרבולה זו נקראת היפרבולה | r2 − r1 |= 2a קנונית .בציור משמאל נמצא גרף y של היפרבולה קנונית. r2 המקום הגיאומטרי של כל הנקודות שמרחקן מנקודה ) F2 (−c, 0גדול ב 2a -ממרחקן מנקודה )F1 (c, 0 הוא הענף הימני של ההיפרבולה ) (0, b r1 x )F1 (c, 0 )( a , 0 )( − a , 0 )F2 (−c, 0 ) (0, − b האחרונה. על סמך הנאמר לעיל על אודות היפרבולה קנונית אפשר להסיק כי המקום הגיאומטרי של כל הנקודות b y=− x a b y= x a Pהמקיימות את תנאי ) (1הוא הענף הימני של היפרבולה קנונית המקיימת את התנאים הבאים: 2כאשר מחשבים את הפרש המרחקים המדוברים מחסרים מהמספר הגדול מבין השניים את המספר הקטן יותר ,או מוציאים את הערך המוחלט של ההפרש. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 209 )(5 2a = 6 )(6 c=5 משוויון ) (5נובע כי: )(7 a=3 נציב בשוויון ) (4לפי שוויונים ) (6ו ,(7)-ונקבל: )(8 b 2 = 52 − 32 = 16 מכאן b=4 נציב בנוסחה ) (3לפי שורות ) (6ו ,(8)-ונקבל כי המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את תנאי ) (1הוא הענף הימני של היפרבולה שמשוואתה )(9 x2 y2 − =1 9 16 ומהו המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות את תנאי )?(2 כדי לענות על שאלה זו נשאל את עצמנו :האם פתרנו בעבר בעיה שבה נדרש למצוא את המקום הגיאומטרי של כל הנקודות המקיימות תנאי דומה לתנאי )?(2 כן ,בפרק 19מצאנו עבור הנקודות ) A(−4, 0ו B (4, 0) -את המקום הגיאומטרי של כל הנקודות Cהמקיימות את התנאי הבא :היקף המשולש ABCשווה ל 18 -יח' .קיבלנו כי מקום גיאומטרי זה הוא אליפסה שמשוואתה x2 y 2 + =1 25 9 קראו שוב את פרק 19והראו בדרך דומה כי המקום הגיאומטרי של כל הנקודות במישור המקיימות את תנאי ) (2הוא אליפסה שמשוואתה )(10 x2 y 2 + =1 25 16 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה דוּאט של אליפסה והיפרבולה ֶ .22 210 כעת אפשר להסיק כי נקודה Pמקיימת את תנאים ) (1ו (2)-אך ורק אם היא נקודת החיתוך של הענף הימני של ההיפרבולה המיוצגת על ידי משוואה ) (9עם האליפסה המיוצגת על ידי משוואה ) .(10לכן שיעורי הנקודה Pהמקיימת את תנאים ) (1ו (2)-הם פתרונות המקיימים את התנאי x > 0של המערכת המורכבת ממשוואות ) (9ו.(10)- כשמוצאים פתרונות אלו עם הדיוק הנדרש בבעיה מקבלים כי y ) P(3.638, 2.744או ). P(3.638, −2.744 מש"ל. )(0, 4 P1 x )(3, 0 )(5, 0 )( −3, 0 )( −5, 0 P2 )(0, − 4 4 y=− x 3 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה 4 x 3 =y שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 211 .23סיפורן של שתי אסימפטוטות אחרי רדפו 30כלבים 7 .מהם היו לבנים 8 ,היו בצבע אפור ושאר הכלבים היו שחורים. השאלה :באיזו רגל ננשכתי? )אנטון צ'כוב( בעיה .ישר אשר עובר דרך המוקד השמאלי של היפרבולה קנונית ומאונך לאחת 80 60 האסימפטוטות שלה ,חותך את האסימפטוטה השנייה בנקודה ) , 7 7 . A(−מצאו את משוואת ההיפרבולה. דרך החשיבה ופתרון. לעתים קרובות צריך לנסח בעיה בדרך אחרת כדי לפתור אותה .את הבעיה הנוכחית אפשר לנסח גם באופן הבא: 80 60 נתונה היפרבולה קנונית; הנקודה ) , 7 7 A(−נמצאת על אחת האסימפטוטות של ההיפרבולה .הישר העובר דרך נקודה Aודרך המוקד השמאלי של ההיפרבולה מאונך לאסימפטוטה השנייה .מצאו את משוואת ההיפרבולה. עשינו את הצעד הראשון לכיוון פתרון הבעיה .נמשיך מכאן. עלינו למצוא את המשוואה של היפרבולה קנונית מסוימת .לכן עלינו קודם כל להיזכר כי היפרבולה קנונית היא קו המיוצג על ידי המשוואה הבאה: )(1 x2 y 2 − =1 a 2 b2 על סמך משוואה ) (1מסיקים כי אנו בעצם מתבקשים למצוא את הריבועים של חוצי הצירים aו b -של ההיפרבולה הנתונה בבעיה ולהציב אותם במשוואה זו. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .23סיפורן של שתי אסימפטוטות 212 לעתים כדי למצוא את חוצי הצירים aו b -של היפרבולה קנונית מרכיבים שתי משוואות עם הנעלמים aו , b -אך לא תמיד אפשר להסתפק בשני נעלמים אלו .לעתים כדי למצוא aו b -צריך להרכיב ולפתור מערכת של שלוש משוואות עם הנעלמים b , aו. c - אחת המשוואות במערכת זו היא: a 2 + b2 = c2 )(2 )או משוואה השקולה לה( .אל תשכחו ש b , a -ו c -צריכים להיות גדולים מ. 0 - לפי הנתון )ראו ניסוח שני של הבעיה( מתקיים: )(3 80 60 הנקודה ) , 7 7 A(−נמצאת על אחת האסימפטוטות של ההיפרבולה. כעת עלינו להיזכר כי לכל היפרבולה יש שתי אסימפטוטות .אסימפטוטות של b b ההיפרבולה המיוצגת על ידי משוואה ) (1הם הישרים ℓ1 : y = xו. ℓ 2 : y = − x - a a b אם שיעור ה x -של נקודה הנמצאת על הישר ℓ1 : y = xהוא מספר שלילי ,אז גם a שיעור ה y -של נקודה זו הוא מספר שלילי )מכיוון שמתקיים ,( b > 0 , a > 0 :אך עבור 80 60 שיעורי הנקודה ) A(− ,מתקיים: 7 7 yA > 0 . xA < 0 , לכן b נקודה Aלא יכולה להימצא על אסימפטוטה x a = . ℓ1 : y מכאן ומטענה ) (3נובע כי: )(4 b 80 60 הנקודה ) A(− ,נמצאת על הישר x a 7 7 b )נציין שלכל נקודה Pהנמצאת על הישר x a . ℓ2 : y = − ℓ 2 : y = −ומקיימת את התנאי, xP < 0 : מתקיים.( yP > 0 : © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 213 b טענה ) (4מתקיימת אך ורק אם שיעורי נקודה Aמקיימים את המשוואה x a כלומר אך ורק אם מתקיים: ,y=− 60 b 80 = ⋅− 7 a 7 )(5 כעת ברשותנו שתי משוואות עם הנעלמים b , aו : c -משוואות ) (2ו .(5)-עלינו להרכיב עוד משוואה אחת עם נעלמים אלו ,אך לפני כן נציין כי משוואה ) (5שקולה למשוואה הבאה: a 4 = b 3 )(6 . במטרה להרכיב את המשוואה השלישית עם הנעלמים b , aו , c -נשאל את עצמנו :במה מהנתון בבעיה עוד לא השתמשנו? לא השתמשנו בכך שלפי הנתון )בניסוח השני של הבעיה( )(7 80 60 הישר העובר דרך הנקודה ) , 7 7 ההיפרבולה מאונך לאסימפטוטה שעליה נקודה Aלא נמצאת. A(−ודרך המוקד השמאלי של y 80 60 ) A(− , 7 7 ) (0, b x )F1 (c, 0 )( a , 0 )( − a , 0 )F2 (−c, 0 ) (0, − b b x a y=− b x a =y © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .23סיפורן של שתי אסימפטוטות 214 על סמך הנאמר לעיל על אסימפטוטות של היפרבולה קנונית מסיקים כי מטענות ) (4ו- ) (7נובע ש- )(8 80 60 הישר העובר דרך הנקודה ) , 7 7 A(−ודרך המוקד השמאלי של b ההיפרבולה הנתונה מאונך לישר . ℓ1 : y = x a כעת עלינו להיזכר כי המוקדים של ההיפרבולה המיוצגת על ידי משוואה ) (1הם הנקודות ) F1 (c, 0ו c ) F2 (−c, 0) -הוא המספר החיובי המקיים את תנאי ) .((2המוקד השמאלי של ההיפרבולה הוא הנקודה ). F2 (−c, 0 עכשיו אפשר לנסח את טענה ) (8בצורה הבאה: )(9 80 60 הישר העובר דרך הנקודות ) , 7 7 b . ℓ1 : y = x a A(−ו F2 (−c, 0) -מאונך לישר טענה זו מתקיימת אך ורק אם עבור הנקודות Aו F2 -הנזכרות בה מתקיים: 1 a =− mℓ b )(10 mAF = − 2 1 כעת ניעזר בנוסחה y2 − y1 x2 − x1 =m לחישוב השיפוע של הישר העובר דרך נקודות ) ( x1 , y1ו . ( x2 , y2 ) -נקבל: )(11 60 −0 60 7 2 = = = 80 xF − x A 7c − 80 − +c 2 7 yF − y A mAF 2 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 215 הצלחנו להביע את השיפוע mAFשל הישר AF2באמצעות b , aו c -בשתי דרכים 2 שונות .כעת על סמך שורות ) (10ו (11)-וכלל המעבר נוכל להסיק כי טענה ) (9מתקיימת אך ורק אם מתקיים: a 60 = b 7c − 80 )(12 − עכשיו עלינו להתבונן במערכת )(13 a 2 + b 2 = c 2 a 4 = b 3 60 a − b = 7c − 80 המורכבת ממשוואות ) (6) ,(2ו .(12)-מערכת זו שקולה למערכת הבאה: )(14 a 2 + b 2 = c 2 a 4 = b 3 4 60 0 = 3 + 7c − 80 )חיברנו אל המשוואה השלישית של מערכת ) (13את המשוואה השנייה שלה(. כאשר נפתור את המשוואה השלישית של מערכת המשוואות האחרונה נקבל: c=5 לכן מערכת משוואות ) (14שקולה למערכת הבאה: a 2 + b 2 = c 2 a 4 = b 3 c = 5 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .23סיפורן של שתי אסימפטוטות 216 נציב במשוואה הראשונה של מערכת המשוואות האחרונה לפי המשוואה השלישית ונכפיל את המשוואה השנייה ב , b -ונקבל: a 2 + b 2 = 25 4 a = b 3 c = 5 )(15 נציב במשוואה הראשונה של מערכת ) (15לפי המשוואה השנייה שלה ,ונקבל את המשוואה הריבועית הבאה: 2 4 2 b + b = 25 3 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: b2 = 9 מכאן b=3 )(16 נציב במשוואה השנייה של מערכת ) (15לפי שורה ) ,(16ונקבל: a=4 מכאן a 2 = 16 מצאנו את ריבועי חוצי הצירים של ההיפרבולה הנתונה .נציב אותם במשוואה ) ,(1ונקבל את המשוואה שהתבקשנו למצוא: x2 y2 − =1 16 9 מש"ל. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 217 .24כמו שירו של רועה צאן בני אדם שרים ברגעי שמחה וברגעי עצב ,אך גם ברגעי שעמום .אינני יודע כיצד זה היום, אך בעבר כשרכבו רועי הצאן הקזחים על סוסיהם בערבה הם שרו לאורך כל הדרך .אילו שירים הם שרו? הפשוטים ביותר – מה שאני רואה ,על זה אני שר. "אני רואה עץ" ,שר רועה הצאן הקזחי" ,יש צל תחתיו .כשאגיע אל העץ אנוח". קיימות לא מעט בעיות שדרך פתרונן מזכירה לי את השירים של אותם רועי צאן. בעיה .נתונות נקודות ) A(−2, 0ו . B(2, 0) -מצאו את המקום הגיאומטרי של כל הנקודות שמרחקן מנקודה Bגדול פי 3ממרחקן מנקודה . A דרך החשיבה ופתרון. מה צריך למצוא? צריך למצוא את המקום הגיאומטרי של כל הנקודות במישור שמרחקן מנקודה )B(2, 0 גדול פי 3ממרחקן מנקודה ). A(−2, 0 נסמן נקודה שרירותית השייכת למקום הגיאומטרי המדובר ב . P -הרי אם למשהו או למישהו אין שם או כינוי ,קשה ,ולעתים קרובות אפילו בלתי אפשרי ,לדבר עליו בצורה ברורה. אילו תנאים חייבת לקיים נקודה ? P תנאי אחד ויחיד: המרחק בין נקודה Pלבין נקודה ) B(2, 0צריך להיות גדול פי 3מהמרחק בין Pלבין נקודה ). A(−2, 0 במילים אחרות, )(1 אורך הקטע BPצריך להיות גדול פי שלושה מאורך הקטע AP נרשום את טענה ) (1בצורה מתמטית: )(2 BP = 3 AP © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .24כמו שירו של רועה צאן 218 ברשותנו שוויון המקשר בין אורך הקטע APלבין אורך הקטע ; BPכיצד אפשר להביע את אורכי הקטעים באמצעות השיעורים של קצותיהם? לפי הנוסחה לחישוב מרחק בין שתי נקודות מתקיים: )(3 AP = ( xP − x A )2 + ( yP − y A ) 2 ו- )(4 BP = ( xP − xB ) 2 + ( yP − y A )2 נציב בשוויון ) (3את השיעורים של נקודה , Aונקבל: )(5 AP = ( xP + 2) 2 + yP 2 נציב בשוויון ) (4את השיעורים של נקודה , Bונקבל: )(6 BP = ( xP − 2) 2 + yP 2 אם נתבונן בשוויונים ) (5) ,(2ו ,(6)-לא יהיה קשה לנחש כי צריך להציב בשוויון ) (2לפי שוויונים ) (5ו .(6)-נעשה כך ,ונקבל: )(7 ( xP − 2) 2 + yP 2 = 3 ( xP + 2) 2 + yP 2 קיבלנו כי נקודה Pבמישור נמצאת במקום הגיאומטרי המדובר אך ורק אם שיעוריה מקיימים את שוויון ) .(7מכאן נובע כי המשוואה הבאה היא המשוואה של מקום גיאומטרי זה: )(8 ( x − 2)2 + y 2 = 3 ( x + 2)2 + y 2 במשוואה האחרונה אנחנו רואים שורשים ריבועיים .כיצד אפשר להיפטר מהם? צריך להעלות את שני האגפים של המשוואה האחרונה בריבוע .נעשה כך ,ונקבל: ] ( x − 2)2 + y 2 = 9[( x + 2) 2 + y 2 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה ) (8ולמשוואה הבאה: ) x 2 − 4 x + 4 + y 2 = 9( x 2 + 4 x + 4 + y 2 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 219 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: x 2 − 4 x + 4 + y 2 = 9 x 2 + 36 x + 36 + 9 y 2 משוואה זו שקולה למשוואה הבאה: 8 x 2 + 40 x + 8 y 2 = −32 נחלק את המשוואה האחרונה ב , 8 -ונקבל: x 2 + 5 x + y 2 = −4 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: x 2 + 2 ⋅ x ⋅ 2.5 + (2.5) 2 + y 2 = −4 + (2.5)2 )במשוואה הקודמת החלפנו את הביטוי 5xבביטוי , 2 ⋅ x ⋅ 2.5ששווה לו ,והוספנו לשני האגפים של המשווה את .( (2.5)2 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: )(9 ( x + 2.5) 2 + y 2 = 2.25 משוואה ) (9שקולה למשוואה ) ,(8שתי המשוואות מייצגות את אותו קו .על סמך משוואה ) (9של המקום הגיאומטרי המדובר אפשר לקבוע כי המקום הגיאומטרי הוא מעגל שמרכזו בנקודה ) (−2.5, 0ורדיוסו 1.5יח'. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .25הדרך המובילה למשוואת המקום הגיאומטרי 220 .25הדרך המובילה למשוואת המקום הגיאומטרי "נראה לעין – זה מה שאיש לא רואה עד שמישהו מתאר אותו במילים פשוטות ",כתב הפילוסוף, הסופר ,המשורר והצייר הנודע ג'ובראן חליל ג'ובראן .כשתלמידיי כבר ידעו דבר מה אודות מקומות גיאומטריים ,אך לפני שסיפרתי להם את מה שתקראו בפרק זה ,אחת מתלמידותיי ביקשה שאעזור לה לפתור בעיה קשה )לא רק מבחינתה( למציאת המשוואה של מקום גיאומטרי .פתרתי את הבעיה לפי האלגוריתם המתואר להלן. "כמה זה קל! יכולתי בעצמי להגיע לאלגוריתם ",אמרה התלמידה כשסיימתי. "קל? כן ,את צודקת' .שפת האמת פשוטה ',אמר אפלטון .יכולת להגיע אל האלגוריתם בעצמך? אם כן, כיצד זה שאיש ממחברי הספרים בתחום ,לא פרסם עד עתה את מה שאני הסברתי לך .אך במחשבה שנייה ,אולי את צודקת". בעיה .נתונים מלבנים .אורכי הצלעות של כל אחד מהמלבנים הם 4יח' ו 3 -יח' .בכל אחד מהמלבנים ישנם שני קודקודים לא סמוכים שאחד מהם נמצא על ישר y = 2 xוהשני על ישר . y = 4 xהוכיחו כי משוואת המקום הגיאומטרי של נקודות מפגש האלכסונים של המלבנים היא . 