ما هو جيب التمام وكيف يتم حسابه؟

يُعرف السهم أو جيب التمام (بالإنجليزية: Cosine)‏، إلى جانب الدوال المثلثية الأخرى في الرياضيات، بالنسب المثلثية. في هذا البحث، سنتعامل بشكل خاص مع الدالة المثلثية أو نسبة جيب التمام ونفحص خصائصها. بالطبع، أنت تعلم أن كلا من الجيب وجيب التمام مرتبطان ارتباطًا وثيقًا. هذا يعني أنه بمعرفة كل من هذه القيم لزاوية واحدة، يمكننا الحصول على الأخرى. أنت معتاد على الجيب وجيب التمام في رياضيات المدرسة الثانوية، لكنك ستواجه مثل هذه الوظائف حتى الخطوات الأخيرة من تعليمك الجامعي. ستجد آثارًا لهذه الوظائف في الفيزياء والميكانيكا والكيمياء وحتى الاقتصاد.

النسبة المثلثية لجيب التمام

لهذا السبب، نعرف جيب التمام والجيب كنسب مثلثية تعتمد على المثلث وزواياه. كما تعلم، كل مثلث له ثلاثة جوانب، ومن تصادم هذه الأضلاع تتشكل ثلاث زوايا. المثلث شكل بسيط وهو الأساس لإنشاء أشكال هندسية أخرى. ربما يمكن القول أنه بمساعدة المثلثات، يمكن صنع أي شكل محدب آخر.

أساس علم المثلثات هو “المثلث القائم الزاوية”. في الصورة أدناه، يمكنك أن ترى مثلثًا قائم الزاوية زاويته القائمة مربع (□) حيث تقاطع الضلعين BC و AC. تذكر أن مجموع الزوايا الداخلية للمثلث يساوي 180 درجة. لذلك، يمكن استنتاج أن مجموع الزاويتين B و A في الشكل أدناه يساوي الزاوية C. في الصورة أدناه، اعتبرنا أن أسماء الرؤوس هي نفس الزوايا.

ملاحظة: كما تعلم، يتم تعريف الدوال أو النسب المثلثية، مثل الجيب وجيب التمام، أو الظل وظل التمام وتطبيقها على الزوايا (وليس الرؤوس). لكن من المثير للاهتمام أن هذه النسب تُحسب بناءً على طول أضلاع مثلث الزاوية.

تتم كتابة جيب التمام لزاوية في مثلث قائم الزاوية بناءً على حجم الضلع المجاور للزاوية وطول الوتر. تذكر أن أطول ضلع في المثلث القائم يسمى الوتر. إذا أشرنا إلى الزاوية بالرمز θ، تتم كتابة دالة جيب التمام على النحو التالي وتسمى “جيب تمام زاوية ثيتا”.

في الصورة أعلاه، حددنا جوانب المثلث وفقًا لموقعهم بزاوية ثيتا (θ). بهذه الطريقة، نعتبر البيانات التالية لهم.

• الضلع المواجه للزاوية θ المشار إليه فيما بعد بالجانب المقابل.
• أطول طول لأضلاع المثلث، والذي سنسميه في هذا النص وتر المثلث القائم الزاوية. وهذا الضلع مجاور أيضًا للزاوية θ.
• الضلع الذي يصنع أحد أذرع الزاوية والمجاور لتلك الزاوية يسمى أيضًا الضلع المجاور.

باستخدام هذين الجانبين، يمكن حساب قيمة جيب التمام للزاوية θ على النحو التالي.

ملاحظة: باستثناء الزاوية اليمنى، يعتبر الوتر أحد جانبي الزاويتين الأخريين.

يمكن تعريف الدوال الزاويّة المثلثية الأخرى بنفس الطريقة. على سبيل المثال، جيب الزاوية سيكون النسبة بين الضلع المقابل للوتر. من ناحية أخرى، ظل هذه الزاوية هو النسبة بين الضلعين المتقابلين والمجاور للزاوية θ في مثلث قائم الزاوية.

في القسم التالي الخاص بتعريف الدوال المثلثية، مثل جيب التمام أو جيب الزاوية، نستخدم الدائرة المثلثية. لذلك من الأفضل التعرف أولاً على الدائرة المثلثية وخصائصها. يُظهر العمل مع الدائرة المثلثية الدوران وكذلك العلاقة بين النسب المثلثية والزاوية بشكل أفضل.

تعريف الدائرة المثلثية

ضع في اعتبارك دائرة مركزها (0 ، 0) ونصف قطرها واحد (وحدة واحدة). في الصورة أدناه، يمكن رؤية هذه الدائرة. قد يكون نصف قطر هذه الدائرة مترًا واحدًا، وكيلومترًا واحدًا و … لكن المهم هو النسب الموجودة في هذه الدائرة. نظرًا لأن النسبة، مثل النسبة المئوية، بلا وحدة، فإن حجم الدائرة (وحدة القياس الخاصة بها) ليس له أي تأثير على حجم النسب المثلثية.

