Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Индивидуальные задания по линейной алгебре матрицы, определители, системы линейных уравнений. Линейные геометрические объекты. Учебно-методическое пос

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
12.08.2026
Размер:
726 Кб
Скачать

ром Ę1 “ p9, ´7, 6q. Теперь на векторах ¯ и Ę1 построим параллелограмм. Высота этого параллелограмма относительно основания ¯ и есть расстояние от точки до прямой . Требуемую высоту можем найти, используя геометрический смысл модуля векторного произведения в трехмерном пространстве (площадь параллелограмма), разделив площадь на длину основания параллелограмма:

ˇˇ

ˇ¯ ˆ Ę1ˇ.

|¯|

Находим векторное произведение

¯ˆ 1

 

 

7

´6

 

 

¯´ ´9

 

´6

 

 

¯` ´9

 

 

7

¯ “ p´71, ´3, 103q,

 

 

 

1

11

 

 

 

16

 

11

 

 

16

1

 

 

 

 

 

 

 

´

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

´

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ę

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и длины

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

векторов:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˇ¯ ˆ 1

ˇ a

 

?

 

 

,

 

 

71q2 ` p´3q2 ` 1032

15659

 

 

ˇ

 

 

Ę ˇ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

` 1

2

` p´11q

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|¯| “ a16q

 

 

 

 

378,

 

отсюда

cc

15659378 223754 .

Канонические уравнения прямой записываем, используя найденный направляющий вектор ¯ и точку 1:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

:

 

 

´ 10

 

` 1

 

 

´ 8

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

´11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

´16

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

` 6

 

 

 

` 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

2237

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответы:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

54 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

´16

 

 

1

´11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Доказать, что прямые 1

и 2, заданные уравнениями

 

 

 

 

 

:

 

` 1

 

 

 

´ 1

 

 

` 3

,

 

 

:

 

 

´ 3

´ 9

 

` 5

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

´2

1

 

1

 

´2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

4

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

4

 

 

являются скрещивающимися, и найти:

81

а) угол между ними;

б) общее уравнение плоскости , проходящей через 1

параллельно 2;

в) расстояние между прямыми.

Решение. Направляющие векторы прямых суть ¯1 “ p´2, 1, 4q и

¯2 “ p4, ´2, 1q соответственно. Также найдем точки на этих прямых: 11, 1, ´3q и 2p3, 9, ´5q. Векторы не пропорциональны, следовательно, прямые не параллельны и не совпадают. Угол между прямыми найдем через скалярное произведение их направляющих векторов:

cos

 

|¯1 ¨ ¯2|

 

 

| ´ 8 ´ 2 ` 4|

 

 

 

2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

|¯1| ¨ |¯2|

“ ?4 ` 1 ` 16?16 ` 4 ` 1

7

 

 

Значит, искомый угол arccos 27 .

Плоскость , проходящую через прямую 1 параллельно прямой 2

в данной задаче проще всего представить в параметрическом виде:

¯ ¯ 1 ` ¯1 ` ¯2. Или покоординатно:

$

“ ´1 ´ 2 ` 4 ,

&

1 ` ´ 2 ,

% “ ´3 ` 4 ` .

Чтобы найти общее уравнение плоскости найдем вектор нормали к ней: ¯ ¯1 ˆ ¯2 “ p´2, 1, 4q ˆ p4, ´2, 1q “ p9, 18, 0q. Поскольку вектор нормали нас интересует с точностью до пропорциональности, то

¯1

сократим полученный вектор: “ p1, 2, 0q. Значит, общее уравнение плоскости есть 1 ¨ `2 ¨ `0 ¨ ` “ 0. Коэффициент найдем подстановкой произвольной точки, принажлежащей плоскости, например 1, в ее уравнение: 1 ¨ p´1q ` 2 ¨ 1 ` “ 0. Значит, “ ´1 и

общее уравнение плоскости есть

` 2 ´ 1 0.

82

Расстояние между скрещивающимися прямыми равно расстоянию между любой точкой прямой 2 и параллельной обеим прямым проходящей через 1 плоскостью . В качестве любой точки 2 проще всего взять точку 2. По известной формуле расстояния от точки до плоскости имеем:

 

 

|1 ¨ 3 ` 2 ¨ 9 ` 0 ¨ p´5q ´ 1|

20

 

 

4?

 

.

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

?12 ` 22 ` 02

 

?5

 

 

 

 

 

Поскольку расстояние не нулевое и направляющие векторы не пропорциональны, то прямые скрещиваются. ?

Ответы: arccos 27 , ` 2 ´ 1 0, 4 5.

