পাঠ ৭ / ১৩অনুচ্ছেদ ২.৯ (+ ২.৩, ২.৭.৩)
ত্রিমাত্রিক স্থানাঙ্ক: i, j, k, অবস্থান ভেক্টর ও দিক কোসাইন (3D)3-D coordinates: i, j, k, position vectors & direction cosines
তোমার ঘরে একটি মাছি উড়ছে। বন্ধুকে ফোনে বলতে হবে মাছিটি ঠিক কোথায় — “জানালার কাছে, একটু ওপরে” বললে চলবে না। ঘরের এক কোণকে শুরু ধরে নিচের স্লাইডারগুলো টেনে মাছিটি ধরো, আর ছবিটি আঙুল দিয়ে ঘুরিয়ে দেখো:
ঘরের ভেতর যেকোনো জায়গা বোঝাতে কয়টি সংখ্যা লাগে? মেঝে বরাবর দুই দিকে কত, আর ওপরে কত — ঠিক তিনটি। এই তিন সংখ্যা দিয়ে একটি ভেক্টর লেখা যায়, যার মান আর দিক দুটোই হিসাব করা যায়। চলো ধাপে ধাপে দেখি।
এই পাঠে ধাপে ধাপে এগোব:
- ত্রিমাত্রিক স্থানাঙ্ক ব্যবস্থা (3-D coordinate system) আর আয়ত একক ভেক্টর (rectangular unit vectors)
- অবস্থান ভেক্টর (position vector) আর তার মান
- দুই বিন্দুর সংযোগকারী ভেক্টর আর দূরত্ব (distance)
- উপাংশ দিয়ে যোগ-বিয়োগ আর একক ভেক্টর
- দিক কোসাইন (direction cosines)
- সমতলে প্রক্ষেপ (projection on a plane)
- সমরেখ বিন্দু (collinear points)
- সময়ের সাথে বদলানো অবস্থান ভেক্টর — গতিপথ (trajectory)
- এবার নিজে করে দেখো — ijk ত্রিমাত্রিক ল্যাব
ধাপ ১: তিন অক্ষ আর î, ĵ, k̂
আগের পাঠে (উপাংশে বিভাজন) তুমি সমতলে x আর y অক্ষ নিয়ে কাজ করেছ। ঘরটা কিন্তু সমতল নয় — তৃতীয় একটি দিক লাগে: ওপরে। একটি বিন্দু O (মূলবিন্দু, origin) থেকে পরস্পর লম্ব (mutually perpendicular) তিনটি সরলরেখা টানো — x, y আর z অক্ষ। ঘরের কোণে মেঝের দুই কিনারা আর দুই দেয়ালের সংযোগরেখা ঠিক এমন তিনটি অক্ষ।
প্রতিটি ধনাত্মক অক্ষ বরাবর একটি একক ভেক্টর (unit vector) নেওয়া হয় — মান 1, কাজ শুধু দিক জানানো:
অক্ষগুলো কোন ক্রমে সাজানো, সেটাও ঠিক করা আছে: ডান হাতি ব্যবস্থা (right-handed system)। ডান হাতের চার আঙুল +x থেকে +y-এর দিকে মোড়ালে বুড়ো আঙুল যেদিকে থাকে, সেটি +z। ভেক্টর গুণনের পাঠে (cross product) এটিকে লেখা হবে ।
মেঝেতে +x অক্ষ পূর্ব দিকে আর +y অক্ষ উত্তর দিকে। ডান হাতি ব্যবস্থায় +z কোন দিকে?