ضع في اعتبارك قطعة مستقيمة تبدأ من أصل دائرة مثلثة وتشكل دائرة. سينشئ هذا الخط زاوية بالنسبة للمحور الأفقي، الذي نسمية θ. بناء على هذا الخط والدائرة المثلثية، يتم تعريف جميع النسب المثلثية على أنها جيب التمام. كما تعلم، يتم تقسيم الدائرة المثلثية إلى أربعة أجزاء أو أربعة أرباع بناءً على القسمة التي تم إنشاؤها على المحاور. في ما يلي، سنقدم هذه التقسيمات، واستنادًا إلى موقع الزاوية θ في كل من هذه الأرباع، سنعيد حساب خصائص النسب المثلثية.

لاحظ الشكل أدناه، والذي نحدد فيه الأطوال التي يتم بها تحديد زاويتي الجيب وجيب التمام. بالطبع، محاور الإحداثيات محددة جيدًا في هذه الصورة. يظهر المحور الأفقي مع x والمحور الرأسي بالحرف y. أنت تعلم أن المحاور في الإحداثيات الديكارتية متعامدة مع بعضها البعض. لذلك، فإن الشكل المتكون من زاوية تكونت في دائرة مثلثة هو مثلث قائم الزاوية.

نسمي مسافة تقاطع هذا الخط على المحور الأفقي من أصل الإحداثيات x، ونسمي أيضًا المسافة من هذه النقطة إلى نقطة الأصل على المحور الرأسي y. في الدائرة المثلثية، جيب تمام الزاوية θ يساوي x وجيب هو y. إذا عدنا من نظرية فيثاغورس بعد العلاقة بين x و y في المثلث القائم الزاوية، فسنصل إلى المعادلة التالية.

الجانب الأيمن من المعادلة العليا هو مربع طول وتر المثلث القائم الزاوية أو نصف قطر دائرة مثلثة. الآن نستبدل x بـ cos (θ) و y بـ sim(θ). بهذه الطريقة، يتم تشكيل الاتحاد المثلثي الأكثر أهمية.

لذلك، إذا لزم الأمر، يمكن الحصول على جيب الزاوية من زاوية جيب التمام، أو العكس. لاحظ العلاقة التالية.

لاحظ أن الحد الأقصى لقيمة الجيب وجيب التمام لزاوية، بالنظر إلى العلاقات المذكورة أعلاه، لن يكون أبدًا أكبر من 1. أيضًا، بالنسبة لزاوية درجة الصفر، تكون قيمة جيب التمام القصوى هي 1، ولزاوية 90 درجة، تكون قيمة جيب التمام هي صفر. للجيب يتم عكس هذه القيم. أي بالنسبة لزاوية درجة الصفر، الجيب يساوي صفرًا، والزاوية 90 درجة، الجيب يساوي 1.

في الصورة أدناه، لاحظنا وقارننا موضع كل زاوية بالإضافة إلى علامة النسب المثلثية للجيب وجيب التمام. الأجزاء الملونة في الصورة أدناه هي أرباع مثلثية.

وهكذا يتضح أن الدائرة المثلثية بها أربعة أرباع أو أجزاء. علامات + و -، التي تظهر بجوار محوري الجيب وجيب التمام في الصورة أعلاه، تحدد مناطق مختلفة بعلامة كل من نسب الجيب وجيب التمام. على سبيل المثال، المنطقة الأولى المميزة باللون الوردي لها قيمة موجبة لكل من النسب المثلثية للجيب وجيب التمام. من ناحية أخرى، المنطقة الثانية أو الخضراء لها قيم جيب موجبة لكن جيب التمام سالب لزوايا هذه المنطقة. في المنطقة ذات اللون الأزرق الفاتح، بالنسبة لجميع الزوايا، تكون النسب المثلثية للجيب وجيب التمام سالبة، ولكن في الجزء الأزرق الساطع، توجد زوايا جيب سالبة و جيب التمام موجبة.

لاحظ أن علامة + و – بجوار المحور الأفقي (جيب التمام)، تشير إلى علامة جيب التمام والرموز الموجودة بجانب المحور الرأسي (الجيب) تشير إلى علامة الجيب. فيما يلي، سترى زوايا الجيب الشهيرة والمستخدمة على نطاق واسع.

ملاحظة: لترقيم هذه الأقسام في دائرة مثلثية، يكون عكس اتجاه عقارب الساعة. في معظم الحالات، يعتبر اتجاه عكس عقارب الساعة في الرياضيات للوظائف المتناوبة. بالطبع، يمكن بسهولة النظر في الاتجاه المعاكس ويمكن استخدام حسابات مماثلة.

دالة جيب التمام كدالة دورية

نظرًا لتواتر دالتَي الجيب وجيب التمام، يمكن ترسيم رسم بياني لهما في الإحداثيات الديكارتية ويمكن عرض النسب الزاويّة والمثلثية المقابلة في الدائرة المثلثية. يتم ذلك في الصورة أدناه.

