Добавил:
github.com Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
117
Добавлен:
30.09.2023
Размер:
2.92 Mб
Скачать

Предисловие

Методические указания к выполнению семестровых больших домашних заданий (БДЗ) предназначены для студентов первого курса факультета Микроприборов и технической кибернетики (МПиТК), изучающих курс «Алгебра и геометрия». Этот курс рассчитан на 64 часа (32 часа лекций и 32 часа практических занятий) и завершается экзаменом, зачет по дисциплине не предусмотрен. Форма семестровых БДЗ служит для отработки теоретического и практического материала с помощью индивидуальных заданий, которые включены во все темы курса.

Каждый параграф настоящих методических указаний начинается краткими теоретическими сведениями, затем подробно разбираются типовые задачи этой темы, в конце параграфа приводится список индивидуальных заданий, содержащий не менее 30 задач по каждой теме. В связи с этим издание занимает промежуточное положение между обычным задачником и учебником.

Текст настоящих указаний условно можно разделить на две части - аналитическая геометрия (БДЗ-1) и линейная алгебра (БДЗ-2).

Аналитической геометрии посвящены § 1 - 4.

В § 1 даны определения скалярного, векторного и смешанного произведений, приводятся их свойства и выражения в координатной форме. В § 2 приведены общее, каноническое, параметрические и нормированное уравнения прямой, поясняется смысл параметров, в них входящих, вводится формула расстояния от точки до прямой. Разобраны типовые задачи на нахождение уравнений высот, медиан, биссектрис треугольников, выяснение взаимного расположения прямых. В § 3 приведены общее и нормированное уравнение плоскости, канонические и параметрические уравнения прямой в пространстве. Рассмотрены примеры применения этих уравнений для решения геометрических задач. В § 4 рассмотрены преобразования декартовых прямоугольных координат на плоскости и классификация кривых второго порядка по их каноническим уравнениям. Приведено подробное решение задачи приведения уравнения второго порядка к каноническому виду.

3

Большое домашнее задание-1 для каждого студента содержит 8 задач (индивидуальные задания составляют 240 задач, подробно разбираются 6 задач).

Линейной алгебре посвящены § 5 - 8, им соответствует БДЗ-2. Параграф 5 занимает в пособии центральное место. Подробно

описан метод Гаусса, приведена теорема Кронекера - Капелли, разобрано шесть типовых задач. В § 6 дается определение базиса линейного пространства, матрицы перехода от базиса к базису, линейного подпространства и линейной оболочки системы векторов. В § 7 дается определение линейного оператора в линейном пространстве, его матрицы в некотором базисе, собственного вектора линейного оператора. В § 8 приводится определение евклидова пространства, описан процесс ортогонализации Шмидта.

Большое домашнее задание-2 по линейной алгебре для каждого студента состоит из 9 задач, подробно разбираются 10 типовых задач (задания к § 4 - 8 содержат 270 задач).

4

§ 1. Векторная алгебра. Скалярное, векторное, смешанное произведение, их свойства

Скалярным произведением векторов a и b называется число

 

(a, b) | a | | b | cos(a, b).

(1)

Так как

| b | cos(a, b) Прa b и | a | cos(a, b) Пр a,

то из ра-

 

b

 

венства (1) следует, что

 

 

(a, b) | a | Прa b | b | Прb a.

(2)

Векторным произведением вектора a на вектор b называется вектор c , удовлетворяющий следующим условиям:

1)

| c | | a | | b | sin(a, b);

2)

c a, c b;

3) тройка a, b, c - правая (рис. 1) (с конца вектора c кратчайший

поворот от a к b кажется совершающимся против часовой стрелки). Будем в дальнейшем векторное

произведение a на b обозначать

[a, b].

Замечание. Длина векторного произведения [a, b] равна площади

параллелограмма, построенного на приведенных к одной точке векторах

a и b.

c

b

a

Рис. 1.

Смешанным произведением трех векторов a, b и c называется произведение (обозначаем в дальнейшем a b c )

a b c ([a, b], c).