ধাপ ২: অবস্থান ভেক্টর আর তার মান
মূলবিন্দু O থেকে কোনো বিন্দু P(x, y, z) পর্যন্ত টানা ভেক্টরকে P-এর অবস্থান ভেক্টর (position vector) বলে। শুরুর মাছির খেলায় যা করেছ: x ঘর বরাবর, তারপর y ঘর বরাবর, তারপর z ঘর বরাবর — তিনটি তীর মাথা-লেজ জুড়ে দিলে লব্ধি
এখানে হলো -এর উপাংশ (components)। এর মান বের করতে দুটি সমকোণী ত্রিভুজ লাগে। নিচে “বাক্স দেখাও” চাপো, তারপর ত্রিভুজ দুটি একে একে চালু করো:
- মেঝেতে : বিন্দুতে সমকোণ, তাই ।
- খাড়া : খাড়া আর মেঝেতে, তাই বিন্দুতে সমকোণ: ।
উদাহরণ: হলে , আর ।
r = 2î − 3ĵ + 6k̂ হলে |r| কত?
ধাপ ৩: দুই বিন্দুর সংযোগকারী ভেক্টর
P আর Q বিন্দুর অবস্থান ভেক্টর আর । O থেকে P, তারপর P থেকে Q গেলে মোট সরণ O থেকে Q-এর সমান (ত্রিভুজ সূত্র): । তাই
মনে রাখো: শেষ বিন্দু বিয়োগ শুরু বিন্দু। উল্টো করলে — মান একই, দিক উল্টো।
P(1, 2, 3) থেকে Q(4, 6, 3) পর্যন্ত দূরত্ব কত?
ধাপ ৪: উপাংশ দিয়ে যোগ-বিয়োগ আর একক ভেক্টর
আর হলে একই একক ভেক্টরের উপাংশ আলাদা করে যোগ-বিয়োগ করা যায় (কারণ পরস্পর লম্ব, একে অন্যের ওপর কোনো প্রভাব নেই):
যেকোনো ভেক্টরকে তার মান দিয়ে ভাগ করলে সেই দিকের একক ভেক্টর:
উদাহরণ: , হলে , , আর লব্ধির দিকে একক ভেক্টর ।
A = î + 2ĵ − k̂, B = 2î − ĵ + 3k̂ হলে A − B কোনটি?
ধাপ ৫: দিক কোসাইন
3D-তে একটি কোণ দিয়ে দিক বোঝানো যায় না। তাই তিন ধনাত্মক অক্ষের সাথে যে তিনটি কোণ করে — (x-এর সাথে), (y-এর সাথে), (z-এর সাথে) — সেগুলোর কোসাইন নেওয়া হয়। এদের বলে দিক কোসাইন (direction cosines):
কেন? -এর মাথা থেকে x-অক্ষে লম্ব টানলে একটি সমকোণী ত্রিভুজ হয়, যার অতিভুজ আর O-সংলগ্ন বাহু । নিচে কোণ বেছে ত্রিভুজটি দেখো, আর স্লাইডার টেনে ভেক্টর ঘোরাও:
l = 0.456, m = 0.684, n = 0.570 · α = 62.9°, β = 46.9°, γ = 55.3°
l² + m² + n² = 0.208 + 0.468 + 0.325 = 1.000
তিনটি বর্গ যোগ করো: — সব ভেক্টরের জন্য। আরও খেয়াল করো, আসলে , অর্থাৎ একক ভেক্টরের উপাংশই দিক কোসাইন।
উদাহরণ: , , , তাই x-অক্ষের সাথে কোণ ।
কোনো ভেক্টর কি তিন অক্ষের প্রতিটির সাথে 45° কোণ করতে পারে?
ধাপ ৬: সমতলে প্রক্ষেপ
ভেক্টরটির ওপর থেকে আলো ফেললে মেঝেতে (XY সমতল) যে ছায়া পড়ে, তা-ই XY সমতলে তার প্রক্ষেপ (projection)। হিসাব খুব সহজ: যে অক্ষ সমতলের লম্ব, সেই উপাংশটি বাদ দাও।
| সমতল (plane) | যে উপাংশ বাদ যায় | -এর প্রক্ষেপ | দৈর্ঘ্য |
|---|---|---|---|
| XY | z | ||
| YZ | x | ||
| ZX | y |
পুরো ভেক্টরের মান — কোনো প্রক্ষেপ এর চেয়ে বড় হতে পারে না। নিচের ল্যাবে XY, YZ, ZX বোতাম চাপলে ছায়াগুলো ড্যাশ তীরে দেখাবে।
3î + 4ĵ + 12k̂-এর XY সমতলে প্রক্ষেপের দৈর্ঘ্য কত?