292 x 2 − 216 xy + 40 y 2 = 25 דרך החשיבה ופתרון. מה צריך להוכיח? צריך להוכיח כי משוואת המקום הגיאומטרי של נקודות מפגש האלכסונים במלבנים המקיימים כמה תנאים היא . 292 x 2 − 216 xy + 40 y 2 = 25 במילים אחרות ,אנחנו מתבקשים למצוא את משוואת המקום הגיאומטרי של נקודות מפגש אלכסונים במלבנים המקיימים כמה תנאים ,וידועה לנו התוצאה שאליה אנו צריכים להגיע. אילו תנאים מקיימים המלבנים? המלבנים מקיימים את התנאים הבאים: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 221 אורכי הצלעות של כל אחד מהמלבנים הם 4יח' ו 3 -יח'; )(1 בכל אחד מהמלבנים ישנם שני קודקודים לא סמוכים שאחד מהם נמצא )(2 על ישר y = 2 xוהשני על ישר . y = 4 x נתבונן במלבן שרירותי המקיים את תנאים ) (1ו ;(2)-נסמן את נקודת המפגש של אלכסוניו ב , P -את שיעור ה x -של נקודה – Pב , x1 -ואת השיעור ה y -של נקודה זו ב. y1 - 1 עלינו להרכיב משוואה המקשרת את הנעלמים x1ו . y1 -הבה נעשה זאת לפי השלבים הבאים: שלב א' :נוסף על נקודה ) P( x1 , y1נתבונן גם בנקודות ) , ( x2 , y2 ) , ( x3 , y3 ) , ... , ( xk , yk שמיקומן קובע באופן חד-משמעי את מיקומה של נקודה ) . P( x1 , y1הקבוצה של נקודות נוספות אלו לא חייבת להיות מינימלית. שלב ב' :נרכיב מערכת של 2k − 1משוואות עם 2kהנעלמים הבאים: . x1 , y1 , x2 , y2 , ..., xk , yk )ייתכן שלא יהיה גבול ברור בין שלבים א' ו-ב' .ייתכן שנמצא כמה נקודות המשפיעות על מיקומה של נקודה Pונרכיב כמה משוואות שבהן הנעלמים הם השיעורים של נקודות אלו והשיעורים של נקודה . Pלאחר מכן נמצא עוד נקודות המשפיעות על מיקומה של נקודה Pונרכיב משוואות נוספות(. שלב ג' )שלב אחרון( :על סמך המערכת של 2k − 1משוואות אשר הורכבו בשלב ב' )נקרא לה מערכת )*(( נקבל משוואה אך ורק עם הנעלמים x1ו. y1 - 1 2 בעתיד במקום לומר ":נסמן את נקודת המפגש של אלכסוניו ב , P -את שיעור ה x -של הנקודה Pנסמן ב x1 -ואת השיעור ה y -של נקודה זו נסמן ב , " y1 -נגיד בקיצור " :נסמן את נקודת המפגש של אלכסוניו ב- ) ." P ( x1 , y1 2 אם המיקום של נקודה שרירותית Pהשייכת למקום הגיאומטרי שאת משוואתו צריך למצוא נקבע חד- משמעית על ידי מיקומן של k − 1נקודות ) , ( x2 , y2 ) , ( x3 , y3 ) , ... , ( xk , ykונתונים ערכים של m © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .25הדרך המובילה למשוואת המקום הגיאומטרי 222 לאחר שתתקבל משוואה המקשרת את הנעלמים x1ו , y1 -יש להחליף בה את x1בx - ואת y1ב . y -המשוואה האחרונה היא משוואת המקום הגיאומטרי הנדרשת. כיצד נבצע את שלב ג'? קודם כל נקבל )אם יתאפשר לנו( מערכת משוואות פשוטה יותר השקולה למערכת )*( של 2k − 1משוואות אשר הורכבו בשלב ב' )נקרא למערכת המשוואות החדשה מערכת )**(( . לשם כך ניעזר בפעולות הבאות :החלפת מקום המשוואות ,הכפלת )או חילוק( משוואה במספר שונה מ ,0-חיבור של משוואה המוכפלת בביטוי כלשהו אל משוואה אחרת השייכת למערכת זו ,הצבה במשוואה אחת של מערכת לפי משוואות אחרות .לפעמים מופיע גם צורך להעלות משוואה כלשהי בריבוע .במקרים כאלו יש להיזהר מקבלת פתרונות מיותרים. אם לאחר ביצוע הפעולות המתוארות לעיל לא נקבל בקלות את המשוואה המקשרת בין הנעלמים x1ו , y1 -נמשיך את מאמצינו בדרך הבאה: נבחר ב 2k − 2 -משוואות מתוך 2k − 1משוואות אשר כלולות במערכת )**( ,ועל סמך משוואות אלו ננסה להביע את הנעלמים x2 , y2 , ..., xk , ykבאמצעות הנעלמים x1ו. y1 - אם בחירתנו ב 2k − 2 -משוואות תהיה נכונה ,אז כנראה אפשר יהיה להביע את הנעלמים x2 , y2 , ..., xk , ykבאמצעות הנעלמים x1ו , y1 -מכיוון שאם נתבונן במערכת המורכבת ממשוואות אלו ונתייחס אל x1ו y1 -כאל פרמטרים ,ולא כאל נעלמים ,תהיה זו מערכת של 2k − 2משוואות עם 2k − 2נעלמים. אם לאחר שנבצע את כל מה שנאמר לעיל נקבל כי )(3 ) x2 = f1 ( x1 , y1 ), y2 = g1 ( x1 , y1 ), … , xk = f k −1 ( x1 , y1 ), yk = g k −1 ( x1 , y1 מתוך 2k − 2הגדלים , x2 , y2 , x3 , y3 ,… , xk , ykאז כבר מתחילת פתרון הבעיה אפשר להתרכז בניסיון להרכיב מערכת של 2k − m − 1משוואות עם 2k − mנעלמים ,ולא להתבונן כלל במערכת 2k − 1משוואות עם 2kנעלמים )ראו פרק הבא(. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 223 והמשוואה אשר כלולה במערכת )**( ,אך לא נמצאת בין 2k − 2המשוואות אשר נבחרו היא , F ( x1 , y1 , x2 , y2 , ..., xk , yk ) = 0 )(4 אז לאחר שנציב במשוואה האחרונה לפי המשוואות הרשומות בשורה ) (3נקבל: F ( x1 , f1 ( x1 , y1 ), g1 ( x1 , y1 ), ..., f k −1 ( x1 , y1 ), g k −1 ( x1 , y1 )) = 0 על סמך משוואה זו נוכל להסיק כי המשוואה של המקום הגיאומטרי הנדרשת היא F ( x, f1 ( x, y ), g1 ( x, y ), ..., f k −1 ( x, y ), g k −1 ( x, y )) = 0 נציין שאם חלק מהנעלמים x2 , y2 , ..., xk , ykלא משתתפים במשוואה ) ,(4אז אין צורך להביע את נעלמים אלו באמצעות הנעלמים x1ו) y1 -אם ,כמובן ,אפשר להביע את שאר הנעלמים באמצעות x1ו y1 -בלי לעשות זאת עבור הנעלמים שאינם מופיעים במשוואה ).(4 מכאן נובע כי לא תמיד יש צורך לבחור בדיוק 2k − 2מתוך 2k − 1משוואות אשר כלולות במערכת )**( ,לפעמים מתוך 2k − 1אלו אפשר לבחור מספר קטן יותר של משוואות. נתחיל לפעול לפי תוכנית זו לפתרון הבעיה. לפי הסימון ,נקודה ) P( x1 , y1היא נקודת מפגש האלכסונים במלבן שרירותי המקיים את תנאים ) (1ו .(2)-בשיעורים של אילו עוד נקודות עלינו להתבונן? בבעיה נזכרים שני קודקודים של המלבן .אחד מהם נמצא על הישר y = 2 xוהשני על הישר . y = 4 xשני קודקודים אלה נמצאים אחד מול השני .נסמן את קודקוד המלבן הנמצא על הישר y = 2 xב A( x2 , y2 ) -ואת הקודקוד הנמצא על הישר y = 4 xב- ) . C ( x3 , y3 נקודה ) A( x2 , y2נמצאת על הישר y = 2 xאך ורק אם מתקיים: )(5 y2 = 2 x2 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .25הדרך המובילה למשוואת המקום הגיאומטרי 224 נקודה ) C ( x3 , y3נמצאת על הישר y = 4 xאך ורק אם מתקיים: y3 = 4 x3 )(6 אלכסונים במלבן חוצים זה את זה .לכן נקודה Pהיא אמצע האלכסון ACבמלבן המדובר .מכאן )(7 x2 + x3 2 = x1 )(8 y2 + y3 2 = y1 y ) C ( x3 , y3 B D ) P ( x1 , y1 ) A( x2 , y2 x y = 2x y = 4x © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 225 כעת ברשותנו ארבע משוואת עם הנעלמים : x1 , y1 , x2 , y2 , x3 , y3משוואות ) (7) ,(6) ,(5ו- ) .(8כמה משוואות עלינו להרכיב עוד? אנו מרכיבים משוואות עבור שישה נעלמים .עלינו להרכיב עוד משוואה אחת עם הנעלמים הנ"ל כדי שתהיה ברשותנו מערכת של חמש משוואות עם שישה נעלמים. במה מהנתון בבעיה עוד לא השתמשנו? לא השתמשנו בכך שלפי הנתון )(9 אורכי הצלעות של המלבן המדובר הם 4יח' ו 3 -יח'. נסמן את אחד הקודקודים של המלבן המדובר הסמוכים לקודקוד ) Aולקודקוד ( Cב- Bואת השני ב. D - לפי טענה ) (9מתקיים: 3יח' = 4 , BCיח' = AB )(10 או 4יח' = 3 , BCיח' = AB )(11 אפשר לחשב את אורך האלכסון ACשל המלבן . ABCDלפי משפט פיתגורס מתקיים AC 2 = AB 2 + BC 2 )(12 אם נציב בשוויון האחרון לפי שורה ) (10או לפי שורה ) ,(11נקבל: 25יח"ר = AC 2 = 42 + 32 מכאן 5יח' = AC )(13 כעת נחשב את אורך הקטע ACבדרך אחרת :ניעזר בנוסחה לחישוב מרחק בין שתי נקודות במישור .לפי נוסחה זו מתקיים: AC = ( x2 − x3 ) 2 + ( y2 − y3 ) 2 )(14 משורות ) (13ו (14)-נובע כי © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה 226 )(15 .25הדרך המובילה למשוואת המקום הגיאומטרי ( x2 − x3 )2 + ( y2 − y3 )2 = 5 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: )(16 ( x2 − x3 )2 + ( y2 − y3 ) 2 = 25 שימו לב כי על מנת להרכיב את משוואה ) (16חישבנו את אורך הקטע ACבשתי דרכים שונות .חישוב גודל כלשהו בשתי דרכים שונות הוא דרך חשובה להרכבת משוואות. גם נציין כי עבור כל זוג נקודות ) A( x2 , y2ו C ( x3 , y3 ) -המקיימות את משוואה )(16 קיים מלבן ABCDשאחת משתי צלעותיו הסמוכות שווה ל 4 -יח' והשנייה ל 3 -יח'. כעת נוכל להתבונן במערכת הבאה של חמש משוואות עם שישה נעלמים: )(17 y2 = 2 x2 y3 = 4 x3 x2 + x3 = x1 2 y 2 + y3 = y1 2 2 2 ( x2 − x3 ) + ( y2 − y3 ) = 25 ננסה להביע בהסתמך על ארבע המשוואות הראשונות של מערכת זו את הנעלמים , x2 x3 , y2ו y3 -באמצעות הנעלמים x1ו. y1 - נציב במשוואות הרביעית של מערכת ) (17לפי שתי המשוואות הראשונות שלה ,ונקבל: )(18 y2 = 2 x2 y3 = 4 x3 x2 + x3 = x1 2 2 x 2 + 4 x3 = y1 2 2 2 ( x2 − x3 ) + ( y2 − y3 ) = 25 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 227 נתבונן במערכת x2 + x3 x1 = 2 y = 2 x2 + 4 x3 1 2 )(19 המורכבת מהמשוואות השלישית והרביעית של מערכת משוואות ) .(18מערכת המשוואות האחרונה שקולה למערכת המשוואות הבאה: x2 + x3 = 2 x1 2 x2 + 4 x3 = 2 y1 )(20 בהסתמך על מערכת המשוואות האחרונה נביע את x2ואת x3באמצעות x1ו. y1 - נחסר מהמשוואה השנייה של מערכת ) (20את המשוואה הראשונה המוכפלת ב, 2 - ונקבל: x2 + x3 = 2 x1 2 x3 = 2 y1 − 4 x1 נחלק את המשוואה השנייה של המערכת האחרונה ב . 2 -נקבל: x2 + x3 = 2 x1 x3 = y1 − 2 x1 נציב במשוואה הראשונה של מערכת המשוואות האחרונה לפי המשוואה השנייה ,ונקבל: x2 + y1 − 2 x1 = 2 x1 x3 = y1 − 2 x1 מערכת המשוואות האחרונה שקולה למערכת המשוואות הבאה: x2 = 4 x1 − y1 x3 = y1 − 2 x1 )(21 מערכת משוואות ) (21שקולה למערכת משוואות ) .(19לכן מערכת משוואות ) (18שקולה למערכת המשוואות הבאה: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .25הדרך המובילה למשוואת המקום הגיאומטרי 228 y2 = 2 x2 y3 = 4 x3 x2 = 4 x1 − y1 x = y − 2x 1 1 3 ( x2 − x3 ) 2 + ( y2 − y3 ) 2 = 25 נציב במשוואה הראשונה של המערכת האחרונה לפי המשוואה השלישית שלה ובמשוואה השנייה – לפי המשוואה הרביעית ,נקבל את המערכת הבאה: ) y2 = 2(4 x1 − y1 ) y3 = 4( y1 − 2 x1 x2 = 4 x1 − y1 x = y − 2x 1 1 3 2 ( x2 − x3 ) + ( y2 − y3 ) 2 = 25 מערכת זו שקולה למערכת הבאה: y2 = 8 x1 − 2 y1 y3 = 4 y1 − 8 x1 x2 = 4 x1 − y1 x = y − 2x 1 1 3 2 ( x2 − x3 ) + ( y2 − y3 ) 2 = 25 נציב במשוואה החמישית של המערכת האחרונה לפי ארבע המשוואות הראשונות שלה, ונקבל את המשוואה הבאה: [4 x1 − y1 − ( y1 − 2 x1 )]2 + [8 x1 − 2 y1 − (4 y1 − 8 x1 )]2 = 25 משוואה זו שקולה למשוואה הבאה: (6 x1 − 2 y1 ) 2 + (16 x1 − 6 y1 ) 2 = 25 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: 292 x12 − 216 x1 y1 + 40 y12 = 25 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 229 נחליף במשוואה האחרונה את x1ב x -ואת y1ב , y -ונקבל את המשוואה הבאה של המקום הגיאומטרי המדובר: 292 x 2 − 216 xy + 40 y 2 = 25 מש"ל. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .26מקום אחר – אותה שיטה 230 .26מקום אחר – אותה שיטה השכלה היא מה שנשאר לאחר ששכחנו את כל מה שלימדו אותנו. )ג'ורג' סאוויל ,המרקיז הראשון מהליפקס( לעתים קרובות אנשים מתבלבלים בין המושג "מדע" למושג "ידע" ,וזו טעות גדולה .מדע הוא לא רק ידע ,אלא גם תודעה .כלומר ,היכולת להשתמש בידע כפי שצריך. )וסילי קלוצ'בסקי( . זמן קצר לאחר תום הלימודים בתיכון ובאוניברסיטה ,שוכחים רוב האנשים את רוב הנוסחאות שלמדו שם .הדברים החשובים ביותר שנותרים בזיכרונם לאחר שנות לימודים רבות הם מושגי יסוד בתחומים שלמדו ,רעיונות עיקריים ,דרכי חשיבה ו"כוח המוח" .ואם לא הבינו את הרעיונות העיקריים ולא למדו כיצד לחשוב ,אלא רק שיננו נוסחאות -מה נשאר להם בסופו של דבר מלבד תעודות ואולי כמה מושגים ועובדות? את הבעיה אשר נפתור בפרק הנוכחי אפשר לפתור מהר יותר אם נעזרים )בלי להוכיח אותן( בנוסחאות המאפשרות לחשב את השיעורים של נקודת מפגש התיכונים במשולש, אם ידועים השיעורים של קודקודיו .לא נבחר בדרך קלה זו .נוכיח את הנוסחאות בעצמנו תוך כדי פתרון הבעיה. בעיה .נתונים משולשים ישרי זווית .בכל אחד מהמשולשים הקודקוד של הזווית הישרה נמצא בנקודה ) , (2, 4הקודקודים של אחת משתי הזוויות החדות נמצא על ישר , x = −2 ואילו הקודקוד של הזווית החדה השנייה נמצא על ישר . y = 2מצאו את משוואת המקום הגיאומטרי של נקודות המפגש של התיכונים במשולשים אלו. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 231 דרך החשיבה ופתרון. מה צריך למצוא? צריך למצוא את משוואת המקום הגיאומטרי של נקודות מפגש התיכונים במשולשים המקיימים כמה תנאים. אילו תנאים מקיימים המשולשים? לפי הנתון – המשולשים הם ישרי זווית; – הקודקוד של הזווית הישרה בכל אחד מהמשולשים נמצא בנקודה ); (2, 4 – הקודקוד של אחת הזוויות החדות בכל אחד מהמשולשים נמצא על הישר ; x = −2 – הקודקוד של הזווית החדה השנייה בכל אחד מהמשולשים נמצא על הישר . y = 2 נתבונן במשולש שרירותי המקיים את כל התנאים הנ"ל .נסמן את נקודת המפגש של התיכונים במשולש זה ב , P -את הקודקוד של משולש זה המתלכד עם הנקודה ) (2, 4ב- , Aאת הקודקוד הנמצא על הישר x = −2ב , B -ואת הקודקוד הנמצא על הישר y = 2 ב. C - y B )A(2, 4 P y=2 M C x x = −2 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .26מקום אחר – אותה שיטה 232 בהסתמך על הנתון בבעיה ועל הסימון שנעשה ,נוכל מיד לרשום כי x A = 2 , y A = 4 , xB = −2 , yC = 2 )(1 ו- ∡BAC = 90° )(2 ישנן הנוסחאות הבאות ,המאפשרות להביע את השיעורים של נקודה Pבאמצעות השיעורים של קודקודי המשולש המדובר: )(3 x A + xB + xC 3 = xP )(4 y A + yB + yC 3 = . yP נקבל אותן בעצמנו .