Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Белорусский национальный технический университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Высшая математика. Курс лекций для студентов инженерно-технических и экономических специальностей, 1 семестр

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

24.11.2025

Размер:

2.2 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 117 8 9 10 11 > Следующая >>>

§ 10. Смешанное произведение векторов.

Определение 1. Смешанным произведением трех векторов			u, v, w называется
число
(u, v, w)	u, v	, w .	(1)

Свойства смешанного произведения.

1. Смешанное произведение ( u, v, w) равно объему параллелепипеда, построенного на векторах u, v, w, взятому со знаком «+», если тройка ( u, v, w) – правая и со знаком «– », если тройка (u, v, w) – левая.

Доказательство.

u, v w

Пусть тройка ( u, v, w) – правая, тогда

v Sосн. h

sin

cos

, w

(u, v, w)

u, v

что и требовалось доказать.

2.( u, v, w)=0 когда векторы компланарны.

3.(u, v, w) (v, w, u) ( w, u, v) (u, w, v) .

Свойства 2 и3 следуют из 1.

Теорема 1. Пусть u x1i y1 j z1k, v x2 i y2 j z2 k,					w x3i y3 j z k заданы
своими координатами в стандартном ортонормированном базисе i,						j, k . Тогда
(u, v, w)	x	y1	z1


	x2	y2	z2	.		(2)

	x3	y3	z3

Доказательство. По формуле (1) § 9:

		i			j			k			, поэтому

u,	v		y2	z2		x2	z2		x2	y2

u, v

, w

Следует

из

разложения определителя по 3-й строке.

Пример 1. Дана пирамида АВСD, А(1, 1, 2), В(- 1, 2, 3), С(1, 2, 2), D(2, 1, 1). Найти:

1)ее объем;

2)высоту h, опущенную на грань АВС.

Решение.					AB( 2, 1, 1), AC(0, 1, 0),								AD(1, 0, 1) .						Рассмотрим							параллелепипед,
построенный на векторах AB,											AC,		AD .
					1			. Найдем AB, AC, AD												2	1		1			2 1 1.


Тогда V						V														0	1		0


		пир			6 параллелепипеда															1	0		1
																				1	0		1
Тогда по свойству 1:							V					1, V				1	V					=		1	. С другой стороны
Тогда по свойству 1:							V					1, V					V					=			. С другой стороны
							параллелепипеда							пир	6			параллелепипеда					6
									3		1
V	1		S		h h		3V		3		6		1	, так как S						5	(см. пример 4 § 9).
	1						3V				6		1							5
				осн														осн
пир	3			осн			Sосн			5			5					осн		2
	3						Sосн			5			5							2
								2

Пример 2. Проверить лежат ли точки А(2, 1, 2), В(3, 2, 4), С(4, 2, 3), D(2, 0, -1) в одной плоскости.

Решение. AB(1, 1, 2), AC(2, 1, 1), AD(0, 1, 3) .

AB, AC, AD	1	1	2	0 , следовательно, (по свойству 2 смешанного

	2	1	1

	0	1	3

произведения) векторы			AB, AC, AD - компланарны и точки А, В, С, D лежат в
одной плоскости.

Упражнения к § 10.

Упражнение 10.1. Определить какой тройкой (правой или левой) является тройка векторов a, b, c в каждом из следующих случаев.

1)a j, b k, c i .

2)a k, b i, c j .

3)a k j, b j 2i k, c 3i 2 j k .

4) a i k, b 3i 2k, c i 3 j .

Упражнение 10.2. Вычислить смешанное произведение a b c :

1)a (2; 3; 1), b ( 2; 1; 1), c (1; 2; 2) .

2)a (1; 2; 1), b (2; 1; 1), c (1;1; 2) .

3)a (9; 7; 8), b (6; 4; 5), c (1;2; 3) .

4)a (1; 2; 3), b (3; 1; 2), c (2; 3; 1) .

Упражнение 10.3. Выяснить компланарны ли векторы.

1) a i 2 j 3k, b 4i 5 j 6k, c 2i 4 j 6k . 2) a i 3 j 5k, b 2i 4 j 6k, c 8i 9 j 7k . 3) a 2i j 2k, b i 2 j 2k, c 2i 2 j k .

4) a i 7 j k, b 8i j 8k, c i 2 j k .

Упражнение 10.4. Вычислить объем параллелепипеда, построенного на векторах.

a i j k, b 2i k, c 5i 2 j .