ধাপ ৭: সমরেখ বিন্দু
A, B, C তিনটি বিন্দু এক সরলরেখায় (collinear) থাকলে আর একই রেখা বরাবর — একটি অন্যটির স্কেলার গুণিতক:
উপাংশে লিখলে তিনটি অনুপাত সমান হতে হবে: (যে উপাংশের হর শূন্য, তার লবও শূন্য হতে হবে)।
উদাহরণ: অবস্থান ভেক্টর , , । , । y থেকে , তাই , অর্থাৎ ।
অবস্থান ভেক্টর −2î + 3ĵ + 5k̂, î + 2ĵ + 3k̂ আর 7î − k̂ — বিন্দু তিনটি কি সমরেখ?
ধাপ ৮: সময়ের সাথে বদলানো অবস্থান ভেক্টর
উপাংশগুলো যদি সময় -এর ওপর নির্ভর করে, বিন্দুটি চলতে থাকে, আর -এর মাথা একটি গতিপথ (trajectory) আঁকে। যেমন
এখানে আর । বসালে , অর্থাৎ — একটি পরাবৃত্ত (parabola), যার শীর্ষ । t স্লাইডার টেনে দেখো:
এই ধারণা থেকেই পরে বেগ আর ত্বরণ আসবে: (ভেক্টর ক্যালকুলাসের পাঠে)।
r = tî + t²ĵ হলে কণাটির গতিপথ কী?
ধাপ ৯: এবার নিজে করে দেখো
নিচের ত্রিমাত্রিক ল্যাবে তিনটি পর্যন্ত ভেক্টর A, B, C বসাও (C-এর পাশে টিক দিলে C চালু হয়):
- প্রতিটি ঘরে x, y, z উপাংশ লেখো। দৃশ্যটি নিজে থেকে মাপ বদলায় — 60î-এর মতো বড় সংখ্যাও ধরে যায় (ব্যাজে “এক ঘর = …” দেখো)।
- সারণিতে প্রতিটি ভেক্টরের উপাংশ, মান, একক ভেক্টর আর α, β, γ দেখাবে।
- যোগফল, A − B আর AB (দুই মাথার মধ্যের ভেক্টর ও দূরত্ব) চালু করো; XY / YZ / ZX বোতামে প্রক্ষেপ দেখো।
- আঙুল টেনে ঘোরাও; দুর্বল ফোনে “সমতলে দেখাও” চাপলে স্থির ছবি আসবে।
- চ্যালেঞ্জগুলো শেষ করো, আর খাতায় লেখো চেপে মাপগুলো পর্যবেক্ষণ খাতায় রাখো।
ijk ত্রিমাত্রিক ল্যাব
ijk space 3D — position vectors, direction cosines, projectionsA আর B সবসময় চালু; C-এর পাশের বাক্সে টিক দিলে C যোগ হয়। বিন্দু হিসেবে ভাবলে A, B, C হলো তিনটি বিন্দুর অবস্থান ভেক্টর।
| ভেক্টর | উপাংশ (components) | মান | একক ভেক্টর | α | β | γ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A | 4î + ĵ + 3k̂ | √26 = 5.10 | 0.784î + 0.196ĵ + 0.588k̂ | 38.33° | 78.69° | 53.96° |
| B | î + 2ĵ − 2k̂ | 3.00 | 0.333î + 0.667ĵ − 0.667k̂ | 70.53° | 48.19° | 131.81° |
চ্যালেঞ্জ (challenges)
0/6- A = 10î − 12ĵ + 16k̂, B = 4î + 5ĵ − 12k̂ (C বন্ধ) নিয়ে যোগফল আর AB চালু করো। |A + B| আর |AB| কত?
