مقالة في الهندسة

مبرهنة ستيوارت

قانون واحد للمتوسط والارتفاع ومنصف الزاوية

نرسم قطعة من رأس مثلث إلى ضلع يقابله. كيف نحسب طولها؟ قد تكون متوسطًا، أو ارتفاعًا، أو منصفًا للزاوية، وقد تكون قطعة لا تتمتّع بأيّ صفة خاصة. تربط مبرهنة ستيوارت طول هذه القطعة بأضلاع المثلث وبموضع نهايتها على الضلع المقابل، وتجمع هذه الحالات في علاقة واحدة.

الأستاذ خالد خطيب

نعرف أنّ المتوسط يقسم الضلع إلى قسمين متساويين، وأنّ الارتفاع عموديّ على المستقيم الذي يقع عليه الضلع، وأنّ منصف الزاوية يقسم الزاوية إلى زاويتين متساويتين. هذه خواص مختلفة؛ فهل يمكن أن نعالج أطوال القطع الثلاث بالأداة نفسها؟ لنبدأ بقطعة عامة، ثم نرى ما الذي يتغيّر عندما نفرض عليها كلّ واحدة من هذه الخواص.

المبرهنة

مبرهنة ستيوارت

ليكن ABC مثلثًا غير منعدم، ولتكن D نقطة داخل الضلع BC. نرمز إلى الأطوال كما يأتي:

حيث . عندئذٍ:

ومنها نحصل مباشرة على مربع طول القطعة:

cbdmnABCD
القطعة البرتقالية هي AD. الطرف الأيسر من القانون يجمع مربعَي الضلعين، وكلّ منهما مضروب في الجزء المقابل له على الضلع BC.

ولتثبيت ترتيب الحدود، يمكن كتابة القانون بأسماء القطع نفسها:

وجود القطعة داخل المثلث لا يجعلها متوسطًا أو ارتفاعًا أو منصفًا للزاوية. تنطبق المبرهنة على أيّ موضع للنقطة D داخل الضلع.

جرّبوا بأنفسكم

اسحبوا الرؤوس أو النقطة D، وراقبوا كيف تتغيّر الأطوال بينما يبقى طرفا المساواة متساويين. ثم اختاروا المتوسط أو الارتفاع أو منصف الزاوية: ما الخاصية التي تحدّد موضع D في كلّ حالة؟

اختاروا نوع القطعة

cbdmnABCD

حرّكوا D على الضلع.

a = 14b = 15c = 13m = 4n = 10

الطرف الأيسر

2590
cm³

الطرف الأيمن

2590
cm³

طول AD

12.042
سم

طرفا المساواة متساويان.

الأطوال موجبة، وD داخل الضلع BC.

يمكن سحب A وB وC. تُسحب D في وضع القطعة العامة، أو تُحرّك بمزلِق الموضع. يمكن أيضًا تحريك نقطة محددة بمفاتيح الأسهم.

لمحة تاريخية

تحمل المبرهنة اسم الرياضي الاسكتلندي ماثيو ستيوارت، الذي نشر النتيجة في كتابه Some General Theorems of Considerable Use in the Higher Parts of Mathematics سنة 1746. وتكشف دراسة ماكاي التاريخية عن صلتها بنتائج أستاذه روبرت سيمسون؛ لذلك فاسم المبرهنة لا يختصر وحده قصة ظهورها. [1]

برهان: زاويتان تتكاملان، وحدّان يختفيان

الفكرة هي تطبيق قانون جيوب التمام في المثلثين ABD وACD، ثم جمع المعادلتين بأوزان تلغي الحدّ المثلثاتي.

  1. نثبت الزاوية

    لأنّ B وD وC على استقامة واحدة:

  2. نكتب قانون جيوب التمام مرتين

    تغيّرت إشارة الحدّ الأخير لأنّ جيب تمام الزاوية المكملة يساوي سالب جيب تمام الزاوية الأصلية.

  3. نختار الأوزان

    نضرب المعادلة الأولى في n والثانية في m، ثم نجمع. يُلغى الحدّان اللذان يحتويان على جيب التمام، فنحصل على:

    وبما أنّ ، نحصل على مبرهنة ستيوارت:

    ■

ثلاث حالات خاصة

1. المتوسط — תיכון

لتكن M نقطة منتصف BC، ولنرمز إلى طول المتوسط AM بالرمز . عندئذٍ . بالتعويض في ستيوارت والقسمة على a:

وبأسماء القطع:

المتوسط يقسم الضلع إلى نصفين؛ أمّا تعامده مع الضلع فلا يُفترض في مثلث عام.

2. الارتفاع — גובה

لتكن H قدم العمود من A على المستقيم BC، وليكن طول الارتفاع. إذا كانت H داخل الضلع، فإنّ وضع D=H يعطي:

ولحساب الارتفاع من الأضلاع وحدها، نأخذ x الإسقاط الموجّه للقطعة BA على الاتجاه من B إلى C. من فيثاغورس:

بطرح المعادلتين نجد:

ثم:

إذا وقعت H على امتداد الضلع، فقد يكون x<0 أو x>a. تبقى صيغة الارتفاع الأخيرة صحيحة؛ أمّا صيغة ستيوارت الأولى بالأطوال الموجبة فكانت مفروضة لنقطة داخل الضلع.