במטרה לקבל את נוסחאות ) (3ו (4)-נשאל את עצמנו :האם קיים משפט גיאומטרי שנוכל להיעזר בו לשם כך? קיים משפט שלפיו :כל שני תיכונים במשולש מחלקים זה את זה לשני קטעים כך שהקטע הקרוב לקודקוד גדול פי שניים מהקטע הקרוב לצלע. נסמן את אמצע הצלע BCב M -ונתבונן בתיכון . AMלפי המשפט הנ"ל על נקודת המפגש של תיכונים במשולש מתקיים: AP =2 PM )(5 ננסה להיעזר במשפט שלפיו :אם נקודה Pנמצאת על הקטע AMומתקיים: AP m = =λ PM n ,אז מתקיים: λ xM + x A λ +1 = xP mxM + nx A , m+n = xP λ yM + y A λ +1 = yP myM + yx A , m+n = yP על סמך טענה ) (5אפשר להסיק כי . m = 2, n = 1, λ = 2לכן מתקיים: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 233 2 xM + x A 2 +1 )(6 2 yM + x A 2 +1 )(7 = xP = yP נקודה Mהיא אמצע הקטע . BCמכאן )(8 xB + xC 2 = xM )(9 yB + yC 2 = yM נציב בשוויון ) (6לפי שוויון ) ,(8ונקבל: xB + xC + xA 2 3 ⋅2 = xP השוויון האחרון שקול לשוויון ).(3 כעת נציב בשוויון ) (7לפי שוויון ) ,(9ונקבל: yB + yC + yA 2 3 ⋅2 = yP השוויון האחרון שקול לשוויון ).(4 הוכחנו את שוויונים ) (3ו .(4)-כעת נוכל להתבונן במערכת המשוואות © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .26מקום אחר – אותה שיטה 234 xA + xB + xC = xP 3 y = y A + yB + yC P 3 x = 2 A yA = 4 x = −2 B yC = 2 )ראו שורות ) (3),(1ו .((4)-זאת מערכת של 6משוואות עם 8נעלמים )הנעלמים הם, xA : xP , yC , xC , yB , xB , y Aו .( yP -עלינו להרכיב עוד משוואה אחת כדי שתהיה ברשותנו מערכת של 7משוואות עם 8נעלמים. במטרה להרכיב עוד משוואה אחת נשאל את עצמנו :במה מהנתון בבעיה עוד לא השתמשנו? לא השתמשנו בטענה ).(2 אילו מסקנות אפשר להסיק על סמך טענה )?(2 על סמך טענה ) (2אפשר להסיק כי משולש ABCהוא משולש ישר זווית ,היתר במשולש ישר זווית זה היא הצלע BCוהניצבים הם הצלעות ABו. AC - מכאן לפי משפט פיתגורס נובע כי מתקיים: )(10 BC 2 = AB 2 + AC 2 קיבלנו שאם שוויון ) (2מתקיים ,גם שוויון ) (10מתקיים .נוסיף כי ההפך גם נכון :לפי משפט הפוך למשפט פיתגורס ,אם שוויון ) (10מתקיים ,גם שוויון ) (2מתקיים. בעזרת הנוסחה לחישוב מרחק בין שתי נקודות נקבל: BC = ( xB − xC ) 2 + ( yB − yC )2 1וזה בתנאי שאף שתי נקודות מבין נקודות B , Aו C -לא מתלכדות זו עם זו. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה 1 שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 235 AB = ( xB − x A )2 + ( yB − y A ) 2 AC = ( xC − xA ) 2 + ( yC − y A ) 2 נציב בשוויון ) (10לפי שלושת השוויונים האחרונים ,ונקבל: )( xB − xC ) 2 + ( yB − yC ) 2 = ( xB − xA ) 2 + ( yB − y A ) 2 + ( xC − x A )2 + ( yC − y A ) 2 (11 הרכבנו את המשוואה השביעית עם הנעלמים הנ"ל. אפשר להרכיב את המשוואה השביעית בדרך אחרת .אפשר לפרש את שוויון ) (2בצורה הבאה: הישר ABמאונך לישר . AC מהו התנאי המספיק וההכרחי לכך ששני ישרים יהיו מאונכים זה לזה? לשאלה זו אפשר לתת את התשובות הבאות: תשובה א' :הישר ℓ1מאונך לישר ℓ 2אך ורק אם וקטור הכיוון של ישר ) ℓ1כלומר וקטור שונה מ 0 = (0, 0) -נמצא על הישר ℓ1או מקביל לו( מאונך לווקטור הכיוון של הישר . ℓ 2 תשובה ב' :הישרים ℓ1 : a1 x + b1 y + c1 = 0ו ℓ 2 : a2 x + b2 y + c2 = 0 -מאונכים זה לזה אך ורק אם מתקיים: a1a2 + b1b2 = 0 )האגף השמאלי של השוויון האחרון הוא מכפלה סקלרית של הווקטורים ) (a1 , b1ו- ) ; (a2 , b2 הווקטור ) (a1 , b1מאונך לישר , ℓ1 : a1 x + b1 y + c1 = 0הווקטור ) (a2 , b2מאונך לישר ; ℓ 2 : a2 x + b2 y + c2 = 0הישרים ℓ1ו ℓ 2 -מאונכים זה לזה אך ורק הווקטורים ) (a1 , b1 ו (a2 , b2 ) -מאונכים זה לזה; מכאן הווקטורים ) (a1 , b1ו (a2 , b2 ) -מאונכים זה לזה אך ורק אם המכפלה הסקלרית שלהם שווה ל.( 0 - © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .26מקום אחר – אותה שיטה 236 תשובה ג' :הישרים ℓ1 : y = m1 x + n1ו ℓ 2 : y = m2 x + n2 -מאונכים זה לזה אך ורק אם מתקיים: m1 ⋅ m2 = −1 ניעזר בשתיים משלוש דרכים אלו לקבלת משוואה שביעית עם הנעלמים הנ"ל. ראשית ניעזר בכך הישר ABמאונך לישר ACאך ורק אם הווקטור ABמאונך לווקטור . AC נמצא את שני הווקטורים: ) AB = ( xB − x A , yB − y A ) AC = ( xC − x A , yC − y A הווקטורים ABו AC -מאונכים זה לזה אך ורק אם מכפלה סקלרית שלהם שווה ל, 0 - כלומר אך ורק אם מתקיים: )(12 ( xB − x A )( xC − xA ) + ( yB − y A )( yC − y A ) = 0 אם בשוויון ) (11נפתח סוגריים ,נעביר את כל האיברים לאגף השמאלי ,נבצע כינוס איברים דומים ולאחר מכן נחלק את השוויון אשר יתקבל ב , −2 -נקבל בדיוק את אותו שוויון אשר יתקבל אם נפתח סוגריים בשוויון ) .(12לכן משוואה ) (12שקולה למשוואה )(11 נקבל את משוואה ) (12בדרך נוספת. אם אף אחד מהישרים ABו AC -לא מאונך לציר ה , x -אז שיפועיהם מוגדרים והישרים מאונכים זה לזה אך ורק אם מתקיים: )(13 m AB ⋅ m AC = −1 עבור השיפוע m ABשל הישר ABמתקיים: yB − y A xB − x A = mAB עבור השיפוע m ACשל הישר ACמתקיים: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית yC − y A xC − x A 237 = mAC נציב בשוויון ) (13לפי שני השוויונים האחרונים ,ונקבל: yB − y A yC − y A ⋅ = −1 xB − x A xC − x A )(14 נכפיל את השוויון האחרון ב , ( xB − x A )( xC − x A ) -ונקבל: )(15 ) ( yB − y A )( yC − y A ) = −( xB − x A )( xC − x A השוויון האחרון שקול לשוויון ).(12 נציין כי אף על פי ששוויון ) (14לא מתאר את המקרים שבהם x A = xBאו , x A = xCאך שוויון ) (15מתאר גם אותם. כעת נוכל להתבונן במערכת המשוואות הבאה: )(16 x A + xB + xC = xP 3 y = y A + yB + yC P 3 ( xB − x A )( xC − x A ) + ( yB − y A )( yC − y A ) = 0 xA = 2 y = 4 A x B = −2 yC = 2 זאת מערכת של 7משוואות עם 8נעלמים .מטרתנו היא לקבל על סמך המערכת אחרונה את המשוואה המקשרת את הנעלמים xPו. yP - נציב בשלוש המשוואות הראשונות של מערכת ) (16לפי ארבע המשוואות האחרונות שלה )ליתר דיוק במשוואה הראשונה נציב לפי המשוואות הרביעית והשישית ,במשוואה השנייה © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .26מקום אחר – אותה שיטה 238 נציב לפי המשוואות החמישית והשביעית ,ובמשוואה השלישית נציב לפי כל ארבע המשוואות האחרונות של מערכת משוואות זו( ,ונקבל: 2 − 2 + xC = xP 3 y = 4 + yB + 2 P 3 (−2 − 2)( xC − 2) + ( yB − 4)(2 − 4) = 0 xA = 2 y = 4 A xB = −2 yC = 2 נתבונן במערכת הבאה המורכבת משלוש המשוואות הראשונות של מערכת המשוואות האחרונה: )(17 2 − 2 + xC = xP 3 4 + yB + 2 = yP 3 (−2 − 2)( xC − 2) + ( yB − 4)(2 − 4) = 0 זו מערכת של שלוש משוואות עם ארבעה נעלמים .היא שקולה למערכת המשוואות הבאה: xC xP = 3 yB + 6 = yP 3 2 x + y C B −8 = 0 נבודד את ה xC -במשוואה הראשונה ואת ה yB -במשוואה השנייה של מערכת זו ,ונקבל את המערכת הבאה השקולה למערכת הקודמת: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 239 xC = 3 xP yB = 3 yP − 6 2 xC + yB − 8 = 0 נציב במשוואה השלישית של המערכת האחרונה לפי שתי המשוואות האחרונות ,ונקבל את המשוואה הבאה: 2 ⋅ 3 xP + 3 y P − 6 − 8 = 0 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: 6 xP + 3 yP − 14 = 0 המשוואה של המקום הגיאומטרי אשר התבקשנו למצוא היא: 6 x + 3 y − 14 = 0 המקום הגיאומטרי המדובר הוא ישר .המשוואה המפורשת של הישר היא: 1 1 y =− x+2 2 3 הערה .כפי שכבר אמרנו בפרק הקודם ,אם מיקומה של נקודה שרירותית Pהשייכת למקום הגיאומטרי שאת משוואתו צריך למצוא נקבע חד-משמעית על ידי מיקומן של k − 1נקודות ) ( x2 , y2 ) , ( x3 , y3 ) , ... , ( xk , ykונתונים ערכים של mמתוך 2k − 2 הנעלמים , x2 , y2 , x3 , y3 ,… , xk , ykאז כבר מתחילת פתרון הבעיה אפשר להתרכז בניסיון להרכיב מערכת של 2k − m − 1משוואות 2k − mנעלמים ,ולא להתבונן כלל במערכת 2k − 1משוואות עם 2kנעלמים. בבעיה אשר פתרנו בפרק זה יכולנו להרכיב את מערכת ) (17של 3משוואות עם 4 נעלמים בלי להתבונן במערכת ) (16של 7משוואות עם 8נעלמים. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .27עוד מקום ,ושוב אותה שיטה 240 .27עוד מקום ,ושוב אותה שיטה רוב הבעיות שלי צצות כאשר למישהו אחר יש בעיה ,והוא מנסה להפוך את הבעיה שלו לבעיה שלי. x2 y2 + בעיה .באליפסה = 1 100 25 חסום משולש . ABCהצלע ACשל המשולש מתלכדת עם הציר הקטן של האליפסה .קודקוד Bנמצא על האליפסה .דרך קודקוד Aמעבירים ישר שמאונך לישר . ABדרך קודקוד Cמעבירים ישר שמאונך לישר . BCמצאו את המקום הגיאומטרי של נקודות המפגש של אנכים אלו. דרך החשיבה ופתרון. מה צריך למצוא? צריך למצוא את המקום הגיאומטרי של נקודות שכל אחת מהן מקיימת כמה תנאים. באילו תנאים מדובר? לפני שנענה על שאלה זו ,נסמן נקודה שרירותית מהמקום הגיאומטרי המדובר ב. P - כעת נוכל להשיב על השאלה האחרונה בצורה הבאה. נקודה Pחייבת לקיים אך ורק את התנאים הבאים: )(1 ; AP ⊥ AB )(2 . CP ⊥ BC כאן הנקודות B , Aו C -הן קודקודים של משולש חסום באליפסה )(3 )(4 )(5 x2 y2 + =1 100 25 , הצלע ACשל המשולש היא הציר הקטן באליפסה );(3 הנקודה Bנמצאת על אליפסה ).(3 מיקום נקודה Pתלוי במיקום הנקודות B , Aו . C -ננסה להרכיב 7משוואות עם 8 הנעלמים הבאים xP , yC , xC , yB , xB , y A , xA :ו. yP - © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 241 נתרכז בטענה ) (4ונשאל את עצמנו :מהו הציר הקטן באליפסה? אם נתונה אליפסה x2 y 2 + =1 a 2 b2 ומתקיים: ,a > b )(6 אז הציר הקטן של אליפסה זו הוא הקטע המחבר את הנקודות ) (0, −bו) (0, b) -הציר הגדול של אליפסה זו הוא הקטע המחבר את הנקודות ) (−a, 0ו.( (a, 0) - 1 עבור אליפסה ) (3מתקיים: a = 10, b = 5 )(7 בהסתמך על שורה ) (7מסיקים כי עבור אליפסה ) (3אי-שוויון ) (6מתקיים .מכאן ומשוויון b = 5נובע כי ) (8הציר הקטן של אליפסה ) (3הוא הקטע המחבר את הנקודות ) (0, −5ו. (0,5) - מטענות ) (4ו (8)-נובע כי )(9 )A(0,5), C (0, −5 או )(10 )A(0, −5), C (0,5 נתרכז במקרה שבו טענה ) (9מתקיימת .על סמך טענה ) (9מסיקים כי x A = 0, y A = 5 xC = 0, yC = −5 הרכבנו 4משוואות עם חלק מהנעלמים הנ"ל .עלינו להרכיב עוד שלוש משוואות. 1גם לאורכי הקטעים קוראים בהתאמה הציר הגדול והציר הקטן של האליפסה. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .27עוד מקום ,ושוב אותה שיטה 242 y A B x P C נתרכז בטענה ) .(5טענה זו מתקיימת אך ורק אם מתקיים: xB 2 y B 2 + =1 100 25 כעת ברשותנו חמש משוואות .עלינו להרכיב עוד שתי משוואות. במה מהנתון עוד לא השתמשנו? לא השתמשנו בטענות ) (1ו.(2)- אם השיפוע mABשל הישר ABוגם השיפוע mAPשל הישר APמוגדרים ,אז טענה )(1 מתקיימת אך ורק אם מתקיים: )(11 . mAP ⋅ mAB = −1 עבור השיפוע mABשל הישר ABמתקיים: )(12 yB − y A xB − x A = mAB עבור השיפוע mAPשל הישר APמתקיים: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית )(13 243 yP − y A xP − x A = mAP נציב בשוויון ) (11לפי שוויונים ) (12ו ,(13)-ונקבל: )(14 yP − y A yB − y A ⋅ = −1 xP − x A xB − x A קיבלנו עוד משוואה אחת עם הנעלמים הנ"ל .נכפיל אותה ב, ( xP − x A )( xB − x A ) - ונקבל: ) ( xP − x A )( xB − x A ) = −( yP − y A )( yB − y A המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: )(15 ( xP − x A )( xB − x A ) + ( yP − y A )( yB − y A ) = 0 נקבל את משוואה ) (15בדרך נוספת: הישר APמאונך לישר ABאך ורק אם . AP ⊥ AB הטענה האחרונה מתקיימת אך ורק אם המכפלה הסקלרית של הווקטורים APוAB - שווה ל: 0 - )(16 . AP ⋅ AB = 0 עבור הווקטורים המופיעים בשוויון האחרון מתקיים: )(17 ) AP = ( xP − x A , yP − y A )(18 ) AB = ( xB − x A , yB − y A כאשר נציב בשוויון ) (16לפי שורות ) (17ו ,(18)-נקבל את משוואה ).(15 קבלו בעצמכם בתור תרגיל ,על סמך טענה ) ,(2את המשוואה הבאה: )(19 ( xP − xC )( xB − xC ) + ( yP − yC )( yB − yC ) = 0 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .27עוד מקום ,ושוב אותה שיטה 244 כעת נוכל להתבונן במערכת המשוואות הבאה: x = 0 A yA = 5 x = 0 C yC = −5 2 2 xB + y B = 1 100 25 ( x − x )( x − x ) + ( y − y )( y − y ) = 0 A B A P A B A P ( xP − xC )( xB − xC ) + ( yP − yC )( yB − yC ) = 0 זאת מערכת של 7משוואות עם 8נעלמים. נציב במשוואה השישית של מערכת המשוואות האחרונה לפי המשוואות הראשונה והשנייה ,ובמשוואה השביעית לפי המשוואות השלישית והרביעית .