(3)

5

Если i, j, k - декартов прямоугольный базис и векторы a, b и

c заданы своими координатами в нем, a {x1, y1, z1},

b {x2 , y2 , z2},

c {x3 , y3 , z3}, то

 

 

 

 

(a, b) x1x2 y1 y2 z1z2 ,

(4)

 

i

j

k

 

 

 

 

 

[a, b]

x1

y1

z1

{y1z2 z1 y2 , z1x2 x1z2 , x1 y2

y1x2}, (5)

 

x2

y2

z2

 

 

 

x1

y1

z1

 

 

a b c

x2

y2

z2

.

(6)

 

x3

y3

z3

 

 

Справедливо следующее утверждение.

Теорема.

 

 

V ,

если a, b, c - правая,

 

 

 

 

 

 

a b c ([a, b], c) V , если a, b, c - левая,

 

 

 

если a, b, c - компланарны,

 

 

0,

 

 

 

 

 

где V - объем параллелепипеда, построенного на приведенных к одно-

му началу векторах a,

b и c.

 

 

 

Решение типовых задач

Задача 1. Даны координаты точек A, B,

C и D в правой пря-

моугольной

системе

координат:

A(5, 2, 0),

B(2, 5, 0), C(1, 2, 4),

D( 1,1,1).

 

 

 

 

Найти

( AB, AC),

[ AB, AC],

AB AC AD, а также проекцию

AC на вектор AB, площадь ABC, объем тетраэдра ABCD.

6

Решение. Найдем координаты векторов

AB,

AC и AD :

AB { 3, 3, 0},

AC { 4, 0, 4},

AD { 6, 1, 1}.

 

 

В силу равенства (4) получаем

( AB, AC) 12 0 0 12; по

формуле (5) имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

j

k

 

3

0

 

 

3

0

 

3

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[ AB, AC]

3

3

0

i

 

j

k

= {12,12, 12}.

 

4

0

4

 

0

4

 

 

4 4

 

4

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для нахождения смешанного произведения можно воспользоваться формулой (6), но, так как [ AB, AC] уже найдено, привлечем формулы

(3) и (4):

AB AC AD ([ AB, AC], AD) 72 12 12 72.

ПрAB AC найдем, использовав формулу (2):

(AB, AC) | AB | ПрAB AC.

Тогда

 

 

 

 

 

 

Пр

 

 

AC

( AB, AC)

.

 

 

 

(7)

 

 

 

 

 

 

AB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

AB |

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдем длину вектора AB,

| AB |

 

 

9 9

 

18 3 2, подста-

вим в формулу (7):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пр

AB

AC

 

 

 

2 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В силу замечания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

122 122 122

S

ABC

 

 

[ AB, AC]

 

 

 

6 3.

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

Для нахождения объема тетраэдра, построенного на приведенных к

одной точке векторах

 

AB,

 

AC и AD, воспользуемся сформулиро-

ванной ранее

 

теоремой,

а также

тем

 

известным фактом, что

V

1

V , где

V - объем параллелепипеда:

 

 

 

 

 

тетр

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

ABCD

 

1

 

([ AB, AC], AD)

 

 

| 72 |

12.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогично решаются задачи 1.1 - 1.30.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 1

 

 

 

 

Даны координаты точек

A, B,

C и D в правой прямоугольной

декартовой системе

 

координат.

Найти

 

 

( AB, AC), [ AB, AC],

AB AC AD,

а также проекцию AC на вектор AB, площадь ABC,

объем тетраэдра ABCD.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1. A(1, 3, 6),

B(2, 2,1), C( 1, 0, 1),

D( 4, 6, 3).

1.2. A( 4, 2, 6),

B(2, 3, 0),

C( 10, 5, 8),

D( 5, 2, 4).

1.3. A(7, 4, 2),

B(7, 1, 2),

C(3, 3, 1),

D( 4, 2, 1).

1.4. A(2,1, 4),

B( 1, 5, 2), C( 7, 3, 2), D( 6, 3, 6).

1.5. A( 1, 5, 2),

B( 6, 0, 3),

C(3, 6, 3),

D( 10, 6, 7).

1.6. A(0, 1, 1),

B( 2, 3, 5),

C(1, 5, 9),

D( 1, 6, 3).

1.7. A(2, 1, 1),

B(3, 0, 1), C(2, 1, 3),

D(0, 8, 0).