3. منصف الزاوية الداخلي — חוצה זווית פנימי

لتكن L نقطة التقاء منصف الزاوية A مع BC، ولنرمز إلى طوله بالرمز . مبرهنة منصف الزاوية تعطينا:

بالتعويض في الطرف الأيسر من ستيوارت:

وبالقسمة على a نحصل على:

منصف الزاوية يقسم الضلع بنسبة الساقين المجاورتين للزاوية؛ وتتساوى القطعتان على الضلع عندما تتساوى هاتان الساقان.

ABCHMLhmℓ
ثلاث قطع من الرأس نفسه: الارتفاع بالأزرق، منصف الزاوية بالذهبي، والمتوسط بالأخضر. مواضع H وL وM مختلفة في هذا المثلث.

أيّ القطع الثلاث أقصر؟ ومتى تتطابق؟

في أيّ مثلث، وبالنسبة إلى القطع الخارجة من الرأس نفسه:

الارتفاع أقصر قطعة تصل الرأس بالمستقيم المقابل، ولذلك لا يزيد طوله على طول منصف الزاوية. ولمقارنة المنصف بالمتوسط، نطرح مربعَي الصيغتين:

من متباينة المثلث نعرف أنّ a<b+c، لذا فإنّ العامل داخل القوس موجب. إذن طول منصف الزاوية لا يزيد على طول المتوسط، وتتساوى أطوال القطع الثلاث إذا وفقط إذا كان b=c، أي AB=AC. في هذه الحالة تتطابق القطع فعلًا: تنتهي جميعها عند منتصف الضلع BC.

مثال عددي: أربعة أطوال في مثلث واحد

الأطوال التالية بالسنتيمتر، والنقطة D تقسم الضلع بنسبة معلومة:

جدوا AD، ثم قارنوه بالمتوسط والارتفاع ومنصف الزاوية من A.

حلّ المثال خطوة بخطوة

أولًا نحدّد جزأي الضلع:

نطبّق ستيوارت، مع الانتباه إلى ترتيب الأوزان:

نأخذ الجذر الموجب لأنّنا نحسب طولًا. ويعطي تطبيق الصيغ الخاصة باقي الأطوال:

القطعةتقسيم الضلعالطول بالسنتيمتر
ADBD=4, DC=10
المتوسط AM
الارتفاع AH
المنصف AL

الفروق صغيرة في هذا المثال، لكنها تكفي لتوضّح أنّ معرفة نوع القطعة هي التي تحدّد طولها.

سؤال للقرّاء: قطعتان تقسمان الوتر

في المثلث ABC القائم الزاوية عند A، تقسم النقطتان D وE الوتر BC إلى ثلاثة أجزاء متساوية، بهذا الترتيب:

برهنوا أنّ:

ABCDEcbpqa/3a/3a/3
لا يُشترط تساوي الساقين. المطلوب هو مجموع مربعَي القطعتين الداخليتين، لا طول كلّ واحدة منهما منفردة.
تلميح

طبّقوا ستيوارت على AD، ثم على AE. كيف تتبادل الأوزان في المعادلتين؟ وماذا يحدث عند جمعهما؟

الحلّ الكامل — حاولوا أولًا

نرمز كالعادة BC=a، AC=b، AB=c، ونضع:

  1. نطبّق ستيوارت على القطعة الأولى

    لأنّ BD=a/3 وDC=2a/3:

  2. نطبّقها على القطعة الثانية

    هنا BE=2a/3 وEC=a/3، ولذلك:

  3. نجمع، ثم نستعمل الزاوية القائمة

    بما أنّ المثلث قائم عند A، فإنّ:

    إذن:

    وهذا هو المطلوب.

    ■

السؤال مبنيّ على تمرين في ملاحظات ميشا لافروف للتدريب على الهندسة؛ الصياغة والشرح والرسومات هنا أُعدّت لهذه المقالة. [2]

حين نقرأ ستيوارت، فإنّ الجزأين m وn يحملان معلومة البناء الهندسي: تساويهما يحدّد المتوسط، ونسبتهما تحدّد منصف الزاوية، والتعامد يقود إلى الارتفاع. القانون الواحد يتيح لنا الانتقال من رسم نراه إلى علاقة نستطيع أن نبرهنها ونحسب بها.

المراجع

  1. J. S. Mackay, Matthew Stewart’s Theorem — Proceedings of the Edinburgh Mathematical Society, 10 (1891), 90–94. DOI: 10.1017/S0013091500031072.
  2. Misha Lavrov, Geometry — Theorems about triangles — ARML practice, 15 December 2013, pp. 6–10.
رياضيات مع خالد · الأستاذ خالد خطيب
mathbagrut.com