- A = 2î + 3ĵ − 5k̂, B = î − 2ĵ + 3k̂। C কত হলে A + B + C = ĵ হয়? C চালু করে খুঁজে বের করো (যোগফল চালু রাখো)।
- A = 60î + 3ĵ, B = 40î − 8ĵ, C = aî − 52ĵ। a কত হলে তিনটির মাথা এক সরলরেখায় (collinear) থাকে?
- î − 2ĵ + 3k̂ ভেক্টরটি x-অক্ষের সাথে কত কোণ করে? যেকোনো ঘরে বসিয়ে α পড়ো।
- 3î + 2ĵ + 4k̂-এর YZ সমতলে প্রক্ষেপের (projection) দৈর্ঘ্য কত? ভেক্টরটি বসিয়ে YZ চালু করো।
- A(3, 3, 1) আর B(4, −5, 1) বিন্দু দুটি বসাও, AB চালু করো। AB-এর দিকে একক ভেক্টর কত?
পর্যবেক্ষণ খাতা (observation notebook)
এখনো কিছু লেখা হয়নি। ভেক্টর বসিয়ে “খাতায় লেখো” চাপো।
বই পড়ার সময় সাবধান — পাঠ্যবইয়ের এই অংশে কিছু ছাপা আর হিসাবের ভুল আছে:
- মান নির্ণয়ের প্রমাণ (পৃ. 93): “ΔOQN … ∠QON কোণটি হলো সমকোণ। ON² = OQ² + ON²” — সমকোণ O-তে নয়, Q-তে; আর সূত্রটি হবে । ছাপা সমীকরণটি অর্থহীন (OQ = 0 না হলে)।
- তথ্য 39 (পৃ. 141): , -এর “লব্ধির মান 11.22” — ভুল। , লব্ধি । (বইয়ের মান (book value) 11.22 আসলে ।)
- তথ্য 9 (পৃ. 139): “YZ সমতলে ভেক্টরের দৈর্ঘ্য √50” — ভুল। প্রক্ষেপ , দৈর্ঘ্য । পুরো ভেক্টরের মানই তো — প্রক্ষেপ তার চেয়ে বড় হতে পারে না।
- MCQ 30 (পৃ. 144): — বিকল্পগুলোর (10.22, 10.52, 11.22, 11.52) কোনোটিই ঠিক নয়, আর উত্তরমালার (খ) ভুল।
- গাণিতিক প্রশ্ন 104 ও 114 (পৃ. 170): ছাপা তথ্যে “ABC সমকোণী দেখাও” — হিসাব করলে , , ; কোনো দুটির যোগফল তৃতীয়টির সমান নয়, তাই ত্রিভুজটি সমকোণী নয়। প্রচলিত সঠিক রূপটি নিচের প্রশ্ন ৫-এ।
- ছাপার ভুল: প্রশ্ন 3(ক) (পৃ. 164) P(2, −3, 4)-এর অবস্থান ভেক্টর “2î − 3ĵ − 4k̂” লেখা — হবে ; প্রশ্ন 36-এর উত্তর (পৃ. 166) “2î − ĵ − 2k̂” — হবে ; প্রশ্ন 111-এর উত্তর (পৃ. 170) “cos⁻¹(4/3)” — কোসাইন 1-এর বেশি হতে পারে না, হবে ।
- CQ28-এর চিত্র (পৃ. 159): চিত্রে α = 60° আঁকা, কিন্তু প্রশ্নের তথ্য থেকে ∠AOB = 56.9° আসে। চিত্রের মাপ নয়, তথ্য দিয়ে হিসাব করো।
ঘরে বসে পরীক্ষা: ঘরের কোণ থেকে অবস্থান ভেক্টর
তোমার লাগবে: একটি মাপার ফিতা (measuring tape), খাতা-কলম, আর একজন সাহায্যকারী।
- ঘরের মেঝের একটি কোণকে মূলবিন্দু O ধরো। মেঝের এক কিনারা x-অক্ষ, অন্য কিনারা y-অক্ষ, আর দুই দেয়ালের খাড়া সংযোগরেখা z-অক্ষ।
- একটি তাকের ওপর রাখা জিনিস (যেমন একটি বই বা ঘড়ি) বেছে নাও। ফিতা দিয়ে মাপো: এক দেয়াল থেকে তার দূরত্ব (x), অন্য দেয়াল থেকে দূরত্ব (y), আর মেঝে থেকে উচ্চতা (z)।
- লেখো , আর হিসাব করো ।
- এবার সাহায্যকারী কোণ O-তে ফিতার শুরু চেপে ধরুক, তুমি ফিতা টানটান করে জিনিসটি পর্যন্ত নাও — সরাসরি দূরত্ব পড়ো। হিসাবের সাথে কত মিলল? পার্থক্য কোথা থেকে আসতে পারে (ফিতা ঝুলে যাওয়া, দেয়াল পুরো খাড়া না হওয়া)?