נקבל: x = 0 A yA = 5 x = 0 C yC = −5 2 2 xB + y B = 1 100 25 x x + ( y − 5)( y − 5) = 0 P B P B xP xB + ( yP + 5)( yB + 5) = 0 כעת נוכל להתרכז במערכת הבאה המורכבת משלוש המשוואות האחרונות של מערכת המשוואות הקודמת: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית )(20 245 xB 2 y B 2 + =1 100 25 xP xB + ( yP − 5)( yB − 5) = 0 x x + ( y + 5)( y + 5) = 0 P B P B זאת מערכת של שלוש משוואות עם ארבעה נעלמים. נחסר מהמשוואה השלישית של מערכת המשוואות האחרונה את המשוואה השנייה, ונקבל: )(21 xB 2 y B 2 + =1 100 25 xP xB + ( yP − 5)( yB − 5) = 0 ( y + 5)( y + 5) − ( y − 5)( y − 5) = 0 B P B P המשוואה האחרונה במערכת המשוואות האחרונה שקולה למשוואה הבאה: yP yB + 5 yP + 5 yB + 25 − ( yP yB − 5 yP − 5 yB + 25) = 0 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: yP = − y B לכן מערכת ) (21שקולה למערכת המשוואות הבאה: xB 2 y B 2 + =1 100 25 xP xB + ( yP − 5)( yB − 5) = 0 y = −y B P נציב במשוואה השנייה של המערכת האחרונה ,ונקבל: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .27עוד מקום ,ושוב אותה שיטה 246 xB 2 y B 2 + =1 100 25 xP xB + (− yB − 5)( yB − 5) = 0 y = −y B P נפתח סוגריים במשוואה השנייה של המערכת האחרונה ,ונקבל את המערכת הבאה: xB 2 y B 2 + =1 100 25 2 xP xB − yB + 25 = 0 y = −y B P המערכת האחרונה שקולה למערכת הבאה: xB 2 y B 2 + =1 100 25 2 xP xB − yB = −25 y = −y B P נחבר אל המשוואה השנייה של המערכת האחרונה את המשוואה הראשונה המוכפלת ב- , 25ונקבל: )(22 xB 2 y B 2 + =1 100 25 xB 2 =0 xP xB + 4 yP = − yB המשוואה השנייה של המערכת האחרונה שקולה למשוואה הבאה: xB )=0 4 xB ( xP + © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 247 מכאן xB = 0 או xB =0 4 )(23 xP + במקרה שבו , xB = 0נקודה Bמתלכדת עם נקודה Aאו עם נקודה . C כאשר ,לדוגמה ,נקודה Bמתלכדת עם נקודה , Aאי אפשר לדבר על משולש , ABCעל ישר ABועל אנך לישר זה )על אף פי שאפשר לדבר על ישר BCועל אנך לישר .( ACלכן עלינו להוציא את המקרה שבו . xB = 0 משוואה ) (23שקולה למשוואה הבאה: . x B = −4 x P )(24 נחליף במערכת ) (22את המשוואה השנייה במשוואה ) (24ואת המשוואה השלישית במשוואה yB = − y P השקולה לה ,ונקבל: xB 2 y B 2 + =1 100 25 x B = −4 x P y = −y P B נציב במשוואה הראשונה של המערכת האחרונה לפי שתי המשוואות האחרונות שלה, ונקבל: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .27עוד מקום ,ושוב אותה שיטה 248 16 xP 2 yP 2 + =1 100 25 xB = −4 xP y = −y P B המשוואה הראשונה במערכת האחרונה שקולה למשוואה הבאה: xP 2 yP 2 + =1 (2.5)2 52 המקום הגיאומטרי המדובר הוא אליפסה x2 y2 + =1 (2.5) 2 52 להוציא הנקודות ) A(0,5ו . C (0, −5) -שימו לב כי הקטע ACהוא הציר הגדול של האליפסה האחרונה .מוקדי האליפסה נמצאים על ציר ה. y - במקרה שבו טענה ) (10מתקיימת ,מקבלים את אותה תשובה. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 249 .28ליעד הרביעי באותה דרך אני משוכנע כי גם מי שיכולת החשיבה שלו אינה גבוהה ,אם יהיו לו כלי העזר המעניקים יתרון והוא יתרגל עמם ,יוכל להגיע להישגים גבוהים יותר מאשר בעל יכולת חשיבה גבוהה ,כפי שילד יכול בעזרת סרגל להעביר קו טוב יותר מאשר אמן בלי סרגל. )גוטפריד לייבניץ( בעיה .נקודה Aנמצאת על מעגל שמשוואתו . x 2 + y 2 = 36רדיוס של מעגל זה המועבר אל נקודה Aחותך את המעגל x 2 + y 2 = 4בנקודה . Bדרך נקודה Aעובר הישר המאונך לציר ה y -ודרך נקודה Bעובר הישר המאונך לציר ה . x -שני הישרים נחתכים בנקודה . Pמהו המקום הגיאומטרי של כל הנקודות . P נפתור את הבעיה בשתי דרכים שונות. דרך החשיבה ופתרון א'. מה אנחנו מתבקשים לעשות בבעיה זו? אנחנו מתבקשים לענות על השאלה הבאה :מהו המקום הגיאומטרי של כל הנקודות P אשר נבנו בדרך המתוארת בבעיה. אם המקום הגיאומטרי הוא קו או חלק מקו כלשהו ,אז עלינו קודם כל למצוא את משוואת הקו .לאחר מכן עלינו לנסות לברר לאיזה סוג של קווים קו זה שייך. על סמך הנתון בבעיה מסיקים כי מיקומן של נקודות Aו B -קובע חד-משמעית את מיקומה של נקודה . Pננסה להרכיב חמש משוואות עם שישה הנעלמים הבאים, xA : xP , y B , xB , y Aו . y P - ראשית ניעזר בכך שלפי הנתון בבעיה, © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .28ליעד הרביעי באותה דרך 250 )(1 הנקודות Aו P -נמצאת על אותו ישר המאונך לציר ה. y - )(2 הנקודות Bו P -נמצאת על אותו ישר המאונך לציר ה. x - y 6 A 2 P B x 2 6 O −2 −6 −2 −6 טענה ) (1שקולה לטענה הבאה: y A = yP )(3 ואילו טענה ) (2שקולה לטענה הבאה: xB = xP )(4 כעת ניעזר בכך שלפי הנתון נקודה Aנמצאת על המעגל . x 2 + y 2 = 36 טענה זו מתקיימת אך ורק אם מתקיים: x A2 + y A 2 = 36 )(5 ומה נאמר בבעיה על נקודה ? B © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 251 לפי הנתון נקודה Bהיא נקודת החיתוך של מעגל x 2 + y 2 = 4עם רדיוס )(6 המעגל x 2 + y 2 = 36המועבר אל נקודה . A מרכזם של שני המעגלים הנ"ל נמצא בנקודה ) ; O(0, 0רדיוס המעגל x 2 + y 2 = 4הוא 2 יח' ; רדיוס המעגל x A2 + y A 2 = 36הוא 6יח' .לכן מטענה ) (6נובע כי OA = 6 OB = 2 )(7 BA = OA − OB נציב בשוויון האחרון לפי שני השוויונים הקודמים ,ונקבל: BA = 6 − 2 = 4 )(8 על סמך שוויונים ) (7ו (8)-מסיקים כי נקודה Bמחלקת את הקטע OAביחס 1: 2 OB 2 1 )הרי = = BA 4 2 (. ניעזר בנוסחאות המקשרות בין השיעורים של הנקודה המחלקת את הקטע ביחס נתון לבין השיעורים של קצות הקטע ,ונקבל: )(9 2 xO + 1 ⋅ xA 2 ⋅ 0 + 1 ⋅ xA x A = = 1+ 2 1+ 2 3 = xB )(10 2 yO + 1 ⋅ y A 2 ⋅ 0 + 1 ⋅ y A y A = = 1+ 2 1+ 2 3 = yB כעת ברשותנו חמש משוואות עם שישה הנעלמים הנ"ל :המשוואות )(5) ,(4) ,(3 והמשוואות: )(11 xA 3 = , xB © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .28ליעד הרביעי באותה דרך 252 yA 3 )(12 = yB משוואה ) (11שקולה למשוואה הבאה: . x A = 3 xB משוואה ) (12שקולה למשוואה הבאה: . y A = 3 yB נתבונן במערכת y A = yP x = x P B 2 2 x A + y A = 36 x = 3x B A y A = 3 yB )(13 המורכבת ממשוואות ) (5) ,(4) ,(3ומשתי המשוואות האחרונות. נציב במשוואה הרביעית של המערכת האחרונה לפי המשוואה השנייה ונקבל את המערכת הבאה ,השקולה למערכת הקודמת: y A = yP x = x P B 2 2 x A + y A = 36 x = 3x P A y A = 3 yB נציב במשוואה השלישית של המערכת האחרונה לפי המשוואות הראשונה והרביעית, ונקבל את המשוואה הבאה: 9 xP 2 + yP 2 = 36 מכאן המשוואה של המקום הגיאומטרי המדובר היא: 9 x 2 + y 2 = 36 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 253 נחלק את המשוואה האחרונה ב , 36 -ונקבל: x2 y2 + =1 4 36 המשוואה האחרונה שקולה למשואה הבאה: x2 y2 + =1 22 6 2 מכאן המקום הגיאומטרי המדובר הוא אליפסה עם חוצי הצירים הבאים: . a = 2, b = 6 בהסתמך על האי-שוויון b > aמסיקים כי מוקדי האליפסה נמצאים בנקודות ) (0, −cו- ) , (0, cכאן c = b 2 − a 2 = 36 − 4 = 32 הערה .שימו לב שמצאנו את משוואת המקום הגיאומטרי בלי להיעזר במשוואה החמישית במערכת ).(13 דרך החשיבה ופתרון ב'. לאחר שמקבלים את משוואות ) (4) ,(3ו (5) -כפי שתואר לעיל ,אפשר להסיק מטענה )(6 מסקנות שונות מאלו שהסקנו קודם; אפשר לשים לב כי טענה ) (6מתקיימת אם מתקיים: )(14 xB 2 + y B 2 = 4 וגם )(15 mOB = mOA וגם © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .28ליעד הרביעי באותה דרך 254 x A ⋅ xB > 0 )(16 נציב בשוויון ) (15לפי השורות yA − 0 yA = xA − 0 x A = mOA ו- yB − 0 y B = xB − 0 xB = . mOB נקבל: yB y A = xB x A )(17 . כעת אפשר להתבונן במערכת y A = yP x = x P B x A2 + y A 2 = 36 2 xB + y B 2 = 4 yB = y A xB x A x A ⋅ xB > 0 )(18 המורכבת ממשוואות ) (17) ,(14) ,(5) ,(4) ,(3ומאי-שוויון ).(16 נחליף במערכת האחרונה את המשוואה רביעית במשוואה y 2 , xB 1 + B = 36 xB 2 ונקבל את המערכת הבאה: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 255 y A = yP x = x P B 2 x A + y A2 = 36 y 2 2 xB 1 + B = 4 xB yB = y A xB x A x A ⋅ xB > 0 המערכת האחרונה שקולה למערכת ).(18 נציב במשוואה הרביעית של המערכת האחרונה לפי המשוואה החמישית ,ונקבל את המערכת הבאה: )(19 y A = yP x = x P B x A2 + y A2 = 36 y 2 2 xB 1 + A = 4 x A yB = y A xB x A x A ⋅ xB > 0 המשוואה הרביעית במערכת זו שקולה למשוואה הבאה: 2 )(20 xB 2 2 ( xA + yA ) = 4 xA נציב במשוואה זו לפי המשוואה השלישית של מערכת ) ,(19ונקבל את המשוואה הבאה: 2 xB 36 = 4 xA © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .28ליעד הרביעי באותה דרך 256 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: 2 xB 1 = xA 9 המערכת המורכבת ממשוואה זו ומהאי-שוויון האחרון במערכת )) (19אי-שוויון )((16 שקולה למשוואה xB 1 = xA 3 כעת נוכל להתבונן במערכת הבאה השקולה למערכת ).(19 y A = yP x = x P B 2 2 x A + y A = 36 x 1 = B xA 3 y y B = A xB x A )(21 מערכת זו שקולה למערכת )(22 y = y P A xB = xP 2 2 x A + y A = 36 x = 3x B A yB y A x = x B A )הכפלנו ב 3 xA -את המשוואה הרביעית במערכת ).((21 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 257 אם נציב במשוואה האחרונה של מערכת ) (22לפי המשוואה הרביעית ונכפיל את המשוואה אשר תתקבל ב , xB -נקבל את מערכת ) (13אשר קיבלנו קודם בדרך קצרה יותר. בעצם ,מי שקיבל את מערכת ) (22לא חייב להגיע למערכת ) (13כדי לקבל את המשוואה של המקום הגיאומטרי .די בכך שיתרכז בארבע המשוואות הראשונות של מערכת ).(22 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .29במרחבים רב-ממדיים )יוצאים מן המישור( 258 .29במרחבים רב-ממדיים )יוצאים מן המישור( . אם סימנו סביבך מעגל ואין נותנים לך לצאת ממנו – מה תעשה? אולי ,במקום לנסות לפרוץ את המעגל צא מהמישור שבו אתה נמצא למרחב תלת-ממדי .במרחב התלת-ממדי אף מעגל לא יחסום אותך מלהגיע לכל נקודה. ואם אתה נמצא במרחב תלת-ממדי כלשהו ,שבו כל תנועותיך ,מסביבך הקימו קליפה כדורית ולא נותנים לך לצאת ממנה – מה תעשה? עצתי ,צא מהמרחב התלת-ממדי למרחב ארבע-ממדי .אותה קליפה כדורית שחסמה את דרכך במרחב תלת-ממדי לא תחסום אותך במרחב ארבע-ממדי. ואם שוב ינסו להגביל את תנועתך ,דע כי קיימים מרחבים בעלי חמישה ממדים ,שישה ,שבעה ...אין לזה סוף .יתרה מזאת ,קיימים גם מרחבים בעלי אינסוף ממדים ,וכל אחד מהם כלול באינסוף מרחבים גדולים יותר. האם שמתם לב שבפרקים הקודמים תמיד ,אפילו במקרים שבהם לא אמרנו זאת בבירור ,כשחיפשנו את השיעורים של נקודה כלשהי במישור פתרנו מערכת של k + 2עם k + 2נעלמים )כאן kהוא מספר שלם לא שלילי(? לפעמים לפתרון בעיה מסוג זה אפשר היה להרכיב ולפתור מערכת של שתי משוואות עם שני נעלמים ,אך היו גם מקרים שבהם היינו צריכים להתמודד עם מספר גדול יותר של נעלמים ומשוואות. הנה דוגמה למקרה שבו כדי למצוא את השיעורים של נקודה מסוימת פותרים מערכת של k + 2משוואות עם k + 2נעלמים ,אך לא אומרים זאת בבירור :אם נקודה Mהיא אמצע הקטע המחבר את נקודות ) A(1, 2ו , B(3,8) -אז כדי למצוא את שיעורי נקודה M פותרים ,למעשה ,את המערכת © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית על המישור )(1 259 x A + xB xM = 2 y = y A + yB M 2 xA = 1 yA = 2 x = 3 B yB = 8 בלי לרשום את שש המשוואות האחרונות אחת מתחת לשנייה. פתרון של מערכת עם nנעלמים x1 , x2 ,..., xnממשיים הוא - nיה )מבוטא " ֶא ִניָה"( מסודרת ) ( x10 , x20 ,..., xn0של מספרים ממשיים המקיימת כל משוואה של המערכת. לאוסף של כל ה- n -יות ) (a1 , a2 ,..., anשל מספרים ממשים קוראים מרחב ממשי - n ממדי . ℝ nאם לאיבר במרחב ℝ nנקרא נקודה ולמספרים a1 , a2 ,..., anנקרא שיעורי הנקודה ) (a1 , a2 ,..., anבמרחב , ℝ nאז נוכל לומר כי פתרון של מערכת משוואות עם n נעלמים ממשיים הוא נקודה במרחב ℝ nאשר שיעוריה מקיימים כל משוואה של המערכת. נחליף את סימון הנעלמים במערכת ) :(1במקום xAנרשום , x1במקום , y1 – y Aבמקום , x2 – xBבמקום , y2 – yBבמקום x3 – xMובמקום . y3 – yMנקבל: )(2 x1 + x2 x3 = 2 y = y1 + y2 3 2 x1 = 1 y1 = 2 x = 3 2 y2 = 8 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .29במרחבים רב-ממדיים )יוצאים מן המישור( 260 פתרון מערכת המשוואות האחרונה הוא שישיית המספרים המסודרת ) ( x10 , y10 , x20 , y20 , x30 , y30המקיימת כל משוואה של מערכת זו .שישיית המספרים המסודרת הזו היא הנקודה ) (1, 2,3,8, 2,5במרחב . ℝ 6 עבור כל נקודה ) ( x10 , y10 , x20 , y20 , x30 , y30במרחב ℝ 6נקרא לנקודה ) (0, 0, 0, 0, x30 , y30 היטל אורתוגונלי )היטל אנכי( של הנקודה ) ( x10 , y10 , x20 , y20 , x30 , y30למישור x3 y3במרחב זה; נזהה את שישיית המספרים הסדורה ) (0, 0, 0, 0, x30 , y30עם זוג המספרים הסדור ) ; ( x30 , y30כעת נוכל לומר כי אמצע הקטע המחבר את נקודות ) A(1, 2ו B(3,8) -הוא היטל אורתוגונלי למישור x3 y3של פתרון המערכת ).(2 כעת נניח שעלינו למצוא את השיעורים x1ו y1 -של נקודה כלשהי במישור .גם נניח כי כדי למצוא את השיעורים עלינו להוסיף אל נעלמים x1ו y1 -עוד kנעלמים ולפתור מערכת של k + 2משוואות עם k + 2נעלמים )כאן .