2) a 4i 5 j k, b 2i 3 j k, c 2i j 3k .

3) a 2i 2 j 3k, b 3i j 2k, c i 3 j k .

2, ( p,

q) 45 .

a 2 p 3q, b p 4q, c 3p 5q , где

Упражнение 10.5. Доказать, что точки А, В, С, D лежат в одной плоскости:

1)A( 1, 2, 1), B( 3, 1, 2), C(3, 2, 2), D(3, 4,3) .

2)A(9, 11, 5), B(7, 4, 2), C( 7,13, 3), D(1, 1,1) .

Упражнение

10.6.

При

каком

значении

векторы

a (2; ; 3), b (4; 4; 2 ), c (1; 1; 2) будут компланарны?

Упражнение 10.7. Дана треугольная пирамида ABCD. Найти объем пирамиды и высоту, опущенную из вершины D в каждом из случаев.

1)A(6, 1, 4), B(2, 2, 5), C(7,1, 3), D(1, 3,7) .

2)A(1, 2, 6), B(0, 3, 8), C( 5, 1, 4), D( 3, 2, 6) .

3)A(2, 1, 1), B(6, 2, 2), C(4, 3, 2), D( 6, 8, 7) .

4)A(1, 2, 3), B(3,1,2), C(2,3, 1), D(12,0,0) .

Ответы на упражнения к § 10.

10.1.1) правая; 2) правая; 3) правая; 4) левая.

10.2.1) 20; 2) -2; 3) -9; 4) 18.

10.3.1) да; 2) нет; 3) нет; 4) нет.

10.4.1) 1; 2) 76; 3) 14; 4) 0.

10.6.1 5 .

10.7.1) 233 , 4634 ; 2) 623 , 124293 ; 3) 553 , 223 ; 4) 3, 23 .

		§ 11. Плоскость в пространстве.
Определение 1. Рассмотрим трехмерное пространство R3. Пусть (0, i,									j, k) -
прямоугольная		декартова система				координат, М0 – фиксированная			точка,
OM0 r0	- ее радиус вектор,			u, v -		два произвольных неколлинеарных вектора.
Плоскостью Р,		проходящей через точку М0 и параллельной векторам u, v будем
называть множество точек М пространства, радиус векторы							r которых заданы
формулой:
r r0 t1u t2 v, t1, t2 R .									(1)
		u			v
	z
		M0
		0		y
x
Вектором		нормали	n	к	плоскости Р будем называть произвольный
ненулевой вектор перпендикулярный плоскости.
Теорема 1. Пусть			n( A, B, C)			- вектор нормали к плоскости Р, заданный
своими координатами в			базисе		i,	j, k ; M0 (x0 , y0 , z0 ) - фиксированная			точка
плоскости,	r0 - ее радиус вектор,				M (x, y, z) - произвольная точка плоскости, r -
ее радиус вектор. Тогда
(n, r r0 ) 0 -									(2)
векторное уравнение плоскости, и
A(x x0 ) B( y y0 ) C(z z0 ) 0 -									(3)
уравнение плоскости по точке				M0 (x0 , y0 , z0 ) и вектору нормали n( A, B, C) .
Доказательство. Из формулы (1) следует, что r r0 t1u t2 v, n u, n v ,
поэтому (n, r r0 ) 0 и формула (2) доказана.
Формула (3) следует из формулы (2).
Замечание. Если раскрыть скобки в формуле (3), получим:
Ax By Cz (Ax0 By0 Cz0 ) 0					или Ax By Cz D 0 -				(4)
общее уравнение плоскости (здесь n( A, B, C) - вектор нормали).
Пример 1. написать уравнение плоскости Р, проходящей								через	точки
А(1, 2, -3) и В(2, 3, 1) параллельно вектору u(3,1, 1) .
Решение.		AB(1, 1, 4), u(3, 1, 1) , тогда вектор нормали n					AB, u

	i	j	k	i			j			k		5i 13 j 2k ;	n( 5, 13, 2)	- вектор
	i	j	k
	1	1	4		1	1		3	1		3 1
	1	1	4		1	1		3	1		3 1
	3	1	1
	3	1	1

нормали, поэтому по формуле (3):
5(x 1) 13( y 2) 2(z 3) 0
5x 13y 2z 27 0 - уравнение искомой плоскости.
		Замечание.					Пусть			A(x1, y1, z1), B(x2 , y2 , z2 ), C(x3, y3, z3)				- три

фиксированные точки плоскости Р и D(x, y, z) - произвольные точки плоскости. Тогда векторы AD, AB, AC - компланарны и, следовательно,

( AD, AB, AC) 0 (см.§ 10. свойство 2), то есть:

x x1 x2 x1 x3 x1

y y1 y2 y1 y3 y1

z z1

z2 z1 0 - (5) z3 z1

уравнение плоскости по трем точкам.

