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,br2) a b ====ab ++++a b ++++K++++anbn r
o r
2 2 1 1
3) cos∠ ,
( )
ar br = aarro⋅bbrr4) 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]]]]
są1) 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
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 ====0P 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 ====0Po wykonaniu mnożenia skalarnego otrzymujemy równanie prostej o wektorze normalnym
[[[[ ]]]]
A,B przechodzącej przez punkt P0((((
x0,y0))))
∈∈∈∈l:((((
x−−−−x0)))) ((((
++++B y−−−−y0))))
====0A
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. 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,N2II 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]]]]
vv 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∈∈∈∈ℜℜℜℜ.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 normalnympłaszczyzny.
1. Równanie wektorowe płaszczyzny
((((
x,y,z))))
∈∈∈∈ ⇔⇔⇔⇔ P0P ⊥⊥⊥⊥N ⇔⇔⇔⇔ P0P N ====0P π o
2. Równanie ogólne płaszczyzny
Wychodzimy od równania wektorowego płaszczyzny
0P N ====0
P o
Podstawiamy współrzędne wektorów
[
x−x0,y−y0,z−z0] [
o A,B,C]
=0Po 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 APo 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)
[ ] [ ]
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,N2Prosta 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]
vv r
rr−r0 || r ⇔ − 0, − 0, − 0 ||r, tzn.
c z z b
y y a
x
x 0 0 − 0
− =
− =
3. Równania parametryczne prostej
−−−− ==== −−−− ==== −−−− ====t t∈∈∈∈ℜℜℜℜ 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) P0 ∈π , prosta leży na płaszczyźnie
b) P0 ∉π , prosta jest równoległa do płaszczyzny
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 postaciparametrycznej:
ℜ ℜ ℜ ℜ
∈
∈
∈
∈
⋅⋅⋅⋅
++++
====
⋅⋅⋅⋅
++++
====
t t b y y
t a x x
0 ,
0 , gdzie (x0,y0)====(1,2),
[[[[ ]]]] [[[[ ]]]]
a,b ==== 2,−−−−3Stąd
−−−−
====
++++
====
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−−−− ====
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)
∈π0 x ,y ,z
P ma postać:
(
x−x0) (
+B y−y0) (
+C z−z0)
=0A Stąd
((((
3))))
3(((( (((( ))))
1))))
( 2)((((
2))))
01x−−−− ++++ 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))))
011 x++++ ++++ y++++ −−−− z−−−− ====
0 4 1
2++++ ++++ −−−− ++++ ====
++++ y z
x
Odp: x++++ y−−−−z++++7====0
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 12
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]
||lma 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 :
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 vrjest wektorem normalnym N r
płaszczyzny π. Równanie płaszczyzny o wektorze normalnym Nr ====
[[[[
A,B,C]]]]
przechodzącej przez punkt(
0 0 0)
∈π0 x ,y ,z
P ma postać:
(
x−x0) (
+B y−y0) (
+C z−z0)
=0A Stąd
(((( )))) ((((
1 2 2))))
1(((( (((( ))))
1))))
03 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 02 ++++t ++++ −−−− −−−− t ++++ t−−−− ====
1 0 2 2
0 1 6 6 3 2 2
====
====
−−−−
====
−−−−
++++
−−−−
−−−−
++++
t t
t t t
Szukany punkt: