• Nie Znaleziono Wyników

Wektory - kartezjański układ współrzędnych

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Wektory - kartezjański układ współrzędnych"

Copied!
11
0
0

Pełen tekst

(1)

Wektory - kartezjański układ współrzędnych

Współrzędne wektora.

Niech będą dane dwa punkty A

((((

x1,x2,...,xn

))))

i B

((((

y1,y2,K,yn

))))

.

[[[[

y x y x yn xn

]]]] [[[[

a a an

]]]]

AB==== 1−−−− 1, 2 −−−− 2,K, −−−− ==== 1, 2,K,

Liczby a1,a2,K,an nazywamy współrzędnymi (składowymi) wektora AB w prostokątnym układzie współrzędnych.

Długość wektora ar

[[[[

a1,a2,K,an

]]]]

:

2 2

2 2 1

2 a a a a an

a ==== ==== ++++ ++++K++++

r o r r

2 2

2 2

1 a an

a

a ==== ++++ ++++K++++

r

Iloczyn skalarny wektorów ar

[[[[

a1,a2,K,an

]]]]

i b

[[[[

b1,b2,K,bn

]]]]

.

1) arobv= ar br cos

( )

ar,br

2) a b ====ab ++++a b ++++K++++anbn r

o r

2 2 1 1

3) cos∠ ,

( )

ar br = aarrobbrr

4) jeżeli ar≠0

i b ≠0 r

, to a b a b r r r

o

r = 0⇔ ⊥

5) jeżeli ar≠0

i b ≠0 r

, to a b a b a b r r r r

r o

r = ||

Wektory ar

[[[[

a1,a2,K,an

]]]]

i b

[[[[

b1,b2,K,bn

]]]]

1) prostopadłe, jeżeli ich iloczyn skalarny jest równy zero

=0

===

⇔⇔

⇔⇔

⊥⊥

⊥⊥b a b

a

r o r r

r

2) równoległe, jeżeli mają proporcjonalne współrzędne

n n

b a b

a b b a

a ⇔⇔⇔⇔ ==== ====K==== r

r

2 2 1

|| 1

(2)

Prosta na płaszczyźnie

I SPOSÓB

Równanie prostej l na płaszczyźnie jest wyznaczone w sposób jednoznaczny za pomocą punktu P0

((((

x0,y0

))))

l i wektora N

[[[[ ]]]]

A,B ⊥⊥⊥⊥ l, zw. wektorem normalnym prostej.

1. Równanie wektorowe prostej

(((( ))))

x,y l P0P N P0P N ====0

P o

2. Równanie ogólne prostej na płaszczyźnie

Wychodzimy od równania wektorowego prostej na płaszczyźnie

0P N ====0

P o

Podstawiamy współrzędne wektorów

[[[[

x−−−−x0,y−−−−y0

]]]]

o

[[[[ ]]]]

A,B ====0

Po wykonaniu mnożenia skalarnego otrzymujemy równanie prostej o wektorze normalnym

[[[[ ]]]]

A,B przechodzącej przez punkt P0

((((

x0,y0

))))

l:

((((

x−−−−x0

)))) ((((

++++B y−−−−y0

))))

====0

A

Po przekształceniu otrzymujemy

0 0

0 −−−− ====

−−−−

++++By Ax By Ax

Po oznaczeniu wyrazów stałych przez C mamy ostatecznie:

====0 ++++

++++By C Ax

Szczególne przypadki położenia prostej na płaszczyźnie:

1)

(((( ))))

0 :

0 0

0 0 0

, 0

===

= +++ +

===

=

⇒⇒

⇒⇒

===

= +++

⋅⋅⋅⋅ + +++

⋅⋅⋅⋅ +

⇒⇒

⇒⇒

∈∈

∈∈ By Ax l

C C

B A l

2)

[[[[ ]]]]

0 :

0 0

, 1

||

=

==

= + ++

+

=

==

=

⇒⇒

⊥⊥

⇒ C By l

A N

Ox l

3)

[[[[ ]]]]

0 :

0 1

, 0

||

===

= +++ +

===

=

⇒⇒⇒

⊥⊥

⊥⊥

⇒⇒

⇒⇒ C Ax l

B N

Oy l

(3)

3. Równanie odcinkowe prostej na płaszczyźnie

====0 ++++

++++By C Ax

C C By

Ax++++ ====−−−− /−−−−

====1 ++++ −−−−

−−−−

B C y A

C x

====1 ++++

++++ b y a x

Wtedy a jest miejscem przecięcia prostej z osią OX, a b z osią OY.