Нормальное уравнение плоскости.

Пусть n0 - вектор нормали к плоскости Р, n0 1, и пусть n0 направлен от начала координат к плоскости. Согласно §8 n0 (cos , cos , cos ) .

Пусть точка A P

и такая, что OA -

сонаправлен с

n0 ,

расстояние от начала координат до плоскости,

пусть B(x, y, z) - произвольная

точка плоскости Р. Тогда

OB, n

cos OB

n p . С другой стороны по

формуле

(2)

§8

OB, n x cos

y cos z cos .

Поэтому

x cos y cos z cos p 0 -

(6)

нормальное уравнение плоскости.

Пусть

d 0 .

Рассмотрим плоскость Р1

параллельную Р,

отстоящую

от

начала координат на p d единиц и такую,

что любая точка

M (a, b, c) P

О(0, 0, 0) – расположены по разные стороны от плоскости Р. Тогда по формуле

(6):

x cos y cos z cos ( p d) 0 - уравнение плоскости Р1. Так как

M (a, b, c) P ,

то

a cos b cos c cos ( p d) 0 .

Поэтому

d a cos b cos c cos p -

(7)

расстояние

от

точки

M (a, b, c) до плоскости

Р заданной

уравнением

(6).

Аналогично

d (acos bcos ccos p) -

(8)

если M (a, b, c)

и О(0, 0, 0)

лежат по одну сторону от плоскости Р. Таким

образом из (7), (8) следует, что d

a cos bcos c cos p

- (9)

расстояние

от

произвольной

точки M (a, b, c)

пространства

до

плоскости

Р,

заданной нормальным уравнением (6).

Замечание. Для того, чтобы из уравнения (4) получить уравнение (6) надо представить его в виде:

A2 B2 C2

причем знак перед корнем выбираем противоположным знаку D.

Пример 2. Написать общее и нормальное уравнение плоскости Р, проходящей через точки А(1, 1, 2), В(- 1, 2, 3), С(1, 2, 2). Найти расстояние от точки D(2, 1, 1) до плоскости Р.

Решение. По формуле (5)

	x 1	y 1	z 2		x 1		y 1		z 2
	x 1	y 1	z 2		x 1		y 1		z 2
	1 1	2 1	3 2	0 ;	2	1			1		0
	1 1	2 1	2 2		0	1			0
(x 1) 2(z 2) 0; x 2z 5 0						- общее уравнение								плоскости;			n (1, 0, 2) -
вектор нормали			к плоскости;				n	5		1		x	2	z	5	0	- нормальное



										5			5		5

уравнение плоскости. Далее, по формуле (9):

d		1	2	2		1	5		5			1	(сравни с примером 1 § 10).


	5			5	5			5			5
Замечание.						Рассмотрим					плоскость Р, заданную уравнением (4):
Ax By Cz D 0.						Пусть M1(a1, b1, c1) и M2 (a2 , b2 , c2 ) - две произвольные
точки пространства M1, M2 P . Тогда, если
(A a1 B b1 C c1 D)(A a2										B b2 C c2 D) 0 ,				(10)

то точки М1 и М2 лежат по одну сторону от плоскости Р. В противном случае по разные стороны.

Пример 3. Дана пирамида ABCD; А(3, 2, 1), В(1, 3, 2), С(3, 3, 1), D(3, 2, 2).

Написать уравнение плоскости. делящей пополам двугранный угол с ребром АВ пирамиды ABCD.

Решение. Напишем уравнение плоскости АВС:

	x 3	y 2	z 1		x 3	y 2	z 1
	x 3	y 2	z 1		x 3	y 2	z 1
	1 3	3 2	2 1	0 ,	2	1	1	0 ,
	3 3	3 2	1 1		0	1	0
(x 3) 2(z 1) 0; x 2z 5 0 .
Напишем уравнение плоскости АВD:
	x 3	y 2	z 1		x 3	y 2	z 1
	x 3	y 2	z 1		x 3	y 2	z 1
	1 3	3 2	2 1	0 ,	2	1	1	0 ,
	3 3	2 2	2 1		0	0	1

(x 3) 2( y 2) 0;

x 2y 7 0 . Точка M (x, y, z)

на искомой плоскости

равноудалена от плоскостей АВС и ABD. По формуле (9):

x 2z 5

x 2y 7

x 2z 5 ( x 2y 7) ,

x 2z 5 x 2y 7

или

x 2z 5 x 2y 7 ,

y z 1 0

или

x y z 6 0 .