( k > 0במקרה זה נוכל לומר כי הנקודה שאת שיעוריה צריך למצוא היא היטל אורתוגונלי במרחב ℝ k + 2למישור x1 y1של פתרון המערכת של k + 2משוואות עם k + 2נעלמים. אם יהיה עליכם למצוא משוואה של מקום גיאומטרי כלשהו ,ותסמנו נקודה שרירותית השייכת למקום גיאומטרי זה ב , P ( x1 , y1 ) -אז כדי לפתור את הבעיה בדרך המתוארת בפרק ) 25ראו גם פרקים 27 ,26ו (28-תצטרכו להוסיף אל נעלמים x1ו y1 -עוד kנעלמים, ולהרכיב מערכת של k + 1משוואות עם k + 2נעלמים )כאן .( k ≥ 0 אוסף של כל הפתרונות של המערכת שתתקבל יהיה ,קרוב לוודאי ,קו במרחב . ℝ k + 2 המקום הגיאומטרי שאת משוואתו תתבקשו למצוא יהיה ההיטל האורתוגונלי של הקו האחרון למישור . x1 y1 1 בסוף פרק 26הגענו למערכת הבאה של שלוש משוואות עם ארבעה נעלמים: 1אם ℓהוא קו במרחב ℝ k + 2ושני השיעורים הראשונים של כל נקודה במרחב האחרון הם שיעור הx1 - ושיעור ה , y1 -אז היטל אורתוגונלי של הקו ℓלמישור x1 y1הוא אוסף כל הנקודות Pהמקיימות את התנאי הבא :הנקודה Pהיא היטל אורתוגונלי למישור x1 y1של נקודה כלשהי הנמצאת על הקו . ℓ © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית על המישור 261 xC = 3 xP yB = 3 yP − 6 2 xC + yB − 8 = 0 )(3 אוסף של כל הרביעיות המסודרות של מספרים ממשיים הוא מרחב . ℝ 4נקרא לשיעור הראשון של נקודה במרחב האחרון שיעור ה , xP -לשיעור השני – שיעור ה , yP -לשיעור השלישי שיעור ה xC -ולשיעור הרביעי – שיעור ה) . yC -אפשר לומר שאנחנו מתבוננים כעת במערכת צירים קרטזית במרחב ממשי בעל ארבעה ממדים שבה הציר הראשון הוא ציר ה , xP -הציר השני – ציר ה , yP -הציר השלישי ציר ה xC -והציר הרביעי – ציר ה.( yC - האוסף של כל הפתרונות של מערכת ) (3הוא ישר במרחב . ℝ 4המקום הגיאומטרי שאת משוואתו היה עלינו למצוא בפרק 26הוא ההיטל האורתוגונלי של הישר האחרון למישור . xP yPגם הוא ישר. בפרק 28הגענו למערכת הבאה של חמש משוואות עם שישה נעלמים: )(4 y A = yP x = x P B 2 2 x A + y A = 36 x = 3x B A y A = 3 yB אוסף כל הפתרונות של מערכת זו הוא קו במרחב . ℝ 6נסמן את קו זה ב . ℓ -אוסף של כל הנקודות במרחב ℝ 6המקיימות את ארבע המשוואות הראשונות במערכת המשוואות האחרונה הוא משטח דו-ממדי גלילי המכיל כל ישר החותך את הקו ℓומקביל לציר הyB - ולא כולל אף נקודה שלא נמצאת על אף ישר כזה .ההיטל האורתוגונלי של המשטח האחרון למישור xP yPוההיטל האורתוגונלי של הקו ℓלמישור האחרון מתלכדים זה עם זה. הדבר מאפשר למצוא את המשוואה של המקום הגיאומטרי שבו מדובר בפרק 28בהסתמך אך ורק על ארבע המשוואות הראשונות במערכת ).(4 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .30שינויים בכביש 262 .30שינויים בכביש כמה חבל שהחיים של כלבים כה קצרים .הייה לי כלב אשר ידע לספור עד שלוש. כיצד גיליתי שהוא מסוגל לזה? ולאילו מסקנות אתם תגיעו לאחר שאספר על מה שהוא עשה לי? בדרך כלל יצאתי עם הכלב שלוש פעמים ביום :מוקדם בבוקר ,בשלוש-ארבע אחרי צהריים ומאוחר בערב ,אך היו גם ימים כשיצאתי לעבודה מוקדם בבוקר וחזרתי הביתה רק מאוחר בערב; הוא לא סלח לי שלא טיילנו אחרי צהריים והכריח אותי לצאת איתו פעמיים בערב ,את הטיול השני בערב הכלב דרש בעוד חצי שעה לאחר שחזרנו מהטיול הראשון .איזה כלב חכם היה לי! ואם אני אגיד שמישהו מתלמידי כיתה י' יודע לספור עד שלוש ,אתם תחליטו שאני צוחק עליכם .כן, הכול יחסי בעולם זה .מה שהישג מרשים לאחד ,נמצא לעיתים קרובות הרבה מתחת למה שמצפים מאחר. אם במבחן במתמטיקה יש דרישות גבוהות ליכולת החשיבה של הנבחנים ולא רק לזיכרונם ,זה אומר שלמחברי המבחן יש ציפיות גבוהות מהנבחנים ,זאת הבעת הכבוד .לדעתי ,מי שמתלונן על מבחן קשה, לא מכבד את עצמו .עליו ברגעי החולשה להיזכר בדבריו הבאים של סופר נודע בלטסר גרסיאן" :תכבד את עצמך אם אתה רצה שאנשים אחרים יכבדו אותך" .ושייזכר בשורות הבאות מהמחזה "הנרי הרביעי" מאת וויליאם שייקספיר: O! the blood more stirs !To rose a lion than to start a hare בפרקים 25-28כשניסינו למצוא את המשוואה של המקום הגיאומטרי הנזכר בבעיה עשינו קודם כל את הדבר הבא :נוסף על השיעורים של נקודה שרירותית Pהשייכת למקום הגיאומטרי המדובר התבוננו גם בשיעורים של נקודות המשפיעות על מיקומה של נקודה Pוקובעות אותו באופן חד-משמעי; לאחר מכן הרכבנו את מערכת המשוואות שבהן הנעלמים היו השיעורים של נקודה Pוהשיעורים של הנקודות המשפיעות על מיקומה )או רק של אלו מהן אשר שיעוריהן לא היו קבועים ידועים(. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית על המישור 263 קיימות גם בעיות למציאת משוואה של מקום גיאומטרי שאותן עדיף לפתור אחרת .אם, לדוגמה ,בבעיה נזכר מעגל שרדיוסו משתנה כאשר הנקודה Pנעה לאורך המקום הגיאומטרי ,אז כדאי לבדוק אם יכולה להועיל הוספת רדיוס המעגל אל קבוצת הנעלמים שעבורם צריך להרכיב את מערכת המשוואות .לפעמים הוספה כזו ו/או שימוש בתכונות של אורכי קטעים מאפשרים למצוא את הפתרון בלי להתבונן בשיעורים של כמה נקודות המשפיעות על מיקומה של נקודה . Pאם לקבוצת הנעלמים מוסיפים פחות איברים מאשר מוציאים ממנה ,אז יש להרכיב פחות משוואות כדי לפתור את הבעיה .אל תשכחו שמספר המשוואות במערכת שבעזרתה נפתור את הבעיה צריך להיות )בדרך כלל( קטן ב 1-ממספר נעלמים. בעיה .מצאו את המקום הגיאומטרי של מרכזי המעגלים המשיקים מבחוץ למעגל x 2 + y 2 = R 2וגם משיקים לישר . y = 2 R דרך החשיבה ופתרון. מה צריך למצוא? צריך למצוא את המקום הגיאומטרי של מרכזי המעגלים המשיקים מבחוץ למעגל x 2 + y 2 = R 2וגם משיקים לישר . y = 2 R y נסמן ב P -נקודה שרירותית השייכת למקום Q גיאומטרי זה. אילו היינו מנסים לפתור את הבעיה בדרך r P דומה לדרך שבה פתרנו את הבעיות בפרקים ,25-28היינו שואלים את עצמנו :מיקומן של r R R E אילו נקודות קובע את מיקום הנקודה Pבאופן חד-משמעי? נוסף על שיעורי xPו yP -הנקודה 2R x O , Pבשיעורים של אילו עוד נקודות עלינו להתבונן? היינו עונים על השאלה הראשונה כך :מיקומם © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה y = 2R .30שינויים בכביש 264 של מרכז המעגל הנתון , Oשל נקודת ההשקה של שני המעגלים Eושל נקודת ההשקה Q של המעגל שמרכזו בנקודה Pושל הישר y = 2 Rקובע חד-משמעית את המיקום של נקודה . P לאחר מכן היינו מנסים להרכיב מערכת של שבע משוואות עם שמונת הנעלמים הבאים: xQ , yE , xE , yO , xO , yP , xPו ; yQ -או )מכיוון שהשיעורים של נקודה Oידועים( – מערכת של חמש משוואות עם ששת הנעלמים הבאים xQ , yE , xE , yP , xP :ו. yQ - לא נפתור את הבעיה בדרך זו .לא ננסה להרכיב מערכת של שבע משוואות עם שמונת הנעלמים הנ"ל .נעשה משהו אחר .קודם כל נוסיף אל קבוצת הנעלמים האחרונה את הרדיוס rשל המעגל שמרכזו בנקודה ) Pואשר משיק למעגל הנתון מבחוץ וגם משיק לישר .( y = 2 Rלאחר מכן ננסה להוציא מקבוצת הנעלמים החדשה חלק מאיבריה, ולהרכיב מערכת שבה כמה משוואות עם שאר הנעלמים .בין הנעלמים במערכת משוואות זו צריכים להיות yP , xPו . r -מספר המשוואות במערכת צריך להיות קטן ב 1-ממספר נעלמים .אולי נוכל אפילו להרכיב מערכת של שתי משוואות אך ורק עם הנעלמים yP , xP ו. r - כדי להרכיב אחת מהמשוואות של מערכת זו ננסה להביע את האורך של קטע המרכזים OPבאמצעות שלושה נעלמים אלו בשתי דרכים שונות. הבה ניעזר קודם בכך שנקודת ההשקה Eשל שני המעגלים נמצאת בתוך הקטע , OP ולכן OP = OE + EP מהשוויון האחרון ומהשוויונים OE = R , EP = r נובע כי )(1 OP = R + r כעת בעזרת הנוסחה לחישוב מרחק בין שתי נקודות נקבל: )(2 OP = ( xP − 0) 2 + ( yP − 0)2 = xP 2 + yP 2 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית על המישור 265 על סמך שורות ) (2) ,(1וכלל המעבר ,נקבל את המשוואה הבאה עם הנעלמים yP , xPו: r - R + r = xP 2 + y P 2 )(3 כעת ננסה להביע באמצעות r , yP , xPואולי באמצעות עוד מהנעלמים הנ"ל את האורך של הקטע PQבשתי דרכים שונות. קודם ניעזר בכך שהקטע PQהוא רדיוס המעגל שמרכזו בנקודה , Pונקבל: PQ = r )(4 לאחר מכן נשים לב כי מתקיים: yQ = 2 R )(5 ו- xQ = xP )(6 שוויון ) (5מתקיים כי הנקודה Qנמצאת על הישר . y = 2 Rשוויון ) (6מתקיים כי הישר PQמאונך לציר ה] x -מכיוון שהוא מאונך לישר ) y = 2 Rלפי המשפט :הזווית בין משיק למעגל לבין רדיוס ,הנפגשים בנקודת ההשקה ,היא זווית ישרה( ,אשר מקביל לציר ה.[ x - על סמך שוויונים ) (5ו (6)-אפשר להסיק כי | PQ =| 2 R − yP )(7 מעגל שמרכזו מעל ישר y = 2 Rואשר משיק לישר זה לא יכול להשיק למעגל אשר נמצא כולו מתחת לישר זה .ועוד ,מרכז המעגל המשיק לישר לא יכול להימצא על ישר זה .לכן מתקיים: 2 R − yP > 0 )(8 משוויון ) (7ומאי-שוויון ) (8נובע כי )(9 PQ = 2 R − yP על סמך שוויונים ) (4ו (9)-ועל סמך כלל המעבר מקבלים את המשוואה הבאה: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה .30שינויים בכביש 266 r = 2 R − yP )(10 כעת נוכל להתבונן במערכת הבאה: R + r = x 2 + y 2 P P r = 2 R − yP המורכבת ממשוואות ) (3ו .(10)-זאת מערכת של שתי משוואות עם שלושה הנעלמים הבאים yP , xP :ו. r - על סמך מערכת זו עלינו לקבל משוואה עם הנעלמים xPו. yP - נציב במשוואה הראשונה של המערכת האחרונה לפי המשוואה השנייה ,ונקבל את המשוואה הבאה: 3 R − y P = xP 2 + y P 2 )(11 נעלה את שני האגפים של המשוואה האחרונה בריבוע ,ונקבל: 9 R 2 − 6 RyP + yP 2 = xP 2 + yP 2 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: 3 1 2 R− xP 2 6R )(12 = yP האם משוואה ) (12שקולה למשוואה ) ?(11הבה נבדוק. אם זוג מספרים סדור כלשהו מקיים את משוואה ) ,(11אז הוא מקיים את משוואה ).(12 האם גם ההפך נכון? הבה נברר .אם זוג מספרים סדור כלשהו מקיים את משוואה ) ,(12אז הוא מקיים את משוואה ) (11או את המשוואה הבאה: )(13 −3 R + y P = x P 2 + y P 2 האגף השמאלי של המשוואה האחרונה לא יכול להיות שלילי ,כי האגף הימני של משוואה זו לא יכול להיות שלילי .לכן ערך הנעלם yPשעבורו מתקיימת משוואה ) (13לא יכול להיות קטן מ . 3R -עם זאת ,הערך של הנעלם yPשעבורו מתקיימת משוואה ) (12לא יכול © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית על המישור 267 3 להיות גדול מ . R -מכאן ,אם עבור זוג מספרים סדור כלשהו משוואה ) (12מתקיימת ,אז 2 עבורו משוואה ) (13לא מתקיימת .מנאמר לעיל נובע שאם משוואה ) (12מתקיימת עבור זוג מספרים סדור כלשהו ,אז משוואה ) (11מתקיימת עבורו גם כן. קיבלנו כי משוואה ) (11שקולה למשוואה ).(12 מנאמר לעיל נובע כי 3 1 2 R− המקום הגיאומטרי המדובר הוא הפרבולה המיוצגת על ידי המשוואה x 2 6R =y . הערה .המרחק בין נקודה Pלישר y = 2 Rשווה ,לפי הגדרת המרחק בין נקודה לישר, לאורך האנך PQהמורד לישר זה .לכן יכולנו לקבל את שוויון ) (7בעזרת הנוסחה לחישוב מרחק בין נקודה לישר .נזכיר כי אפשר לחשב מרחק dבין נקודה ) ( x1 , y1לישר l : ax + by + c = 0לפי הנוסחה הבאה: | | ax + by + c a2 + b2 =d בעזרת נוסחה זו נקבל: | =| yP − 2 R |=| 2 R − yP | | 0 ⋅ xP + 1 ⋅ y P − 2 R 02 + 12 = PQ )לחישוב המרחק בין הנקודה Pלישר y = 2 Rהשתמשנו במשוואה הבאה של ישר זה: .( 0 ⋅ x + 1 ⋅ y − 2 R = 0 נציין שלפעמים שימוש בנוסחה לחישוב מרחק בין נקודה לישר מאפשר להקטין את מספר הנעלמים שעבורם צריך להרכיב את המערכת שבעזרתה אפשר יהיה למצוא את המשוואה של המקום הגיאומטרי. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 269 חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 1 אשתי ,רופאת ילדים ,שאלה את אחד ממטופליה ,תלמיד כיתה א'" :איזה שיעור אהוב עליך ביותר?" "השיעור האחרון ",השיב הילד. "הפסק לעזור לשכנה שלך ",ביקשתי מתלמיד בשיעור" ,ככל שתסביר לה פחות היא תבין יותר". 1טיטוס מאקיוס פלאוטוס © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 270 בעיה .1הבסיס BCשל משולש שווה שוקיים ABCנמצא על ישר שמשוואתו 1 x +1 4 = ; yקודקוד Aשל המשולש נמצא בנקודה ) ; (7, 7המרחק מנקודה Bלציר ה- yגדול פי שניים ממרחקה מציר ה . x -מצאו את השיעורים של נקודה . C עקרונות הפתרון. על סמך הנתון בבעיה עליכם להסיק כי נקודה Bהיא נקודת החיתוך של הישר שמשוואתו 1 1 1 y = x + 1עם הישר שמשוואתו y = xאו . y = − x 2 2 4 לאחר מכן עליכם למצוא את השיעורים של נקודה . Bעליכם לקבל B(4, 2) :או 1 2 ) . B ( −1 , 3 3 מכאן אפשר להמשיך בשלוש הדרכים הבאות. המשך א'. מצאו את משוואת הישר העובר דרך הנקודה ) A(7,7ומאונך לישר ; BCלאחר מכן מצאו את נקודת החיתוך של שני הישרים .עליכם לקבל כי הישרים נחתכים בנקודה ) . (8,3הנקודה האחרונה היא אמצע הצלע . BCלכן תוכלו למצוא את השיעורים של נקודה Cבעזרת הנוסחאות לשיעורים של אמצע הקטע. 1 1 תשובה C (12, 4) :או ) . C (17 , 5 3 3 המשך ב'. מצאו את משוואת המעגל שמרכזו הנקודה Aואשר עובר דרך נקודה . Bמצאו את נקודות החיתוך של המעגל האחרון עם הישר . BCאחת משתי נקודות אלו צריכה להיות הנקודה . Bנקודת החיתוך השנייה היא נקודה . C המשך ג' . מצאו את השיפוע של הישר . ABלאחר מכן מצאו את השיפוע של הישר ACבהסתמך על השוויון הבא: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 271 mAC − mBC m − mBC = − AB 1 + mAC ⋅ mBC 1 + mAB ⋅ mBC )ראו פרקים 10ו.