4. Odległość punktu P

((((

x0, y0

))))

od prostej Ax++++By++++C ====0:

2 2

0 0

B A

C By d Ax

++++

++++

==== ++++

5. Wzajemne położenie dwóch prostych na płaszczyźnie

1 Prostopadłe , 0

2 1 2

1 ⊥N N N =

N o

2 Równoległe

2 1 2 1 2 1 2 1 || ,

C C B B A N A

N = =

3 Pokrywające się

2 1

2

1 ||N P l P l

N ∧∧∧∧ ∈∈∈∈ ⇔⇔⇔⇔ ∈∈∈∈

4 Przecinają się Jeżeli nie zachodzi żaden z warunków 1, 2, 3.

Wtedy

(((( ))))

l1,l2 ====

(((( ))))

N1,N2

(4)

II SPOSÓB

Równanie prostej l na płaszczyźnie jest wyznaczone w sposób jednoznaczny za pomocą punktu P0

((((

x0,y0

))))

l i wektora v

[[[[ ]]]]

a,b || l, zw. wektorem kierunkowym prostej.

1. Równania kanoniczne prostej

Aby punkt P

(((( ))))

x,y l wektory P0P i vr muszą być równoległe

[[[[

x x y y

]]]]

v

v P

P0 ||r −− 0, −− 0 || r.

Korzystając z warunku równoległości wektorów otrzymujemy równanie kanoniczne prostej na płaszczyźnie:

b y y a

x

x 0 −−−− 0

=

==

− =

−−

2. Równania parametryczne prostej ℜℜ ℜℜ

∈∈∈

===

− =

−−

= −

===

−−

t b t

y y a

x

x 0 0 ,

Stąd











−−−− ====

−−−− ====

b t y y

a t x x

0 0

czyli





ℜ ℜ ℜ ℜ

⋅⋅⋅⋅

++++

====

⋅⋅⋅⋅

++++

====

t t b y y

t a x x

0 ,

0

Zatem każdy punkt prostej ma współrzędne

((((

x0 ++++a⋅⋅⋅⋅t, y0 ++++b⋅⋅⋅⋅t

))))

dla pewnego t.

(5)

Płaszczyzna w przestrzeni.

Równanie płaszczyzny π w przestrzeni jest wyznaczone w sposób jednoznaczny za pomocą punktu P0

(

x0,y0,z0

)

π i wektora N

[

A,B,C

]

π, zw. wektorem normalnym

płaszczyzny.

1. Równanie wektorowe płaszczyzny

((((

x,y,z

))))

P0P N P0P N ====0

P π o

2. Równanie ogólne płaszczyzny

Wychodzimy od równania wektorowego płaszczyzny

0P N ====0

P o

Podstawiamy współrzędne wektorów

[

xx0,yy0,zz0

] [

o A,B,C

]

=0

Po wykonaniu mnożenia skalarnego otrzymujemy równanie płaszczyzny o wektorze normalnym

[

A,B,C

]

przechodzącej przez punkt P0

(

x0,y0,z0

)

π:

(

x−x0

) (

+B y−y0

) (

+C z−z0

)

=0 A

Po przekształceniu otrzymujemy

0 0

0

0 − − =

− +

+By Cz Ax By Cz

Ax

Po oznaczeniu wyrazów stałych przez D mamy ostatecznie:

=0 + +

+By Cz D

Ax

Szczególne przypadki położenia płaszczyzny w przestrzeni:

1)

( )

0 :

0 0

0 0 0 0

, 0 , 0

= + +

=

= +

⋅ +

⋅ +

Cz By Ax

D D

C B A π

π

2)

[ ]

0 :

0 0

, 0 , 1

||

= + +

=

⇒ D Cz By

A N

Ox π π

3)

[ ]

0 :

0 0

, 1 , 0

||

= + +

=

⇒ D Cz Ax

B N

Oy π π

4)

[ ]

0 :

0 1

, 0 , 0

||

= + +

=

⇒ D By Ax

C N

Oz π π

5)

[ ] [ ]

0 :

, 0 , 0 1

, 0 , 0

||

||

= +

=

⇒ D Cz

C N

N Oxy

π π

(6)