Получим

две взаимно-перпендикулярные

плоскости. Одна из них делит внутренний угол, другая – внешний. Проверим

условие (10) для точек С и D. Возьмем плоскость				y z 1 0 , тогда, (см.(10)) ,
(3 1 1)(2 2 1) 0 , поэтому точки		С	и D лежат по		разные стороны от
плоскости; y z 1 0 - искомая плоскость.
Замечание.	Рассмотрим (4)	-	общее	уравнение	плоскости. Пусть
A 0, B 0, C 0,	D 0. Тогда уравнение (4) можно переписать в виде:

Ax By Cz D;

или

где a DA ; b DB ; c CD ; (11)_ - уравнение плоскости в отрезках.

b y

Плоскость, заданная уравнением (11) проходит через

(a, 0, 0); (0, b, 0); (0, 0, c) на осях координат.

(11)

точки

Предположим, что какие-то из коэффициентов А, В, С, D в уравнении Ax By Cz D 0 равны нулю. Тогда:

1) если D=0, то плоскость проходит через начало координат;

2)если А=0, то плоскость проходит параллельно оси Ох;

3)если В=0, то плоскость проходит параллельно оси Оу;

4)если С=0, то плоскость проходит параллельно оси Оz;

5)если А=В=0, то плоскость проходит перпендикулярно оси Оz и т.д.

Теорема 2.

Пусть A1x B1 y C1z D1 0 и A2 x B2 y C2 z D2

- две

плоскости, заданные общими уравнениями. Тогда

cos

A1A2

B1B2 C1C2

(12)

где - двугранный угол между плоскостями. Если

A A B B C C =0, то плоскости перпендикулярны. Если

то плоскости параллельны.

Доказательство.

n1( A1, B1, C1)

и n2 ( A2 , B2 , C2 ) - векторы

нормалей

плоскостям. Поэтому угол между плоскостями находится через угол между векторами n1 и n2 по формуле (12).

Упражнения к § 11.

Упражнение 11.1. Составить уравнения плоскостей, параллельных координатным плоскостям и проходящим через точку M0 (3; 2;4) .

Упражнение 11.2. Составить уравнение плоскости, проходящей через точку М0 и имеющей нормальный вектор n в каждом из следующих случаев:

1)M0 (6;2; 2), n (3, 5, 1) ;

2)M0 (1; 5; 3), n (3, 0, 3) .

Упражнение 11.3. Составить уравнение плоскости, проходящей через заданную точку М0 и параллельную двум неколлинеарным векторам a1 и a2 в каждом из следующих случаев:

1)	M0 (4;1; 2), a (2, 1, 2), a (1,3, 0) ;
2)	M0 (1; 1; 0), a (3, 3, 2), a (2, 1, 4) ;
3)	M0 (3;4;2), a1 (3, 3, 1), a2			(1,0, 2) .
Упражнение 11.3. Составить уравнение плоскости, проходящей через
заданную точку М0 и перпендикулярную двум плоскостям Р1 и Р2:
1)	M	0	(4;1; 2), P : 2x 3y z 5 0; P : x 2 y 3z 1 0 ;
			1	2
2)	M	0	(1; 1; 0), P : x y z 1 0; P : 2x y 3z 1 0 ;
			1	2

Упражнение 11.4. Составить уравнение плоскости, проходящей через три заданные точки в каждом из следующих случаев:

1)M1(0; 0; 7), M2 (2; 2; 4), M3(3; 1; 2) ;

2)M1(4; 3; 0), M2 (1; 1; 2), M3(7; 0; 8) ;

3)M1(8; 0; 2), M2 (1; 5; 1), M3(3; 0; 4) .

Упражнение 11.5. Найти отрезки, отсекаемые на осях координат плоскостью, в каждом из следующих случаев:

1) 5x y z 20 0; 2) x 2y 4z 8;

3) 2x y 5z 40 0; 4) 6x 2y 5z 30 0 .

Упражнение 11.6. Записать уравнение плоскости, проходящей через две точки М1 , М2 и параллельной данному вектору a :

1)M1(1; 2; 1), M2 (4; 1; 1), a (5; 3; 4) ;

2)M1(3; 2; 1), M2 (1; 4; 3), a (2; 1; 2) .