(11- לאחר שמצאתם את השיפוע של הישר , ACמצאו את המשוואה של ישר זה. לאחר מכן תוכלו למצוא את השיעורים של הנקודה Cכשיעורי נקודת החיתוך של הישרים ACו. BC - בעיה .2נתון משולש .אמצעי צלעות המשולש הם בנקודות ) P (1,3) , O(0, 0ו. Q(−3,1) - א( מצאו את השיעורים של נקודת מפגש התיכונים במשולש. ב( הוכיחו כי המשולש הוא שווה שוקיים ,אך לא שווה צלעות. ג( הוכיחו כי המשולש הוא ישר זווית. עקרונות הפתרון. א( סמנו את קודקודי המשולש הנתון באופן הבא :ב A -סמנו את הקודקוד שמול הצלע שעליה נמצאת הנקודה ) , O(0, 0ב - B -את הקודקוד שמול הצלע שעליה נמצאת הנקודה ) , P (1,3וב - C -את הקודקוד שמול הצלע שעליה נמצאת הנקודה ). Q(−3,1 בעזרת הנוסחאות לשיעורי אמצע הקטע תקבלו את המערכת הבאה: x A + xB 2 = −3 xB + xC =0 2 x A + xC 2 =1 )(2.1 וגם את המערכת הבאה: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 272 y A + yB =1 2 yB + yC =0 2 y A + yC =3 2 )(2.2 הכפילו כל משוואה של מערכת ) (2.1ב , 2 -ותקבלו את המערכת הבאה: = −6 x A + xB xB + xC = 0 x + xC = 2 A אם תחסרו מהמשוואה השלישית של המערכת האחרונה את המשוואה הראשונה שלה, ובמערכת אשר תתקבל תחברו אל המשוואה השלישית את המשוואה השנייה -עליכם לקבל את המערכת הבאה: = −6 x A + xB xB + xC = 0 2 xC = 8 פתרו את המערכת האחרונה ולאחר מכן את מערכת ) .(2.2עליכם לקבל: )A(−2, 4) , B(−4, −2) , C (4, 2 סמנו ב M -את השיעורים של נקודת מפגש ההתיכונים במשולש . ABCתקבלו את השוויונים הבאים: x A + 2 xO y + 2 yO , yM = A 3 3 = xM בעזרת שני השוויונים האחרונים חשבו את שיעורי הנקודה . Mעליכם לקבל: 2 1 ) M (− ,1 3 3 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 273 ב( על מנת להראות כי המשולש ABCהוא שווה שוקיים אך לא שווה צלעות ,חשבו את אורכי הצלעות של המשולש .עליכם לקבל כי AB = AC < BC ג( אפשר לפתור את הבעיה בעזרת משפט הפוך למשפט פיתגורס. כדי להוכיח את השוויון BC 2 = AB 2 + AC 2תוכלו להיעזר באורכי הצלעות של המשולש ,אשר תקבלו כאשר תפתרו את סעיף ב' של הבעיה. דרך נוספת לפתרון סעיף ג' של הבעיה היא לחשב את השיפוע mABשל הישר , ABאת השיפוע mACשל הישר ACולהראות כי מתקיים: mAB ⋅ mAC = −1 אם תפתרו בדרך האחרונה את סעיף ג' לפני שתפתרו את סעיף ב' של הבעיה ,אז כדי לפתור לאחר מכן את סעיף ב' לא יהיה צורך לחשב את אורך הקטע . BC בעיה .3נתונות הנקודות ) A(−2, 2ו . B(8, −2) -מצאו את השיעורים של הנקודה C 1 הנמצאת על הישר שמשוואתו x + 3 2 = yאם נתון כי נקודת מפגש התיכונים במשולש ABCנמצאת על ישר שמשוואתו . x − 2 y = 0 עקרונות הפתרון. נסמן ב M -את אמצע הקטע ABוב N -את נקודת מפגש התיכונים במשולש . ABC מצאו את השיעורים של נקודה . Mעליכם לקבל. M (3, 0) : הרכיבו מערכת של ארבע משוואות עם ארבעה הנעלמים הבאים xN , yC , xC :ו. yN - להרכבת שתי משוואות היעזרו בכך שנקודה נמצאת על קו מסוים אך ורק אם היא מקיימת את משוואתו .להרכבת שתי משוואות נוספות היעזרו במשפט שלפיו :כל שני תיכונים במשולש מחלקים זה את זה לשני קטעים ,כך שהקטע הקרוב לקודקוד גדול פי שניים מהקטע הקרוב לצלע .עליכם לקבל את המערכת הבאה: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 274 1 yC = 2 xC + 3 xN − 2 y N = 0 xC + 2 ⋅ 3 = xN 3 + y y = C 2⋅0 N 3 כשתפתרו את המערכת תקבלו את שיעורי הנקודות Nו. C - תשובה. C (6, 6) : בעיה .4קודקוד Aשל טרפז ( AB CD ) ABCDנמצא בנקודה ) . (−2, 6הצלע CDשל 1 הטרפז נמצאת על ישר שמשוואתו . 8 x − 15 y − 28 = 0הנקודה ) M (7 ,8היא נקודת 3 מפגש האלכסונים של הטרפז . ABCDשטח הטרפז שווה ל 201 -יח"ר .מצאו את השיעורים של הנקודות C , Bו. D - עקרונות הפתרון. מצאו את משוואת הישר , ACולאחר מכן את השיעורים של נקודה Cכשיעורי נקודת החיתוך של ישר זה עם הישר . CDעליכם לקבל. C (26,12) : כאשר נוסף על השיעורים של נקודות Aו M -יהיו ברשותכם גם השיעורים של הנקודה , Cתוכלו למצוא את היחס . CM : MAלשם כך היעזרו באחד השוויונים הבאים: λ x A + xC λ y + yC , yM = A λ +1 λ +1 )(4.1 = xM כאן CM MA =λ עליכם לקבל כי . λ = 2מכאן אפשר להסיק כי הבסיס CDשל הטרפז גדול פי שניים מהבסיס ABשלו. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 275 תוכלו להיעזר בכך שברשותכם השיעורים של נקודה Aוהמשוואה הכללית 8 x − 15 y − 28 = 0של הישר CDכדי לחשב את אורך הגובה של הטרפז הנתון .לאחר מכן תוכלו להיעזר באורך הגובה של הטרפז ובגודל של שטח הטרפז כדי לחשב את סכום אורכי הבסיסים שלו. קל למצוא שני מספרים אם ידוע פי כמה אחד מהם גדול מהשני ומהו סכומם של שני המספרים .לכן לאחר שתמצאו את הסכום של אורכי הבסיסים של הטרפז , ABCD תוכלו למצוא בקלות את אורכי הבסיסים של הטרפז .עליכם לקבל: 17יח' = AB 34יח' = CD )(4.2 בהסתמך על שוויון ) (4.2אפשר להסיק כי הנקודה Dהיא נקודת החיתוך של הישר CD עם המעגל שמרכזו ) C (26,12ורדיוסו 34יח' .מצאו את משוואת המעגל האחרון ולאחר מכן את נקודות החיתוך של מעגל זה עם הישר . CDעליכם לקבל D( −4, −4) :או ). D(56, 28 את שיעורי הנקודה Bאפשר למצוא בהסתמך על כך ש. DM : MB = 2 :1 - y D B C 8 x − 15 y − 28 = 0 M A x D B תשובה D( −4, −4) , C (26,12) , B(13,14) :או ). D(56, 28) , C (26,12) , B(−17, −2 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 276 בעיה .5במעוין ABCDנקודת מפגש האלכסונים נמצאת בקודה ) , M (4, 4.5קודקוד A נמצא על הישר , y = x + 5קודקוד Cנמצא על הישר y = − x + 8וקודקוד Dעל ציר ה- . xמצאו את שיעורי קודקוד . B עקרונות הפתרון. ראשית יש למצוא את שיעורי הנקודות Aו . C -לשם כך יש להרכיב מערכת של ארבע משוואות עם ארבעת הנעלמים הבאים xC , y A , xA :ו. yC - את המשוואות הראשונה והשנייה במערכת זו אפשר להרכיב בהסתמך על כך שנקודה A נמצאת על הישר , y = x + 5ושנקודה Cנמצאת על הישר . y = − x + 8 את המשוואות השלישית והרביעית אפשר להרכיב בהסתמך על כך שהנקודה )M (4, 4.5 היא אמצע הקטע . AC לאחר שתרכיבו את המערכת ותפתרו אותה עליכם לקבל כי ). C (6, 2) , A(2,7 לאחר שמוצאים את שיעורי הנקודות Aו , C -אפשר למצוא את השיפוע mACשל האלכסון ACבמעוין ) ABCDאת השיפוע האחרון אפשר למצוא גם בעזרת שיעורי הנקודה Mוהשיעורים של אחת מהנקודות Aו .( C -אחר כך אפשר למצוא את השיפוע mBDשל האלכסון BDבמעוין הנתון בהסתמך על כך שאלכסונים במעוין מאונכים זה לזה. כאשר תדעו את גודל השיפוע של האלכסון , BDתוכלו למצוא את המשוואה של אלכסון זה בעזרת השיפוע שלו ושיעורי הנקודה . Mלאחר מכן מצאו את שיעורי הנקודה D בהסתמך על כך שהיא נקודת החיתוך של הישר BDעם ציר ה . x -עליכם לקבל כי ). D(−1.625, 0 לאחר שתמצאו את השיעורים של נקודה Dתוכלו למצוא את השיעורים של נקודה B בהסתמך על כך שהנקודה ) M (4, 4.5היא אמצע הקטע . BD תשובה. B(9.625,9) : © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 277 בעיה .6נתון מעוין . ABCDקודקוד Aשל המעוין נמצא בנקודה ) ; (2, 4אחד מאלכסוני המעוין נמצא על הישר . y = x − 4שטח המעוין שווה ל 24 -יח"ר .מצאו את שיעורי הנקודות C , Bו. D - עקרונות הפתרון. ראשית יש להראות כי הנקודה ) A(2, 4לא נמצאת על הישר , y = x − 4ומכאן להסיק שעל ישר זה נמצא אלכסון BDשל המעוין . ABCD אלכסונים במעוין חוצים זה את זה ומאונכים זה לזה .לכן נקודה Cהיא נקודה סימטרית לנקודה Aביחס לישר . BD כדי למצוא את השיעורים של נקודה Cצריך למצוא קודם את משוואת הישר . AC את משוואה זו אפשר למצוא בהסתמך על כך שהוא עובר דרך הנקודה ) A(2, 4ומאונך לישר . BDלאחר מכן תוכלו למצוא את נקודת מפגש אלכסוני המעוין . ABCDעליכם לקבל כי אלכסוני המעוין נפגשים בנקודה ) . M (5,1לאחר מכן תוכלו למצוא את שיעורי נקודה Cבהסתמך על כך שנקודה Mהיא אמצע הקטע . ACעליכם לקבל כי ). C (8, −2 כדי למצוא את שיעורי הנקודות Bו D -צריך למצוא את אורך הקטע . BD אפשר לעשות זאת בהסתמך על השוויון הבא עבור השטח S ABCDשל המעוין : ABCD AC ⋅ BD 2 = S ABCD על מנת שתוכלו לחשב בעזרת שוויון זה את אורך הקטע , BDעליכם לחשב קודם את אורך הקטע . AC עליכם לקבל: 4 2יח' = BD מתוצאה זו ומהשוויון BM = MD נובע כי 2 2יח' = . BM = MD © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 278 לאחר שתקבלו שוויונים אלו תוכלו למצוא את שיעורי הנקודות Bו D -כנקודות החיתוך של הישר ℓ BD : y = x − 4עם המעגל שמרכזו ) M (5,1ורדיוסו 2 2יח' )במקום להתבונן במעגל האחרון אפשר להיעזר בנוסחה לחישוב מרחק בין שתי נקודות(. עליכם לקבל D(3, −1) , B(7,3) :או ). D(7,3) , B(3, −1 y y )A(2, 4 )D(7,3 )B(7,3 ( x − 5)2 + ( y − 1)2 = 8 M x )C (8, −2 )A(2, 4 )D(3, −1 y = x−4 M x )C (8, −2 )B(3, −1 y = x−4 בעיה .7נתון ריבוע . ABCDקודקוד Aשל הריבוע נמצא בנקודה ) ; (−1, 6אחד מאלכסוני הריבוע נמצא על הישר . y = 5 x − 2מצאו את שיעורי הנקודות C , Bו. D - עקרונות הפתרון. כמו בבעיה הקודמת ,ראשית יש להראות שהאלכסון של הריבוע ABCDשנמצא על הישר y = 5 x − 2הוא האלכסון . BDלאחר מכן צריך למצוא את השיעורים של נקודת מפגש אלכסוני הריבוע ושל הנקודה Cבדרך שבה הוצע למצוא את שיעורי הנקודה C בבעיה הקודמת. עליכם לקבל כי אלכסוני הריבוע נפגשים בנקודה ) M (1.5,5.5וכי ). C (4,5 לאחר מכן אפשר למצוא את השיעורים של נקודות Bו D -כנקודות החיתוך של הישר BDעם מעגל שמרכזו ) M (1.5,5.5ואשר עובר דרך נקודה ). A(−1, 6 עליכם לקבל כי ) D(2,8) , B (1,3או ). D(1,3) , B(2,8 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 279 y y )D(2,8 )B(2,8 )A(−1, 6 )A(−1, 6 )C (4,5 )C (4,5 )M (1.5,5.5 )M (1.5,5.5 )B (1,3 x )D(1,3 y = 5x − 2 x y = 5x − 2 בעיה .8קודקוד Aשל ריבוע ABCDנמצא בנקודה ) ; (2, 4קודקוד Bשל הריבוע נמצא בנקודה ) . (5,8מצאו את השיעורים של נקודות Cו. D - עקרונות פתרון א'. ננסה להרכיב מערכת של שתי משוואות עם הנעלמים xDו. yD - נשאל את עצמנו :אילו תנאים נקודה Dחייבת לקיים? נקודה Dחייבת לקיים את שני התנאים הבאים: ( r1 ∡BAD = 90° ( r2 AD = AB תנאי r1מתקיים אך ורק אם מתקיים: mAB ⋅ mAD = −1 בהסתמך על השוויון האחרון תקבלו את המשוואה הבאה: )(8.1 4 yD − 4 ⋅ = −1 3 xD − 2 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 280 לאחר מכן חשבו את אורך הקטע . ABעליכם לקבל: 5יח' = AB )(8.2 בהסתמך על השוויון האחרון תקבלו כי תנאי r2מתקיים אך ורק אם מתקיים: ( xD − 2) 2 + ( yD − 4)2 = 5 )(8.3 פתרו את המערכת המורכבת ממשוואות ) (8.1ו .(8.3)-עליכם לקבל: ) D(6,1או )D(−2, 7 אחר כך מצאו את שיעורי נקודה Cבעזרת הנוסחאות לשיעורים של אמצע קטע. עליכם לקבל שאם קודקוד Dשל הריבוע נמצא בנקודה ) , (6,1אז קודקודו Cנמצא בנקודה ) ; (9,5ואם קודקוד Dשל הריבוע נמצא בנקודה ) , (−2, 7אז קודקודו Cנמצא בנקודה ). (1,11 עקרונות פתרון ב'. נמצא את שיעורי הנקודה Dכנקודה משותפת למקום הגיאומטרי של כל הנקודות במישור המקיימות את תנאי r1ולמקום הגיאומטרי של כל הנקודות במישור המקיימות את תנאי . r2 מהו המקום הגיאומטרי הראשון הנ"ל? מקום גיאומטרי זה הוא הישר ) ℓלהוציא הנקודה ( Aהמקיים את שני התנאים הבאים :א( הישר ℓעובר דרך נקודה , Aב( הישר ℓמאונך לישר . AB מצאו את המשוואה של הישר . ℓעליכם לקבל כי 3 11 ℓ: y = − x+ 4 2 ומהו המקום הגיאומטרי השני הנ"ל? בהסתמך על שוויון ) (8.2אפשר לקבל כי מקום גיאומטרי זה הוא המעגל שמשוואתו . ( x − 2) 2 + ( y − 4) 2 = 25 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 281 הראו כי הישר ℓוהמעגל האחרון נחתכים בנקודות ) (6,1ו . (−2, 7) -הסיקו מכאן כי ) D(6,1או ). D(−2, 7 מצאו את שיעורי הנקודה Cבדרך המתוארת לעיל. בעיה .9קודקוד Aשל ריבוע ABCDנמצא בנקודה ) ; (−1,1קודקוד Cשל הריבוע נמצא בנקודה ) . (6, 2מצאו את השיעורים של הנקודות Bו. D - עקרונות הפתרון. מצאו את השיעורים של הנקודות Bו D -כשיעורי נקודות החיתוך של האנך האמצעי לקטע ACושל המעגל שהקטע הוא קוטרו. תשובה D(3, −2) , B(2,5) :או )D(2,5) , B(3, −2 בעיה .10הוכיחו כי הישר שמשוואתו y = 3x − 2חותך את הקטע המחבר את הנקודות ) A(1, 4ו. B(2,3) - עקרונות הפתרון. הוכיחו כי אחת משתי הנקודות הנתונות נמצאת מתחת לישר הנתון ,ואילו הנקודה השנייה נמצאת מעל ישר זה. בעיה .11הצלע ABשל מעוין ABCDנמצאת על ישר שמשוואתו . y = 0.75 x + 2.25 אורך הצלע הוא 5יח' .נקודות Aו D -נמצאות ברביע הראשון .המרחק בין נקודה A לראשית הצירים שווה ל 10 -יח' .הנקודה ) E (3,5נמצאת בתוך המעוין .גובה המעוין שווה ל 1.4 -יח' .מצאו את המשוואות של הישרים BC , ADו. CD - © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 282 עקרונות הפתרון. נקודה Aנמצאת ברביע הראשון ,והיא נקודת החיתוך של הישר שמשוואתו y = 0.75 x + 2.25עם המעגל שמרכזו ראשית הצירים ורדיוסו 10יח'. הראו ששני הקווים נחתכים בנקודות ) (1,3ו . (−3.16, −0.12) -בהסתמך על הנאמר לעיל הסיקו כי ). A(1,3 בהסתמך על הנתון בבעיה הסיקו כי הישר CDמקביל לישר ABונמצא במרחק של 1.4יח' ממנו .