6)

[ ] [ ]

0 :

0 , , 0 0

, 1 , 0

||

||

= +

=

⇒ D By

B N

N Oxz

π π

7)

[ ] [ ]

0 :

) , 0 , 0

, 0 , 1

||

||

= +

=

⇒ D Ax

A N N

Oyz π

π

3. Równanie odcinkowe płaszczyzny

=0 + +

+By Cz D

Ax

D D

Cz By

Ax+ + =− /−

=1 + −

+ −

C D z

B D y

A D x

=1 +

+ c

z b

y a x

4. Równanie płaszczyzny przechodzącej przez punkt P0

(

x0,y0,z0

)

π i równoległej do dwóch wektorów ar

[[[[

ax,ay,az

]]]]

i b

[[[[

bx,by,bz

]]]]

.

Aby P

((((

x,y,z

))))

π wektory P0P i ar, br muszą być linowo zależne, tzn.

0

0 0

0

=

==

=

−−−

−−−

−−−

z y

x

z y

x

b b

b

a a

a

z z y y x x

5. Odległość punktu P

(

x0,y0,z0

)

od płaszczyzny Ax+By+Cz+D =0:

2 2 2

0 0 0

C B A

D Cz By d Ax

+ +

+ +

= +

6. Wzajemne położenie dwóch płaszczyzn

1 Prostopadłe , 0

2 1 2

1 ⊥N N N =

N o

2 Równoległe

2 1 2 1 2 1 2 1 || ,

C C B B A N A

N = =

3 Pokrywające się

2 1

2

1 ||N ∧ P∈π ⇔P∈π

N 4 Przecinają się wzdłuż

prostej

Jeżeli nie zachodzi żaden z warunków 1, 2, 3.

Wtedy

(

π1,π2

)

=

( )

N1,N2

(7)

Prosta w przestrzeni

Prosta l w przestrzeni jest wyznaczona w sposób jednoznaczny przez punkt P0

(

x0,y0,z0

)

l i wektor vr

[

a,b,c

]

||l.

1. Równania kanoniczne prostej

[

x x y y z z

]

v

v r

rrr0 || r 0, 0, 0 ||r, tzn.

c z z b

y y a

x

x 0 00

− =

− =

3. Równania parametryczne prostej

−− ==== −− ==== −− ====t t c

z z b

y y a

x

x 0 0 0 ,

Stąd:





⋅ +

=

⋅ +

=

⋅ +

=

t c z z

t b y y

t a x x

0 0 0

4. Wzajemne położenie prostej i płaszczyzny w przestrzeni

[

A B C

]

N D

Cz By

Ax 0 , ,

: + + + = r =

π

[

a b c

]

v t

c z z

t b y y

t a x x

l: , ,

0 0 0

 =



⋅ +

=

⋅ +

=

⋅ +

=

r

1) N vr≠0 o r

, prosta przecina płaszczyznę Kąt między prostą i płaszczyzną

( )

v N

v N

r r r o r

= ⋅

°

= α

α cos 90 sin

2) N vr=0 o r

a) P0π , prosta leży na płaszczyźnie

b) P0π , prosta jest równoległa do płaszczyzny

(8)

Zadania – przykłady

1. Dana jest prosta l na płaszczyźnie o równaniu 2x−−−− y3 ++++5====0.

a) Znaleźć współczynnik kątowy tej prostej (tzn. tangens Kąta między tą prostą a osią OX).

b) Napisać równanie prostej prostopadłej do prostej l i przechodzącej przez punkt (1,2). Zapisz prostą prostopadła w postaci ogólnej.

--- Rozwiązanie:

a) Dana prosta 2x−−−− y3 ++++5====0jest w postaci ogólnej. Przekształcamy równanie prostej do postaci

kierunkowej y====ax++++b. Wtedy a będzie szukanym współczynnikiem kątowym tej prostej:

0 5 3 2x−−−− y++++ ====

5 2 3 ====−−−− −−−−

−−−− y x 3 5 3 2 ++++

==== x y

Zatem szukany współczynnik kątowy tg∠ OX

((((

l,

))))

==== 32.

b) Wektor normalny prostej l: Nr ====

[[[[ ]]]]

2,−−3 jest wektorem równoległym do prostej prostopadłej do l – l1. Punkt

(((( ))))

1,2 l1. Aby wyznaczyć równanie prostej l1 skorzystamy z postaci

parametrycznej:





ℜ ℜ ℜ ℜ

⋅⋅⋅⋅

++++

====

⋅⋅⋅⋅

++++

====

t t b y y

t a x x

0 ,

0 , gdzie (x0,y0)====(1,2),

[[[[ ]]]] [[[[ ]]]]

a,b ==== 2,−−3

Stąd





−−−−

====

++++

====

t y

t l x

3 2

2 : 1

1

Aby znaleźć postać ogólną prostej l1 z powyższych równań eliminujemy parametr t.