1.8. A(2, 1, 2),

B(1, 2, 1), C(5, 0, 6), D( 10, 9, 7).

1.9. A( 2, 0, 4),

B( 1, 7, 1),

C(4, 8, 4),

D(1, 4, 6).

1.10. A(4, 4, 5),

B( 5, 3, 2),

C( 2, 6, 3),

D( 2, 2, 1).

1.11. A(1, 2, 0),

 

B(3, 0, 3),

C(5, 2, 6),

D(8, 4, 9).

1.12. A(2, 1, 2),

B(1, 2, 1),

C(3, 2, 1), D( 4, 2, 5).

1.13. A(1, 1, 2),

 

B( 1,1, 3), C(2, 2, 4),

D( 1, 0, 2).

1.14. A(2, 3, 1),

 

B(4,1, 2),

C(6, 3, 7),

D(7, 5, 3).

1.15. A(1,1, 1),

B(2, 3, 1),

C(3, 2, 1), D(5, 9, 8).

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.16.

A(1, 5, 7),

B( 3, 6, 3),

C( 2, 7, 3),

D( 4, 8, 12).

1.17.

A( 3, 4, 7),

B(1, 5, 4),

C( 5, 2, 0), D(2, 5, 4).

1.18.

A( 1, 2, 3),

B(4, 1, 0),

C(2,1, 2), D(3, 4, 5).

1.19.

A(4, 1, 3),

B( 2, 1, 0),

C(0, 5,1),

D(3, 2, 6).

1.20.

A(1, 1,1),

B( 2, 0, 3),

C(2, 1, 1),

D(2, 2, 4).

1.21.A(1, 2, 0), B(1, 1, 2), C(0, 1, 1), D( 3, 0, 1).

1.22.A(1, 0, 2), B(1, 2, 1), C(2, 2,1), D(2,1, 0).

1.23.

A(1, 2, 3),

B(1, 0, 1), C( 2, 1, 6),

D(0, 5, 4).

1.24.

A(3,10, 1),

B( 2, 3, 5),

C( 6, 0, 3),

D(1, 1, 2).

1.25.

A( 1, 2, 4),

B( 1, 2, 4),

C(3, 0, 1),

D(7, 3,1).

1.26.

A(0, 3, 1),

B( 4, 1, 2), C(2, 1, 5),

D(3,1, 4).

1.27.

A( 1, 0, 3),

B(4, 2,1), C( 3, 1, 0),

D(4,1, 5).

1.28.

A(2, 4, 2),

B(0,1, 3), C(1, 4, 7),

D( 3, 0, 5).

1.29.

A( 1, 0, 2),

B(3, 7, 1),

C(1, 2, 5),

D( 4, 0, 1).

1.30.

A(2, 3, 4), B( 5, 1, 0),

C(2, 7,1),

D( 3, 0, 5).

 

§ 2. Составление уравнения прямой

 

по различным ее заданиям

 

Пусть

Oxy - произвольная декартова система координат. Всякое

уравнение вида

 

 

 

 

 

Ax By C 0,

 

(8)

где A, B, C - действительные числа, A и

y

 

B одновременно не равны нулю, определяет

L

n

относительно Oxy прямую линию. Обозна-

чим ее L.

Уравнение

(8) называется общим

O

x

уравнением

прямой

L. Вектор n {A, B}

 

Рис. 2.

называется нормальным вектором прямой L

 

 

 

( n L, рис. 2).

 

 

 

 

 

 

 

9

Условие параллельности двух прямых, заданных общими уравнениями

L1 : A1x B1 y C1 0, L2 : A2 x B2 y C2 0,

имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1

 

 

 

B1

;

 

 

(9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A2

 

 

 

 

B2

 

условие совпадения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1

 

 

B1

 

 

 

C1

.

 

(10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A2

 

 

 

B2

 

 

 

C2

 

 

L

 

Пусть

 

 

Oxy - декартова система коор-

q

 

 

 

L - произвольная прямая. Любой век-

динат,

 

 

 

 

тор q

 

такой, что q 0, q L,

называется

 

направляющим вектором прямой L (рис. 3).

Рис. 3.