Упражнение 11.7. Среди данных плоскостей указать параллельные, совпадающие, перпендикулярные:

1) 2x 3y 4z 5 0; 2) 4x 6y 8z 10 0 ; 3) 6x 9y 12z 15 0; 4) 3x 2y 8 0 .

Упражнение 11.8. Найти угол между двумя плоскостями:

1) 3x 2y 5z 12 0; x 4y z 4 0 ;

2)5x 3y z 20 0; x 10y 2z 17 0 ;

3)2x z 9 0; 5y 4z 2 0 .

Упражнение 11.9. Записать уравнение плоскости, проходящей через точку M0 (2;4;0) и параллельной плоскости 3x y 4z 7 0 .Найти расстояние между

плоскостями.

Упражнение 11.10. Дана вершина параллелепипеда M (1; 2;1) и уравнения плоскостей, в которых лежат три его непараллельные грани: 2x y 2z 4 0, 3x 5y z 11 0 , 2x y 3z 10 0 . Записать уравнения плоскостей, в которых

лежат три другие грани. Найти длину диагонали MN этого параллелепипеда. Упражнение 11.11. Вычислить расстояние от данной точки М до

указанных плоскостей:

1)M (2;1;3) , x 5y z 4 0 ;

2)M (1;3; 4) , 2x y 4z 1 0 ;

3)M (4;0; 2) , x 5z 3 0 .

Упражнение 11.12. Найти расстояние между параллельными плоскостями:

1) x 4y z 6 0; x 4y z 10 0 ;

2) 2x y 3z 16 0; 4x 2y 6z 3 0 ; 3) 5x y 6z 1 0; 5x y 6z 4 0 .

Упражнение 11.13. Записать уравнения плоскостей, параллельных


плоскости 2x 2y z 4 0			и отстоящих от нее на расстояние 4 .
Упражнение		11.14.	Составить		уравнения плоскостей,		которые	делят
пополам двугранные углы между двумя пересекающимися плоскостями:
1)	x y z 2 0; 2x 2y 2z 3 0 ;
2)	z 2x 3y 4 0; 3x 2y z 4 0 .
Упражнение		11.15.		Дан		четырехугольник		АВСD,
A(1; 0; 1), B( 1; 1; 2), C( 1; 3; 1), D(1, 2,2)					и	плоскости	x 4y z 4 0 ,

3x 2y 5z 12 0 , рассекающие плоскость четырехугольника на четыре угла .

Определить как расположены вершины четырехугольника(в одном угле, в смежных или вертикальных углах).

Ответы на упражнения к § 11.

11.1.x 3 0, y 2 0, z 4 0 .

11.2.1) 3x 15y z 6 0; 2) 3x 3z 6 0.

11.3.1) 6x 2y 7z 8 0; 2) 14x 8y 9z 22 0 ; 3) 6x 5y 3z 8 0 .

11.4.1) 7x 15y 4z 28 0; 2) 38x 18y 23z 98 0 ; 3) 30x 37 y 25z 190 0.

11.5.1) a 4, b 20, c 20; 2) a 8, b 4, c 2 ; 3) a 20, b 40, c 8; 4) a 5, b 15, c 6 .

11.6.1) 6x 2y 6z 4 0; 2) 14x 14z 56 0 .

11.7.Плоскости 1) и 2) параллельны; плоскости 1) и 3) совпадают; плоскость 4) перпендикулярна плоскостям 1), 2), 3).

11.8.900; 2) 57022 ; 3) 73078 .

11.9.3x y 4z 10 0 .

11.10. 2x y 2z 6 0 , 3x 5y z 8 0 ,														2x y 3z 3 0 ,	MN	17	.
11.10. 2x y 2z 6 0 , 3x 5y z 8 0 ,														2x y 3z 3 0 ,	MN	17	.
11.11. 1)	d		4	; 2) d			17		; 3) d			9	.
11.11. 1)	d			; 2) d					; 3) d				.
			26				21				26
11.12. 1)	16		; 2)	35		; 3)		1		.
11.12. 1)			; 2)			; 3)				.
	3	2		3	6		62

11.13.1) 2x 2y z 6 0; 2) 2x 2y z 16 0 .

11.14.1) 4y 4z 7 0, 4x 1 0; 2) 5x y 8 0, x 5y 2z 0 .

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 117 8 9 10 11 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]