- বোনাস: দিক কোসাইন , , বের করে দেখো কত কাছাকাছি 1।
নিরাপত্তা: চেয়ার বা টেবিলে উঠবে না — যে জিনিস মেঝে থেকে দাঁড়িয়েই ছোঁয়া যায়, সেটিই মাপো। সিলিং ফ্যান চালু থাকলে তার দিকে ফিতা তুলবে না।
পরীক্ষার প্রস্তুতি
১. অবস্থান ভেক্টর কাকে বলে? P(2, −3, 4) বিন্দুর অবস্থান ভেক্টর ও তার মান নির্ণয় করো।
উত্তর দেখো
মূলবিন্দু থেকে কোনো বিন্দু পর্যন্ত টানা ভেক্টরই সেই বিন্দুর অবস্থান ভেক্টর।
(বইয়ে z-উপাংশের চিহ্ন ভুল ছাপা)
একক
২. P(2, 1, −1) ও Q(4, 3, 0) বিন্দু দুটির সংযোগকারী ভেক্টর , দূরত্ব PQ আর -এর দিকে একক ভেক্টর নির্ণয় করো।
উত্তর দেখো
একক
৩. ও হলে এদের লব্ধির দিকে একক ভেক্টর নির্ণয় করো। (বোর্ড প্রশ্নের ধরন)
উত্তর দেখো
৪. -এর দিক কোসাইনগুলো নির্ণয় করো এবং দেখাও যে । ভেক্টরটি z-অক্ষের সাথে কত কোণ করে?
উত্তর দেখো
৫. দেখাও যে , , অবস্থান ভেক্টরবিশিষ্ট বিন্দু তিনটি একটি সমকোণী ত্রিভুজের শীর্ষবিন্দু।
উত্তর দেখো
,
,
,
, তাই পিথাগোরাসের বিপরীত উপপাদ্য অনুযায়ী ত্রিভুজটি সমকোণী, সমকোণ C-তে। (ডট গুণনের পাঠে দেখবে: ।)
৬. একটি কণার অবস্থান ভেক্টর (একক m, t সেকেন্ডে)। কণাটির গতিপথের সমীকরণ নির্ণয় করো। t = 2 s-এ মূলবিন্দু থেকে কণাটির দূরত্ব কত?
উত্তর দেখো
,
— একটি পরাবৃত্ত, শীর্ষ (−1, 0)।
s-এ , দূরত্ব m।
৭. (MCQ) ও বলের লব্ধির মান কত? (ক) 10.22 (খ) 10.52 (গ) 10.68 (ঘ) 11.52
উত্তর দেখো
(গ) 10.68। , মান । (বইয়ের MCQ 30-এ এই সঠিক বিকল্পটিই নেই — উত্তরমালায় “খ” দেওয়া, যা ভুল।)