وفقًا للرسوم المتحركة المقترحة، يتم تمثيل دورية وظيفة الجيب بشكل جيد. كما ترى في الرسم المتحرك أدناه، تم رسم دالة جيب التمام باللون الأزرق. في الجزء السفلي، يتم أيضًا تمييز وظيفة الجيب باللون الأحمر.

في الصورة أعلاه، تم تمييز الدائرة المثلثية على اليمين أيضًا باللون الأخضر، والنقطة التي تدور باللون الأخضر داخل الدائرة تشير إلى الزاوية. يستخدم اللون الأصفر أيضًا لتمثيل الزاوية المرغوبة θ ويمكن رؤية قيم النسب المثلثية لكل من الجيب وجيب التمام بالتناوب في الرسم البياني. نعني بالدوران أنه إذا قمنا بالدوران أكثر من مرة حول دائرة مثلثية، فسوف تتكرر قيمة الجيب أو جيب التمام للزوايا، ومع كل دوران سنصل إلى نفس القيم كما في السابق.

وفقًا للصورة أعلاه، من الواضح أن فرق الطور أو انزياح الزاوية للنسب المثلثية للجيب وجيب التمام هو 90 درجة. هذا يعني أن قيمة الجيب لزاوية ما تساوي قيمة جيب التمام لتلك الزاوية زائد 90 درجة (أو π/2  ثانية). لاحظ المعادلات التالية.

سنفعل الشيء نفسه بالنسبة إلى الجيب، ولكن يجب أيضًا الانتباه إلى علامة الجيب وجيب التمام في كل من الأرباع.

ملاحظة: تُعرف حركة البندول بالحركة المتناوبة التي يتم فيها تحديد الموقع الهندسي للبندول من خلال الدوال المثلثية.

جدول قيمة جيب التمام للزوايا شائعة الاستخدام

نريد في هذا القسم تحديد قيم الجيب وجيب التمام للزوايا الأكثر استخدامًا. كما ترى في الصورة أدناه، فإن الزوايا على الدائرة المثلثية مرئية من حيث “عدد باي” او π. يمكن تمييز الإحداثيات التي تظهر على محيط الدائرة بمكونين. المكون الأول، الذي يمثل طول النقطة، هو قيمة جيب التمام، والمكون الثاني، الذي يحدده الجيب.

تذكر أنه في الإحداثيات الديكارتية، يتم تمثيل كل نقطة في الفضاء ثنائي الأبعاد بمكونين. المكون الأول يسمى الطول والمكون الثاني يسمى عرض تلك النقطة. تظهر هذه الحالة على أنها (x ، y). من الواضح أن x هو الطول و y‌ هو عرض النقطة.

كما ترون في الصورة أعلاه، كلما زادت الزاوية في الربع الأول، يقل جيب التمام لكن الجيب يزداد. بالنسبة للزاوية π/2 او 90 درجة فصاعدًا، أي الربع الثاني، ينقلب هذا الوضع ويتناقص الجيب وتتزايد القيمة المطلقة لجيب التمام.

لتسهيل فهم ذلك، قمنا بإعداد الجدول التالي الذي يقارن قيم الجيب وجيب التمام للزوايا المهمة (بالدرجات والراديان). أنت تعلم أن الدرجات والراديان، وكذلك الغراد (بالإنجليزية: grad)، هي ثلاث وحدات لقياس الزاوية. من ناحية أخرى، نحتاج إلى معرفة أن قيمة الجيب أو جيب التمام وأي نسبة مثلثية، نظرًا لأنها تتكون من قسمة قيمتي طول الضلعين، فهي بلا وحدة.

جدول المقارنة لقيم الجيب وجيب التمام للزوايا مع قيمة معكوسة لجيب التمام:

يشير العمود الأخير من الجدول أعلاه إلى معكوس جيب التمام للزوايا. توضح المقارنة بين العمودين الرابع والخامس هذا الأمر جيدًا. يمكن أيضًا التحقق من العلاقة بين الجيب وجيب التمام في العمودين الثالث والرابع.

في الربع الثالث أو π، یعنی زاوية 180 درجة وما بعده، لا تزال القيمة المطلقة للجيب تتزايد، لكن القيمة المطلقة لجيب التمام تتناقص. بزاوية 2π/3 فصاعدًا أو في الربع الرابع، ستتناقص القيمة المطلقة للجيب ولكن جيب التمام سيزداد.

ملخص

الجيب وجيب التمام، والمعروفان بالوظائف المثلثية الأساسية، هما الموضوع الرئيسي لهذا النص. تم عرض حساب النسب المثلثية من حيث الزوايا المختلفة في الجداول، كما تم تعريف القراء ببعض الاتحادات المثلثية. من المهم معرفة أن التعريفات الأساسية يتم إنشاؤها حسب الحاجة لحل مشاكل العالم الحقيقي. الدوال المثلثية ليست استثناء من هذه القاعدة، ولهذا السبب تم اختراع الأشكال الهندسية لقياس وتحديد طول الأضلاع. من ناحية أخرى، لديهم تطبيقات واسعة في مختلف العلوم، لا سيما الهندسة الميكانيكية والهندسة المدنية والكهرباء وحتى الفيزياء والكيمياء.