8. Найти пересечение трех плоскостей:

 

´ 2 ` 4 ´ 3 0, 3 ` ´ 3 ` 1 0,

5 ´ 3 ` 5 ´ 5 0.

Если пересечением является точка, то указать ее координаты, если это прямая, то указать направляющий вектор и какую-либо точку прямой, если это плоскость, то привести ее уравнение.

Решение. Проанализируем систему трех заданных уравнений на совместность, определенность, сравнив между собою ранги основной матрицы , расширенной матрицы s и число неизвестных (в данном случае 3). Если rank rank s, то система несовместна, а это означает, что три плоскости не пересекаются (не имеют общих точек). Если rank rank s 3, то система имеет единственное решение, и это значит, что плоскости пересекаются в одной точке. Если rank rank s 2, то система является совместной неопределенной, имеет одну свободную неизвестную (параметр), и пересечением плоскостей будет являться прямая. Чтобы найти точку и направляющий вектор этой прямой, нужно записать решение системы в параметрическом виде, это и будут параметрические уравнения искомой прямой. Если rank rank s 1, то пересечением является плоскость (т. е. данные три плоскости совпадают).

83

В нашем случае имеется система линейных уравнений

$

´ 2 ` 4 3,

&

3 ` ´ 3 “ ´1,

%5 ´ 3 ` 5 5.

Составим расширенную матрицу системы и приведем ее к ступенчатому виду:

¨

3

 

´1

 

3

ˇ

 

1

˛

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

´

4

ˇ

´

3

 

`

¨ p´ q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

3

5

5

 

 

 

 

 

 

 

 

˚

 

 

ˇ

 

 

 

 

5

q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

´

 

 

ˇ

 

 

`

¨ p´

 

 

 

 

 

 

 

 

˝

 

 

 

 

 

ˇ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

ˇ4

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

1

2

4

 

 

3

 

¨

 

´7

 

 

ˇ

ˇ

 

10 ˛

 

 

 

 

 

¨

 

´7

 

ˇ

 

10 ˛.

 

0

 

 

15

 

 

 

 

 

 

0

15

 

 

 

0

7

´

15

ˇ

´

 

 

 

 

 

 

0

0

´

ˇ

´

0

 

˚

´

ˇ

 

10

`

 

 

7

˚

0

ˇ

 

 

 

 

 

ˇ

´

 

¨ p´ q

 

 

 

ˇ

 

 

˝

 

 

 

 

 

ˇ

 

 

 

 

 

 

 

˝

 

 

 

ˇ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˇ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˇ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˇ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˇ

 

 

Как мы видим, и в основной, и в расширенной матрицах число ненулевых строк равно двум: rank rank s 2, число неизвестных равно 3, система является совместной неопределенной, есть одна свободная неизвестная, в качестве которой мы возьмем . Запишем полученную систему, найдем ее общее решение:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

$ 3 ` 2 ´ 4 ,

 

$

 

1

 

`

 

2

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

4

 

3,

 

 

 

7

 

 

7

 

´

`

 

 

 

 

10 15

 

 

 

 

 

 

 

10 15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

´

`

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

$

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

15

 

 

 

10;

 

 

 

7

 

 

“ ´

7

` 7

 

 

 

 

 

ðñ

 

 

 

ðñ

 

&

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

&

 

 

 

 

 

 

&

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

% ´ “ ´

 

 

 

,

R;

 

 

 

 

,

R.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

 

 

 

 

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

%

 

 

 

 

 

 

%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мы получили параметрические уравнения прямой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Прямая проходит через точку 0 71 , ´107 ,

0 , имеет направляющий

 

 

 

¯1

 

 

2

, 15 ,

1 .

 

 

 

 

что в качестве направляющего мож-

вектор

 

 

 

7

 

7

 

 

Отметим,

`

 

 

˘

 

2, 15, 7

 

 

, обозна-

но указать

также параллельный вектору ¯1

вектор

p

q

 

`

 

 

 

 

˘

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

чив его через ¯.

84

Ответ: пересечением является прямая, она проходит через точку

` ˘

0 17 , ´107 , 0 , имеет направляющий вектор ¯ “ p2, 15, 7q .

Вариант 1

¯

1. На векторах ¯ “ p1, 5, 2q и “ p´4, 1, ´1q, выходящих из одной точки, построен параллелограмм. Найти: длины диагоналей парал-

лелограмма; угол между диагоналями; работу силы s ¯ на пути

¯

¯ .

2.Даны вершины пирамиды : p7, 6, 5q, p9, 5, 6q, p4, 6, 9q,

p7, 10, 8q. Найти площадь основания , объем пирамиды, длину высоты .