2

−1

−−−

=

==

= x t

2 3 1 2−−−− −−−−

===

= x

y

3 3 2 2y ==== −−−− x++++

0 5 2

3x++++ y−−−− ====

(9)

2. Napisać równanie płaszczyzny przechodzącej przez punkt A

(

1 −,3, 2

)

mając dany wektor prostopadły do tej płaszczyzny Nr =

[

3,1,2

]

.

--- Rozwiązanie:

Równanie płaszczyzny o wektorze normalnym

[

A,B,C

]

przechodzącej przez punkt

(

0 0 0

)

π

0 x ,y ,z

P ma postać:

(

xx0

) (

+B yy0

) (

+C zz0

)

=0

A Stąd

((((

3

))))

3

(((( (((( ))))

1

))))

( 2)

((((

2

))))

0

1x−−−− ++++ y−−−− −−−− ++++ −−−− z−−−− ====

0 4 2 3 3

3++++ ++++ −−−− ++++ ====

−−−− y z

x

0 4 2 3 −−−− ++++ ====

++++ y z x

3. Znaleźć równanie płaszczyzny przechodzącej przez punkt A

((((

2,1,4

))))

i równoległej do dwóch wektorów ar=

[

1,3,2

]

i br=

[ ]

3,2,5 .

--- Rozwiązanie:

Równanie płaszczyzny przechodzącej przez punkt P0

(

x0,y0,z0

)

π i równoległej do dwóch wektorów ar

[[[[

ax,ay,az

]]]]

i b

[[[[

bx,by,bz

]]]]

ma postać.

0

0 0

0

=

==

=

−−

−−

−−

z y

x

z y

x

b b

b

a a

a

z z y y x x

Stąd

0 5 2

3

2 3

1

4 1

2

====

−−−−

−−−−

−−−−

++++ y z

x

((((

x++++2

))))(((( ))))

−−−−11++++132 52 ++++

(((( ))))(((( ))))

y−−−−1 −−−−11++++2 −−−−31 25 ++++

((((

z−−−−4

))))(((( ))))

−−−−11++++3 −−−−31 23 ====0

((((

2

)))) (((( )))) ((((

11 1 11 4

))))

0

11 x++++ ++++ y++++ −−−− z−−−− ====

0 4 1

2++++ ++++ −−−− ++++ ====

++++ y z

x

Odp: x++++ y−−−−z++++7====0

(10)

4. Dla jakiej wartości parametru m płaszczyzny 7x−2y−z =0 i mx+ y−3z−1=0 są wzajemnie prostopadłe?

--- Rozwiązanie:

π1: 7x−2y−z =0 Nr1 ====

[[[[

7,−−2,−−1

]]]]

π2: mx+y−3z−1=0 Nr2 ==== m

[[[[

,1,−−3

]]]]

2 0

1 2 1 2

1 ⊥⊥⊥⊥ ⇔⇔⇔⇔ N ⊥⊥⊥⊥ N ⇔⇔⇔⇔ N N ====

r o r r

π r π

[[[[

7, 2, 1

]]]] [[[[

,1, 3

]]]]

7 2 3 7 1

2

1 N ==== −−−− −−−− m −−−− ==== m−−−− ++++ ==== m++++

N o

r o r

7 0 1

1

7 −−−−

===

=

⇔⇔

⇔⇔

===

= +++

+ m

m Odp. Dla

7

−1

−−

= −

==

=

m płaszczyzny 7x−2y−z=0 i mx+y−3z−1=0 są wzajemnie prostopadłe .

5. Napisać równania prostej przechodzącej przez punkt A

(

2 −, 1,1

)

i równoległej do wektora

[

3,2,2

]

= vr

.