קבלו את המשוואה הכללית הבאה של הישר : AB −3 x + 4 y − 9 = 0 )(11.1 בהסתמך על משוואה זו ועל הנאמר לעיל על הישר , CDקבלו את המשוואה הבאה של הישר האחרון: −3 x + 4 y + c = 0 ורשמו שכאן cהוא מספר המקיים את השוויון הבא: = 1.4 ||c+9 (−3) 2 + 42 קבלו מכאן כי משוואת הישר CDהיא: −3x + 4 y − 2 = 0או −3x + 4 y − 16 = 0 )(11.2 הנקודה ) E (3,5נמצאת בין הישרים ABו , CD -כלומר היא נמצאת מתחת לאחד מהם ומעל השני .הראו כי הנקודה ) E (3,5נמצאת מעל הישר . ABלשם כך הציבו את שיעורי הנקודה באגף השמאלי של משוואה ) .(11.1עליכם לקבל מספר חיובי .לאחר מכן הציבו את שיעורי הנקודה באגף השמאלי של כל אחת מהמשוואות הרשומות בשורה ).(11.2 כאשר תציבו את שיעורי נקודה Eבאגף השמאלי של המשוואה −3x + 4 y − 2 = 0 תקבלו מספר חיובי .מכאן עליכם להסיק כי נקודה Eנמצאת מעל הישר שמשוואתו . −3 x + 4 y − 2 = 0 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 283 כאשר תציבו את שיעורי נקודה Eבאגף השמאלי של המשוואה −3x + 4 y − 16 = 0 תקבלו מספר שלילי .מכאן עליכם להסיק כי נקודה Eנמצאת מתחת לישר שמשוואתו . −3x + 4 y − 16 = 0 על סמך התוצאות עליכם להסיק כי המשוואה הבאה היא משוואה כללית של הישר : CD −3x + 4 y − 16 = 0 )(11.3 אילו כאשר הייתם מציבים את השיעורים של נקודה Eבאגף שמאלי של המשוואה האחרונה הייתם מקבלים מספר חיובי ,אז הייתם חייבים להסיק כי לבעיה אין פתרון. נקודה Dנמצאת ברביע הראשון ,והיא נקודת החיתוך של הישר CDעם המעגל שמרכזו הוא הנקודה ) A(1,3ורדיוסו 5יח' .פתרו את המערכת המורכבת ממשוואת המעגל האחרון וממשוואה ) (11.3של הישר . CDאתם חייבים לקבל את זוגות המספרים הבאים (4, 7) :ו . (1.24, −3.68) -בהסתמך על הנאמר לעיל הסיקו כי ). D(4, 7 לאחר שתגיעו לתוצאה זו תוכלו למצוא את משוואת הישר . ADהמשוואה הבאה היא המשוואה מפורשת של הישר האחרון: 4 5 x+ 3 3 =y הישר BCמקביל לישר ADונמצא במרחק של 1.4יח' ממנו .קבלו את המשוואה הכללית הבאה של הישר : AD −4 x + 3 y − 5 = 0 בהסתמך על משוואה זו ועל הנאמר לעיל על הישר , BCקבלו את המשוואה הבאה של הישר האחרון: −4 x + 3 y + c = 0 ורשמו שכאן cהוא מספר המקיים את השוויון הבא: = 1.4 ||c +5 (−4) 2 + 32 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 284 קבלו מכאן כי משוואת הישר BCהיא: −4 x + 3 y + 2 = 0או −4 x + 3 y − 12 = 0 הנקודה ) E (3,5נמצאת בין הישרים ADו , BC -כלומר היא נמצאת מתחת לאחד מהם ומעל השני .הראו כי הנקודה ) E (3,5נמצאת מתחת לישר . AD לאחר מכן הראו כי נקודה Eנמצאת מתחת לישר שמשוואתו −4 x + 3 y − 12 = 0ומעל הישר שמשוואתו . −4 x + 3 y + 2 = 0מכאן הסיקו כי המשוואה −4 x + 3 y + 2 = 0 מייצגת את הישר . BC −4 x + 3 y + 2 = 0 −3 x + 4 y − 9 = 0 −4 x + 3 y − 12 = 0 y C D −3 x + 4 y − 2 = 0 B E A ( x − 1) 2 + ( y − 3) 2 = 25 −3 x + 4 y − 16 = 0 x x 2 + y 2 = 10 −4 x + 3 y − 5 = 0 בעיה .12בריבוע ABCDקודקוד Aנמצא בנקודה ) , (3, 7קודקוד Bנמצא על ציר הy - וקודקוד Cעל ציר ה . x -מצאו את השיעורים של הקודקודים . D , C , B , A עקרונות הפתרון. הצלע ABשל הריבוע ABCDלא מאונכת לציר ה) . x -למה?( לכן לישר ABיש שיפוע. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 285 הישר ABעובר דרך הנקודה ) . (3, 7לכן אם נסמן את השיפוע של הישר ABב, m - נגיע למשוואה הבאה של ישר זה: ). y − 7 = m( x − 3 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: )(12.1 y = mx − 3m + 7 נקודה Bהיא נקודת החיתוך של הישר ABעם ציר ה . y -מכאן ומהמשוואה )(12.1 נובע כי )(12.2 xB = 0 , yB = −3m + 7 מתקיים: m≠0 וגם AB ⊥ BC )למה?( לכן )(12.3 1 m mBC = − על סמך שורות ) (12.2ו (12.3)-מקבלים את המשוואה הבאה של הישר : BC 1 )( x − 0 m y + 3m − 7 = − המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: )(12.4 x = − my − 3m 2 + 7 m נקודה Cהיא נקודת החיתוך של ישר BCעם ציר ה . x -מכאן וממשוואה ) (12.4נובע כי © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 286 yC = 0 )(12.5 xC = −3m 2 + 7 m , כעת אפשר להביע באמצעות mאת אורך הקטע ABוגם את אורך הקטע . BCאם ניעזר לאחר מכן בשוויון , AB = BCנקבל משוואה עם נעלם . mקבלו אותה בעצמכם. עליכם לקבל את המשוואה הבאה: 9 + 9m 2 = (−3m + 7) 2 + (−3m 2 + 7m) 2 נפתור אותה: 9 + 9m 2 = (−3m + 7) 2 + (−3m 2 + 7m) 2 ⇕ 9(m 2 + 1) = (−3m + 7) 2 + (−3m + 7) 2 m 2 ⇕ )9(m 2 + 1) = (3m − 7) 2 (m2 + 1 ⇕ (3m − 7) 2 (m2 + 1) − 9(m2 + 1) = 0 ⇕ (m2 + 1)[(3m − 7)2 − 32 ] = 0 ⇕ (m2 + 1)(3m − 7 − 3)(3m − 7 + 3) = 0 ⇕ (m2 + 1)(3m − 10)(3m − 4) = 0 מכאן )(12.6 4 10 = mאו 3 3 = .m כעת על סמך שורות ) (12.5) ,(12.2ו (12.6)-אפשר לקבל את השיעורים של נקודות Bו. C - © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 287 לאחר מכן אפשר למצוא את השיעורים של נקודה Dבעזרת נוסחאות לשיעורי אמצע קטע. תשובה D(−7,10) , C (−10, 0) , B(0, −3) :או ). D(7, 4) , C (4, 0) , B(0,3 y )D(−7,10 )A(3, 7 )D(7,4 x )B(0,3 )C(4,0 )C (−10, 0 )B(0, −3 הערה .אפשר להרכיב משוואה עם נעלם mגם בהסתמך על כך שהאלכסונים בריבוע חוצים זה את זה ומאונכים זה לזה. בעיה .13נתון מלבן . ABCDהישר ABעובר דרך נקודה ) ; E (8, 6הישר BCעובר דרך נקודה ) ; F (9, −1הישר CDעובר דרך נקודה ) ; G (2, −2הישר ADעובר דרך נקודה ) ; H (1,5צלעות המלבן לא מקבילות לצירי השיעורים. א( הוכיחו כי המלבן ABCDהוא ריבוע. ב( גם נתון 10 :יח' = . ABמצאו את השיעורים של קודקודי הריבוע . ABCD © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 288 עקרונות הפתרון לסעיף א'. עליכם להוכיח כי שתי צלעות סמוכות במלבן הנתון שוות זו לזו. A y )E (8, 6 )H (1,5 B D x )G (2, −2 )F (9, −1 C סמנו את השיפוע של הישר ABב , m -ופעלו בדרך הבאה: א( קבלו את המשוואה הבאה של הישר : AB )y − 6 = m( x − 8 ולאחר מכן את המשוואה הבאה של ישר זה: )(13.1 − mx + y + 8m − 6 = 0 ב( קבלו את המשוואה הבאה של הישר : CD )y + 2 = m( x − 2 ולאחר מכן את המשוואה הבאה של ישר זה: )(13.2 − mx + y + 2m + 2 = 0 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 289 ג( קבלו את המשוואה הבאה של הישר : BC 1 )( x − 9 m y +1 = − ולאחר מכן את המשוואה הבאה של ישר זה: x + my + m − 9 = 0 )(13.3 ד( קבלו את המשוואה הבאה של הישר : AD 1 )( x − 1 m y −5 = − ולאחר מכן את המשוואה הבאה של ישר זה: x + my − 5m − 1 = 0 )(13.4 ה( המרחק בין הישרים ABו CD -שווה לאורך הקטע , BCאך כדי לחשב את המרחק בין הישרים ABו CD -אפשר גם להיעזר בנוסחה הבאה לחישוב מרחק dבין הישרים ax + by + c1 = 0ו: ax + by + c2 = 0 - | | c1 − c2 )(13.5 a 2 + b2 =d בעזרת נוסחה זו ובהסתמך על משוואות ) (13.1ו (13.2)-קבלו כי )(13.6 | | 6m − 8 m2 + 1 = | )| (8m − 6) − (2m + 2 (− m) 2 + 12 = BC ו( בהסתמך על משוואות ) (13.3ו (13.4)-קבלו בעזרת נוסחה ) (13.5כי )(13.7 | | 6m − 8 m2 + 1 = | )| (m − 9) − (−5m − 1 2 1 +m 2 = . AB משורות ) (13.6ו (13.7)-נובע כי מתקיים: . AB = BC מכאן המלבן הנתון הוא ריבוע. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 290 עקרונות הפתרון לסעיף ב'. על סמך שורה ) (13.7והנתון בבעיה קבלו את המשוואה הבאה: = 10 | | 6m − 8 m2 + 1 העלו את המשוואה האחרונה )את שני אגפיה( בריבוע .תקבלו את המשוואה הבאה: (6m − 8) 2 = 100 m2 + 1 כאשר תפתרו את המשוואה האחרונה תקבלו כי שיפוע mשל הישר ) ABוגם השיפוע של 3 הישר ( CDשווה ל: − - 4 3 4 )(13.8 m=− לאחר מכן תוכלו למצוא את משוואות צלעותיו של הריבוע . ABCDלאחר שתקבלו את משוואות אלו ,תוכלו למצוא את שיעורי הנקודות C , B , Aו D -כשיעורי נקודות החיתוך של ישרים מתאימים. תשובה לסעיף ב'. D(−2,1) , C (6, −5) , B(12,3) , A(4,9) : הערה .אפשר להראות כי הנקודות G , F , Eו H -נמצאות על צלעות המלבן הנתון. הטענה שהנקודה ) E (8, 6נמצאת על הצלע ABשל הריבוע ABCDנובע מטענה הישר ABעובר דרך הנקודה ), E (8, 6 המתקיימת על פי הנתון בבעיה ,ומאי השוויונים הבאים: . x A < xE < xB אם ברצונכם להוכיח זאת בלי להיעזר בשיעורי הנקודות C , B , Aו , D -עליכם להוכיח כי הנקודות Eו G -נמצאות בין הישרים BCו , AD -ואילו הנקודות FוH - נמצאות בין הישרים ABו. CD - © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 291 בעיה .14מצאו את משוואת המעגל המשיק לציר ה x -והעובר דרך הנקודות ) A(1, −2ו- ). B(−1, −4 עקרונות הפתרון. משוואת המעגל שמרכזו ) M (a, bורדיוסו Rהיא ( x − a ) 2 + ( y − b) 2 = R 2 לכן הבעיה הנוכחית היא בעיה עם שלושה הנעלמים הבאים b , a :ו . R -הרכיבו שלוש משוואות עם שלושה נעלמים אלו. את שתי המשוואות הראשונות הרכיבו בהסתמך על כך שנקודות ) A(1, −2וB(−1, −4) - נמצאות על המעגל הנתון. את המשוואה השלישית הרכיבו בהסתמך על כך שהמעגל משיק לציר ה . x -הביאו בחשבון שאם מעגל משיק לציר ה x -ועובר דרך נקודה הנמצאת מתחת לציר זה ,אז גם מרכז המעגל נמצא מתחת לציר ה. x - מערכת המשוואות אשר תקבלו תהיה שקולה למערכת הבאה: (a − 1) 2 + (b + 2)2 = R 2 2 2 2 (a + 1) + (b + 4) = R R = −b לאחר שתחסרו מהמשוואה השנייה של המערכת האחרונה את המשוואה הראשונה שלה, ובמשוואה אשר תתקבל תבצעו פתיחת סוגריים וכינוס איברים דומים ,תקבלו את המערכת הבאה: (a − 1) 2 + (b + 2)2 = R 2 4a + 4b + 12 = 0 R = −b המערכת האחרונה שקולה למערכת הבאה: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 292 (a − 1) 2 + (b + 2)2 = R 2 a = −b − 3 R = −b כאשר תציבו במשוואה הראשונה של המערכת האחרונה לפי המשוואות השנייה והשלישית שלה ,תקבלו משוואה ריבועית עם הנעלם . bכאשר תפתרו משוואה זו תקבלו: b = −2או b = −10 עבור כל אחד מערכים אלו של bמצאו את aואת . R תשובה: ( x + 1) 2 + ( y + 2) 2 = 4או ( x − 7)2 + ( y + 10)2 = 100 בעיה .15מצאו את משוואות המשיקים למעגל ( x − 2)2 + ( y − 4) 2 = 25המקבילים לישר . 4 x + 3 y = 0 עקרונות הפתרון א'. מצאו את משוואת הישר העובר דרך מרכז המעגל הנתון ומאונך לישר . 4 x + 3 y = 0 לאחר מכן מצאו את נקודות החיתוך של הישר האחרון עם המעגל .עליכם לקבל את שתי 3 הנקודות הבאות . (−1, 0) , (5,8) :מצאו את משוואת הישר ששיפועו 4 3 נקודה ) . (5,8לאחר מכן מצאו את משוואת הישר ששיפועו גם הוא 4 −ואשר עובר דרך −אך הוא עובר דרך נקודה ) . (−1, 0שני הישרים הם המשיקים שאת משוואותיהם התבקשתם למצוא. תשובה. 3x + 4 y + 3 = 0 , 3x + 4 y − 47 = 0 : עקרונות הפתרון ב'. ישר ℓמשיק למעגל ( x − 2)2 + ( y − 4) 2 = 25ומקביל לישר 3x + 4 y = 0אך ורק אם 3 הוא מקיים את שני התנאים הבאים :א( השיפוע של ישר ℓשווה ל ; − -ב( לישר ℓ 4 ולמעגל הנתון יש נקודה אחת משותפת. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 293 על סמך התנאי הראשון מסיקים כי 3 ℓ: y = − x+n 4 לישר האחרון ולמעגל הנתון יש נקודה אחת משותפת אך ורק אם למערכת הבאה יש פתרון יחיד )וליתר דיוק -שני פתרונות שווים(: 3 y = − x + n 4 ( x − 2) 2 + ( y − 4) 2 = 25 הציבו במשוואה השנייה של מערכת זו לפי המשוואה הראשונה שלה ,וקבלו את המערכת הבאה: 3 y = − 4 x + n ( x − 2)2 + (− 3 x + n − 4) 2 = 25 4 הראו כי המשוואה השנייה במערכת האחרונה שקולה למשוואה הבאה: 25 x 2 + (32 − 24n) x + (16n 2 − 128n − 80) = 0 חשבו את הדיסקרימיננטה ∆ של המשוואה הריבועית האחרונה .עליכם לקבל: ∆ = −1024n 2 + 11264n + 9024 פתרו את המשוואה . ∆ = 0עליכם לקבל כי: 3 47 = nאו 4 4 n=− מכאן תוכלו להסיק כי המשוואה של אחד המשיקים למעגל הנתון המקבילים לישר 3 47 y = − x +ואילו המשוואה של המשיק השני היא 3x + 4 y = 0היא 4 4 3 3 . y = − x− 4 4 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 294 אף על פי שהדרך השנייה לפתרון הבעיה ארוכה בהרבה מהדרך הראשונה ,הכרתה עשויה לסייע לכם בעתיד. עקרונות הפתרון ג'. ישר ℓמשיק למעגל ( x − 2)2 + ( y − 4) 2 = 25ומקביל לישר 3x + 4 y = 0אך ורק אם הוא מקיים את שני התנאים הבאים :א( הישר ℓמיוצג על ידי משוואה כללית מן הצורה הבאה ; 3x + 4 y + c = 0 :ב( המרחק בין מרכז המעגל לישר ℓולמעגל הנתון שווה לרדיוס המעגל. עליכם להגיע למשוואה הבאה: =5 | | 3⋅ 2 + 4 ⋅ 4 + c 32 + 42 כאשר תפתרו את המשוואה האחרונה תקבלו כי c = −47או c = 3 מכאן תגיעו אל התשובה הרשומה לעיל. בעיה .16הנקודה ) M (10, 4היא אמצע המיתר המחבר את שתי נקודות הנמצאות על x2 y2 + אליפסה שמשוואתה = 1 625 25 .מצאו את השיעורים של קצוות המיתר. עקרונות הפתרון. אם תסמנו את קצוות המיתר ב A( x1 , y1 ) -ו , B( x2 , y2 ) -תוכלו להמשיך מכאן בדרך הבאה: הרכיבו מערכת של ארבע משוואות עם ארבעה הנעלמים הבאים. y2 , x2 , y1 , x1 : © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 295 את שתי המשוואות הראשונות הרכיבו בהסתמך על כך שהנקודות Aו B -נמצאות על x2 y2 + האליפסה שמשוואתה = 1 625 25 .את שתי המשוואות הבאות הרכיבו בהסתמך על כך שהנקודה ) M (10, 4היא אמצע הקטע . ABעליכם לקבל את המערכת הבאה: x12 y12 + =1 625 25 x2 2 y2 2 625 + 25 = 1 x1 + x2 = 10 2 y1 + y2 = 4 2 )(16.1 מכאן תוכלו להמשיך בשתי הדרכים הבאות: המשך א'. במשוואה השלישית של המערכת האחרונה בודדו את , x2ובמשוואה הרביעית של מערכת זו בודדו את ; y2לאחר מכן הציבו במשוואה השנייה של המערכת לפי המשוואות שיתקבלו מהמשוואות השלישית והרביעית .