 

 

Пусть q {l, m}. Уравнение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x x0

 

y y0

,

(11)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

m

 

где точка M0 (x0 , y0 ) L,

q {l, m}

 

 

- направляющий вектор прямой

L, называется каноническим уравнением прямой L.

 

Обозначив отношение в формуле (11) через t, получим два уравне-

ния:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x x0

l t,

 

 

 

 

 

 

 

 

m t,

 

 

 

y y0

 

которые при t ( ; ) называются параметрическими уравнениями

прямой L.

 

 

Пусть Oxy

- декартова система координат, L -

произвольная

прямая. Проведем

через начало координат прямую

L L, точку

10

 

 

пересечения

прямых

L

и

L

y

 

 

 

 

OP p,

 

обозначим

через

P,

L

L'

угол (OP, Ox) (рис. 4).

 

 

 

P

Уравнение

 

 

 

 

 

 

x cos y sin p 0

 

(12)

 

 

 

O

x

 

 

 

 

 

 

называется

нормированным урав-

Рис. 4.

нением прямой L (в уравнении

 

(12) число

p - расстояние от начала координат до прямой L , - угол

наклона вектора OP к оси Ox ).

Воспользовавшись условиями (10), можно получить следующий результат.

Для того чтобы перейти от общего уравнения (8) к нормированному уравнению (12), нужно обе части уравнения (8) умножить на так на-

зываемый нормирующий множитель

 

1

 

 

 

, знак выбира-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A2 B2

 

ется противоположным знаку C в уравнении (8).

 

 

 

 

 

Расстояние от точки M0 (x0 , y0 ) до прямой

L равно абсолютной

величине результата подстановки координат точки M0 в левую часть

уравнения (12):

 

 

 

 

 

 

 

 

(M0 (x0 , y0 ), L) | x0 cos y0 sin p | .

(13)

 

Решение типовых задач

 

 

 

 

Задача 1.

Даны координаты вершин

 

треугольника

ABC :

A(1, 2), B(4, 6), C(7, 6). Найти уравнение стороны (BC),

а также

уравнения высоты, медианы и биссектри-

 

B

 

сы, проведенных из вершины A. Все от-

 

 

 

 

 

 

H

 

веты дать в виде общих уравнений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M(xM, yM)

Решение.

На рис. 5 изображен про-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

извольный треугольник ABC.

Находим вектор BC, BC {3, 12}.

A

C

 

 

Рис. 5.

 

 

 

11

Для стороны (BC) вектор BC является направляющим, поэтому уравнение стороны (BC) естественно искать в виде канонического уравнения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 4

 

 

y 6

, или

 

x 4

 

y 6

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

12

 

 

 

1

4

 

 

 

 

 

или 4x 16 y 6, или 4x y 22 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть ( AH ) - высота, опущенная на сторону (BC). Для прямой

( AH )

вектор BC является нормальным,

поэтому уравнение высоты

( AH ) ищем в виде общего уравнения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 4y C1 0.

 

 

 

 

(14)

 

Точка

A принадлежит прямой

( AH ),

ее координаты удовлетво-

ряют уравнению

(14): 1 8 C1 0, отсюда

C1

7, и уравнение

( AH ) имеет вид

x 4y 7 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть

 

M (xM , yM )

 

-

середина

стороны

(BC),

тогда

x

 

4 7

 

 

11

,

y

 

6 6 0. Уравнение медианы ( AM )

ищем в

 

 

 

 

M

M

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

виде канонического уравнения (6). Вектор AM {9 / 2, 2} для медианы

( AM ) направляющий, ее уравнение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(AM ) :

x 1

 

y 2

, или 2x 2

9

y 9,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9 / 2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

или

4x 4 9y 18, или

4x 9y 22 0.

 

 

 

 

 

 

Ищем уравнение биссектрисы, проведенной из вершины A.

 

 

Имеем

AB {3, 4},

 

AC {6, 8}, найдем длины этих векторов:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| AB |

 

9 16 5,

| AC |

 

36 64

10. Орты векторов AB и AC -

векторы eAB {3/ 5, 4 / 5},

 

eAC {6 /10, 8 /10} {3/ 5, 4 / 5}.

 

12

Соседние файлы в папке Ресурсы