Rozwiązanie:

Prosta l w przestrzeni jest wyznaczona przez punkt P0

(

x0,y0,z0

)

l i wektor vr

[

a,b,c

]

||l

ma następującą postać parametryczną:





⋅ +

=

⋅ +

=

⋅ +

=

t c z z

t b y y

t a x x

0 0

0

((((

x0,y0,z0

))))

====

((((

2,−−1,1

))))

,

[[[[

a,b,c

]]]] [[[[

==== 3,2,−−2

]]]]

Zatem równania tej prostej są postaci:

Odp: ∈∈∈∈ℜℜℜℜ







⋅⋅⋅⋅

−−−−

====

⋅⋅⋅⋅

++++

−−−−

====

⋅⋅⋅⋅

++++

====

t t

z

t y

t x

l ,

2 1

2 1

3 2 :

(11)

6. Dana jest prosta l w przestrzeni o równaniu parametrycznym:







−−−−

====

⋅⋅⋅⋅

++++

−−−−

====

⋅⋅⋅⋅

++++

====

t z

t y

t x

3 2 1

3 2

Znaleźć równanie płaszczyzny prostopadłej do prostej l przechodzącej przez punkt

((((

1,2,1

))))

.

--- Rozwiązanie:

Z równania parametrycznego prostej l mamy : vr ====

[[[[

3,2,−−1

]]]]

||l. Szukana płaszczyzna π jest prostopadła do prostej l, zatem wektor vr

jest wektorem normalnym N r

płaszczyzny π. Równanie płaszczyzny o wektorze normalnym Nr ====

[[[[

A,B,C

]]]]

przechodzącej przez punkt

(

0 0 0

)

π

0 x ,y ,z

P ma postać:

(

xx0

) (

+B yy0

) (

+C zz0

)

=0

A Stąd

(((( )))) ((((

1 2 2

))))

1

(((( (((( ))))

1

))))

0

3 x−−−− ++++ y−−−− −−−− z−−−− −−−− ====

0 1 4 2 3

3x−−−− ++++ y−−−− −−−−z−−−− ====

Odp: 3x++++2y−−−−z−−−−8====0

7. Znaleźć punkt przebicia płaszczyzny 2x+3y+z−1=0 prostą

6 2

1 1

1 y z

x =

= +

− .

--- Rozwiązanie:

Prostą

6 2

1 1

1 y z

x =

−+

− = dana w postaci kanonicznej zapisujemy w postaci parametrycznej:

z t y

l x−−−− ==== −−−−++++ ==== ====

6 2

1 1

: 1







====

−−−−

−−−−

====

++++

====

t z

t y

t x l

6 2 1 1 :

Stąd każdy punkt prostej l ma postać

((((

1++++t,−−−−1−−−−2t,6t

))))

. Zatem szukamy takiego t, dla którego punkt ten należy do płaszczyzny 2x+3y+z−1=0.

(((( )))) ((((

1 3 1 2

))))

6 1 0

2 ++++t ++++ −−−− −−−− t ++++ t−−−− ====

1 0 2 2

0 1 6 6 3 2 2

====

====

−−−−

====

−−−−

++++

−−−−

−−−−

++++

t t

t t t

Szukany punkt:

((((

1++++t,−−−−1−−−−2t,6t

)))) ((((

==== 1++++1, −−−−1−−−−2⋅⋅⋅⋅1,6⋅⋅⋅⋅1

)))) ((((

==== 2,−−−−3,6

))))

Cytaty

Powiązane dokumenty

[r]

[r]

Grafika- to taka dziedzina sztuk plastycznych obejmująca techniki, pozwalające na powielanie (odbijanie) rysunku z matrycy.. Matryca- podłoże na którym wykonana jest praca

W tym celu odsyłam was na stronę matemaks.pl gdzie dokładnie znajduje się wyjaśniony ten temat.. Skopiujcie poniższy link i wklejcie go

Wstawiamy otrzymane liczby do wzoru funkcji tangens i obliczamy wartość funkcji tangens dla danego kąta. Otrzymane wartości tworzą na wykresie fragment

gracze na przemian kładą na stoliku jednozłotówki, przy czym nie mogą one wystawać poza stolik ani nachodzić na siebie oraz nie wolno przesuwać leżących już monet. Przegrywa

• nie obracający się względem orbity okołosłonecznej Ziemi układ współrzędnych z początkiem w środku

Jednym z wierzchołków trójkąta równobocznego jest