עליכם לקבל את המערכת הבאה: x12 y12 625 + 25 = 1 (20 − x1 )2 (8 − y1 ) 2 + =1 625 25 x2 = 20 − x1 y2 = 8 − y1 )(16.2 פתרו את המערכת © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 296 x12 y12 625 + 25 = 1 2 2 (20 − x1 ) + (8 − y1 ) = 1 625 25 )(16.3 המורכבת משתי המשוואות הראשונות של מערכת ) (16.2בדרך הבאה :החסירו מהמשוואה השנייה של מערכת ) (16.3את המשוואה הראשונה שלה ,ובודדו את ) x1או את ( y1במשוואה אשר תתקבל .לאחר מכן הציבו לפי התוצאה אשר תקבלו במשוואה הראשונה של המערכת המדוברת .תקבלו משוואה ריבועית עם הנעלם ) y1או עם הנעלם .( x1אני מקווה שמכאן תוכלו להמשיך בעצמכם. המשך ב'. מצאו את השיפוע של הישר ABבדרך הבאה: החסירו מהמשוואה השנייה של המערכת ) (16.1את המשוואה הראשונה שלה .תקבלו את המשוואה הבאה: x2 2 − x12 y2 2 − y12 + =0 625 25 משוואה זו שקולה למשוואה הבאה: )(16.4 ) ( y2 − y1 )( y2 + y1 ) ( x − x )( x + x =− 2 1 2 1 25 625 המשוואה השלישית במערכת ) (16.1שקולה למשוואה הבאה: )(16.5 x2 + x1 = 20 המשוואה הרביעית במערכת ) (16.1שקולה למשוואה הבאה: )(16.6 y2 + y1 = 8 הציבו במשוואה ) (16.4לפי משוואות ) (16.5ו .(16.6)-תקבלו את המשוואה הבאה: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 297 ) 8( y2 − y1 ) 20( x2 − x1 =− 25 625 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: x2 − x1 10 y2 − y1 = − כאשר תחלקו את המשוואה האחרונה ב , ( x2 − x1 ) -תקבלו: y2 − y1 1 =− x2 − x1 10 מכאן עליכם להסיק כי: mAB = −0.1 )(16.7 לאחר שתקבלו את שוויון ) (16.7יהיו ברשותכם השיפוע של הישר ABוהשיעורים של אחת הנקודות הנמצאות עליו .תוכלו למצוא את משוואת הישר ABולאחר מכן את השיעורים של הנקודות Aו B -כשיעורי נקודות החיתוך של ישר זה עם האליפסה הנתונה. לאמתו של דבר עליכם עוד להבהיר כי הנקודה Mהיא לא אמצע המיתר של האליפסה המונח על הישר . x = 10 תשובה. (20,3) , (0,5) : x2 y2 + בעיה .17באליפסה שמשוואתה = 1 a 2 b2 שווים זה לזה .1הוכיחו שכל צלע של המלבן הנתון מקבילה לאחד מצירי האליפסה. חסום מלבן .נתון כי צירי האליפסה לא 1כלומר נתון כי האליפסה אינה מעגל. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 298 עקרונות הפתרון. ראשית הוכיחו את הטענה הבאה: x2 y2 + עבור כל נקודה שנמצאת בתוך האליפסה שמשוואתה = 1 a 2 b2 )(17.1 ,ואינה מתלכדת עם ראשית הצירים ,קיים לא יותר מאשר מיתר אחד שהנקודה היא אמצעו. לאמתו של דבר אפשר להוכיח )אך אין בזה צורך עבור פתרון הבעיה הנוכחית( כי x2 y2 + עבור כל נקודה שנמצאת בתוך האליפסה שמשוואתה = 1 a 2 b2 ,ואינה מתלכדת עם ראשית הצירים ,קיים מיתר אחד ויחיד שהנקודה היא אמצעו. נציין גם שאם נוציא מטענה ) (17.1את הדרישה שלפיה הנקודה הנזכרת בטענה זו נמצאת בתוך האליפסה – שוב נקבל טענה נכונה. כדי להוכיח את טענה ) (17.1התבוננו בנקודה שרירותית Mהנמצאת בתוך האליפסה הנתונה ותניחו שאחד מקצוותיו של מיתר שהנקודה Mהיא אמצעו נמצא בנקודה ) ( x1 , y1והקצה השני – בנקודה ) . ( x2 , y2לאחר מכן הוכיחו כי מתקיים: ) ( y2 − y1 )( y1 + y2 ) ( x − x )( x + x =− 2 1 2 1 2 2 b a אם תתקשו בכך ,קראו את הנאמר בפתרון הבעיה הקודמת. בהסתמך על השוויון האחרון ועל כך שנקודה Mהיא אמצע הקטע המחבר את הנקודות ) ( x1 , y1ו , ( x2 , y2 ) -הוכיחו כי מתקיים: )(17.2 ( y2 − y1 ) yM (x − x )x = − 2 21 M 2 b a לאחר שתוכיחו את שוויון ) ,(17.2התבוננו במקרים הבאים :א( מתקייםx1 = x2 : yM ≠ 0 ,ב( מתקיים x1 ≠ x2 :וגם ; yM ≠ 0ג( מתקיים. yM = 0 , xM ≠ 0 : © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 299 הוכיחו בעזרת שוויון ) (17.2כי אין אף מיתר של האליפסה שעבורו מתקיים x1 = x2 . yM ≠ 0 , במקרה שבו מתקיים x1 ≠ x2וגם , yM ≠ 0תקבלו משוויון ) (17.2את השוויון הבא: y2 − y1 b2 x =− 2 M x2 − x1 a yM b 2 xM לאחר מכן היעזרו בכך שקיים ישר אחד ויחיד ששיפעו שווה ל- a 2 yM −ואשר עובר דרך נקודה Mנתונה. נציין שעליכם גם להוכיח שאם מתקיים , yM = 0 , xM ≠ 0אז המיתר באליפסה הנתונה שהנקודה Mהיא אמצעו נמצא על הישר שמשוואתו . x = xMגם את זה תוכלו להוכיח בעזרת שוויון ).(17.2 לאחר שתוכיחו את טענה ) (17.1תוכלו להוכיח כי )(17.3 נקודת המפגש של אלכסוני המלבן הנתון מתלכדת עם ראשית הצירים. לאחר שתוכיחו את טענה ) ,(17.3עליכם להיעזר בכך שקודקודי המלבן הנתון הם נקודות משותפות לאליפסה הנתונה ולמעגל כלשהו שמרכזו נמצא בראשית הצירים .2התבוננו במערכת הבאה: x2 y 2 2 + 2 =1 b a x2 + y 2 = R2 )(17.4 וגם במערכת הבאה: )(17.5 v u 2 + 2 =1 a b u + v = R 2 2קודקודיו של כל מלבן נמצאים על אותו מעגל שמרכזו הוא נקודת המפגש של אלכסוני המלבן ,מכיוון שאלכסוני המלבן שווים זה לזה וחוצים זה את זה. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 300 )את המערכת האחרונה מקבלים ממערכת ) (17.4בעזרת ההצבה הבאה.( y 2 = v , x 2 = u : הוכיחו כי למערכת ) (17.5יש פתרון יחיד .לאחר מכן הראו שאם זוג המספרים הסדור ) (u0 , v0הוא פתרון של מערכת משוואות זו ,אז א( למערכת ) (17.4יש ארבעה פתרונות שונים זה מזה אך ורק אם מתקייםu0 > 0 : וגם ; v0 > 0 ב( אם מתקיים u0 > 0 :וגם , v0 > 0אז פתרונות המערכת ) (17.4הם, ( u0 , v0 ) : ) ( u0 , − v0 ) , (− u0 , v0ו. (− u0 , − v0 ) - x2 y2 + בעיה .18הוכיחו כי לא קיימת על האליפסה = 1 100 64 אף נקודה שממנה רואים בזווית ישרה את הקטע המחבר את הנקודות ) A(−7, 0ו. B(7, 0) - עקרונות הפתרון. הוכיחו כי המקום הגיאומטרי של כל הנקודות שמהן רואים את הקטע ABבזווית ישרה הוא מעגל )להוציא הנקודות Aו ( B -שמשוואתו ) x 2 + y 2 = 49ראו פרק .(12לאחר מכן הראו כי למערכת המורכבת מהמשוואה האחרונה וממשוואת האליפסה הנתונה אין אף פתרון. בעיה .19המרובע ABCOהוא טרפז שווה שוקיים ,והצלעות ABו CO -הן בסיסיו. הנקודה Oהיא ראשית הצירים .הבסיס COשל הטרפז גדול פי שלושה מהבסיס . AB קודקוד Aשל הטרפז ABCOנמצא במרחקים שווים מן הישר x = −2ומן הנקודה ) , (2, 0קודקוד Cנמצא על ציר ה x -מימין לנקודה . Oמצאו את המקום הגיאומטרי של נקודות מפגש האלכסונים בטרפזים המקיימים את התנאים הנ"ל. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 301 עקרונות הפתרון. סמנו ב P -את נקודת מפגש האלכסונים בטרפז . ABCOהרכיבו מערכת של חמש משוואות עם ששת הנעלמים הבאים . yC , xC , y A , xA , yP , xP :עליכם לקבל את המערכת הבאה: y A2 = 8 x A yC = 0 3 x A + xC = xP 4 3 y A + yC = yP 4 xC = 2 xP הציבו במשוואה השלישית של מערכת זו לפי המשוואה החמישית שלה ,ובמשוואה הרביעית לפי המשוואה השנייה .תקבלו את המערכת הבאה: yA2 = 8 xA yC = 0 3 x A + 2 xP = xP 4 3 yA yP = 4 xC = 2 xP בודדו את xAבמשוואה השלישית של המערכת האחרונה ואת y Aבמשוואה הרביעית של המערכת .לאחר מכן הציבו לפי התוצאות שתקבלו במשוואה הראשונה של המערכת .בדרך זו תקבלו את המשוואה של המקום הגיאומטרי המדובר. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 302 y y 2 = 8x y 2 = 3x B A P x C )( xP , 0 )(2, 0 O x = −2 תשובה :פרבולה ) y 2 = 3 xלהוציא ראשית הצירים(. בעיה .20נתון מלבן שאורכו 8ס"מ ורוחבו 6ס"מ. מהו המקום הגיאומטרי של כל הנקודות במישור שסכום ריבועי מרחקיהן מצלעות המלבן גדול ב ( p > 0 ) p -מריבוע מרחקיהן מנקודת המפגש של אלכסוני המלבן. עקרונות הפתרון. בבעיה זו לא נתונה שום מערכת צירים .הבה נתבונן במערכת הצירים שבה קודקודי המלבן נמצאים בנקודות ) (4, −3) , (4,3) , (−4,3ו . (−4, −3) -במערכת צירים זו ציר ה- xחוצה את צלעות המלבן הנתון שאורכן 6ס"מ ,ציר ה y -חוצה את צלעות המלבן שאורכן 8ס"מ ,וראשית הצירים נמצאת בנקודת המפגש של אלכסוני המלבן. במערכת הצירים שבה בחרנו המקום הגיאומטרי המדובר הוא האוסף של כל הנקודות במישור המקיימות את המשוואה הבאה: ( x − 4)2 + ( x + 4)2 + ( y − 3) 2 + ( y + 3) 2 = x 2 + y 2 + p © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 303 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: x 2 + y 2 = p − 50 תשובה :אם , p > 50אז המקום הגיאומטרי הנתון הוא המעגל שמרכזו נמצא בנקודת מפגש אלכסוני המלבן; אם , p = 50אז המקום הגיאומטרי הנתון הוא נקודת מפגש אלכסוני המלבן; אם ) 0 < p < 50לפי הנתון ,( p > 0אז המקום הגיאומטרי המדובר הוא קבוצה ריקה. בעיה .21מצאו את משוואת המקום הגיאומטרי של מרכזי המעגלים המשיקים לישר שמשוואתו y = xומקצים על ציר ה y -את הקטע שאורכו 2יח'. עקרונות הפתרון. נסמן ב P -את מרכזו של מעגל שרירותי המקיים את כל התנאים הנזכרים בבעיה ,נסמן ב A -את הנקודה שבה הישר שמשוואתו y = xמשיק למעגל זה ,וב B -את נקודת החיתוך של המעגל ששיעור ה y -שלה גדול משיעור ה y -של נקודת החיתוך השנייה של המעגל עם ציר זה. אילו היו נתונים השיעורים של הנקודות Aו , B -היינו יכולים למצוא את שיעורי הנקודה . Pלכאורה עלינו להרכיב מערכת של חמש משוואות עם שישה הנעלמים הבאים: , yB , xB , y A , xA , yP , xPאך אם ניעזר בנוסחה לחישוב מרחק בין נקודה לישר ,נוכל להוציא את שיעורי הנקודה Aמרשימת הנעלמים ולנסות להרכיב מערכת של שלוש משוואות עם ארבעה הנעלמים הבאים . yB , xB , yP , xP :את אחת המשוואות אפשר לרשום מיד . xB = 0 :מהנאמר נובע כי בשלב הבא של פתרון הבעיה יש להרכיב שתי משוואות .לעומת זאת ,בהרבה בעיות שבהן נזכרים מעגלים שרדיוסיהם משתנים כאשר הנקודה Pנעה לאורך המקום הגיאומטרי עדיף להוסיף את הרדיוסים אל קבוצת הנעלמים. לכן סמנו ב R -את רדיוס המעגל ,והרכיבו מערכת של ארבע משוואות עם חמשת הנעלמים הבאים . R , yB , xB , yP , xP :כפי שכבר אמרנו ,את אחת המשוואות אפשר לרשום מיד. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 304 זאת המשוואה הבאה . xB = 0 :נותר לכם להרכיב שלוש משוואות .עליכם להגיע למערכת הבאה: | | xP − y P =R 2 2 2 2 ( xB − xP ) + ( y B − y P ) = R x = 0 B yB = yP + 1 או למערכת השקולה לה. y )B(0, yP + 1 P ) (0, yP R )(0, yP − 1 A y=x x 2 על סמך מערכת זו תוכלו לקבל את המשוואה הבאה של המקום הגיאומטרי המדובר: ( xP − y P ) 2 2 המשוואה האחרונה שקולה למשוואה הבאה: = xP 2 + 1 x P 2 + 2 x P y P − y P 2 = −2 תשובה: x 2 + 2 xy − y 2 = −2 © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 305 בעיה .22מצאו את משוואת המקום הגיאומטרי של מרכזי המעגלים המשיקים לציר הx - ומקצים על ישר שמשוואתו y = xקטע שאורכו 2יח'. עקרונות הפתרון. חיברתי בעיה זו כדי להדגים שוב כיצד בעזרת שימוש בתכונות של אורכי קטעים ובנוסחאות למרחקים אפשר לעתים להקטין את מספר הנעלמים שעבורם צריך להרכיב משוואות שבעזרתן אפשר למצוא את המשוואה של מקום גיאומטרי. התבוננו בציור שלהלן ונסו להרכיב מערכת של שתי משוואות עם שלושה הנעלמים הבאים. yP , xP , R : y y=x B 2 R M P R x A O 2 לשם כך היעזרו בנוסחה לחישוב מרחק בין נקודה לישר ובשוויון . BM 2 + MP 2 = BP 2 אשר מתקיים לפי משפט פיתגורס .עליכם להגיע למערכת הבאה: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה חלק ב' :לחכם די בשתי מילים 306 | yP |= R 2 2 | xP − y P | 2 1 + =R 2 למשוואה הראשונה במערכת זו תוכלו להגיע בלי להשתמש בנוסחה לחישוב מרחק בין נקודה לישר. תשובהx 2 − 2 xy − y 2 = −2 : הערה .אם בציור האחרון נסובב את צירי השיעורים סביב ראשית הצירים Oבזווית 135°בניגוד לכיוון השעון ,נקבל את הבעיה הקודמת .נסמן ב X -את השיעור הראשון במערכת הצירים אשר נבנתה על ידי הסיבוב המתואר לעיל .את השיעור השני במערכת זו נסמן ב . Y -בהסתמך על התשובה לבעיה 21אפשר לרשום את המשוואה הבאה של המקום הגיאומטרי המתואר בבעיה :22 X 2 + 2 XY − Y 2 = −2 )(22.1 אם X Eהוא השיעור הראשון של נקודה Eבמערכת הצירים החדשה ,ו YE -הוא השיעור השני של הנקודה במערכת צירים זו ,אז מהם שיעורי הנקודה Eבמערכת הצירים המקורית? מהם השיעורים xEו yE -של הנקודה ? E כדי לענות על שאלה זו סובבו את הווקטור OEסביב ראשית הצירים Oבזווית 135° בכיוון השעון .סמנו ב F -את סוף הווקטור אשר יתקבל באמצעות הסיבוב ,וענו על השאלה הבאה :מהו קשר בין שיעורי נקודה Eבמערכת הצירים החדשה לבין שיעורי נקודה Fבמערכת הצירים המקורית? התשובה לשאלה זו היא: X E = xF , YE = yF , מכאן ) X E + iYE = [cos(−135°) + i sin(−135°)]( xE + iyE על סמך השוויון האחרון מקבלים כי: © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה שיטות חשיבה בגיאומטריה אנליטית 307 2 2 ( xE − yE ), YE = − ) ( xE + y E 2 2 XE = − כאשר תציבו במשוואה ) (22.1לפי השוויונים 2 2 ( x − y ), X = − )( x + y 2 2 X =− תקבלו משוואה השקולה למשוואה x 2 − 2 xy − y 2 = −2הרשומה בתשובה לבעיה .20 מדוע חשוב לי לציין זאת? כדי להזכיר שתמיד יש מקום להתפתחות נוספת. © כל הזכויות שמורות למיכאל בלאוסוב – אין לצלם ולהעתיק ספר זה