¯

3. Доказать, что векторы ¯ “ p1, 2, 4q, “ p4, ´2, 0q, ¯ “ p´1, 1, 3q

¯

образуют базис. Найти координаты вектора “ p´3, ´2, 1q в этом

базисе. Ответ проверить.

4.Дан треугольник : p10, ´2q, 6, 10q, p1, ´14q. Сделать чертеж. Найти длину и уравнение стороны , длину и уравнение высоты , уравнение медианы , уравнение биссектрисы . Сделать проверку всех ответов.

5.В условиях задачи 2 найти: уравнение грани ; уравнения высоты

; координаты точки . Все ответы проверить.

6.Для прямой , заданной общими уравнениями, и точки найти: канонические уравнения прямой; расстояние от точки до прямой .

 

 

 

 

:

$´ ` 2 ´ 13 0,

0;

 

 

 

11, 6, 12 .

 

 

 

 

 

 

 

&

`

6

´

6

`

3

 

 

 

p

 

 

 

q

 

 

 

 

 

 

 

%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Доказать, что прямые 1 и

2, заданные уравнениями

 

 

 

 

 

:

` 9

` 10

 

 

` 6,

 

 

:

´ 8

 

´ 9

 

` 9

,

 

1

 

 

´3

 

 

1

 

 

 

4

 

 

 

 

2

 

0

´1

 

1

 

являются скрещивающимися, и найти:

85

а) угол между ними;

б) общее уравнение плоскости , проходящей через 1

параллельно 2;

в) расстояние между прямыми.

8. Найти пересечение трех плоскостей:

3 ` ` 2 ´ 5 0, ´ 2 ` 2 ` 3 0, 8 ` 5 ` 4 ´ 18 0.

Если пересечением является точка, то указать ее координаты, если это прямая, то указать направляющий вектор и какую-либо точку прямой, если это плоскость, то привести ее уравнение.

Вариант 2

¯

1. На векторах ¯ “ p´3, 1, ´6q и “ p3, ´2, 4q, выходящих из одной точки, построен параллелограмм. Найти: длины диагоналей парал-

лелограмма; угол между диагоналями; работу силы s ¯ на пути

¯

¯ .

2.Даны вершины пирамиды : p6, 5, 5q, p8, 8, 4q, p4, 9, 10q,

p9, 4, 9q. Найти площадь основания , объем пирамиды, длину высоты .

¯

3. Доказать, что векторы ¯ “ p´4, 1, 8q, “ p4, ´2, 6q, ¯ “ p4, 2, 1q

¯

образуют базис. Найти координаты вектора “ p´8, ´9, 17q в этом

базисе. Ответ проверить.

4.Дан треугольник : p16, ´2q, 8, ´9q, 12, ´6q. Сделать чертеж. Найти длину и уравнение стороны , длину и уравнение высоты , уравнение медианы , уравнение биссектрисы . Сделать проверку всех ответов.

5.В условиях задачи 2 найти: уравнение грани ; уравнения высоты

; координаты точки . Все ответы проверить.

86

6.Для прямой , заданной общими уравнениями, и точки найти: канонические уравнения прямой; расстояние от точки до прямой .

 

 

 

:

$´ ´ 4 ´ 3 ` 29 0,

 

15, 10, 5

q

.

 

 

 

 

 

&3

´

8

´

7

`

125

0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Доказать, что прямые 1 и

2, заданные уравнениями

 

 

 

 

 

 

 

:

` 11

 

 

` 2

 

 

` 1

,

 

 

:

` 11

 

´ 1

 

 

` 12

,

1

 

 

2

2

1

4

 

 

 

3

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

являются скрещивающимися, и найти:

а) угол между ними;

б) общее уравнение плоскости , проходящей через 1

параллельно 2;

в) расстояние между прямыми.

8. Найти пересечение трех плоскостей:

5 ` 5 ´ ` 2 0, ` 14 ` ´ 3 0, 8 ` 47 ` 2 ´ 4 0.

Если пересечением является точка, то указать ее координаты, если это прямая, то указать направляющий вектор и какую-либо точку прямой, если это плоскость, то привести ее уравнение.

Вариант 3

¯

1. На векторах ¯ “ p3, ´4, ´5q и “ p´5, 2, ´3q, выходящих из одной точки, построен параллелограмм. Найти: длины диагоналей парал-

лелограмма; угол между диагоналями; работу силы s ¯ на пути

¯

¯ .

2. Даны вершины пирамиды : p8, 6, 7q, 4, 8, 3q,

p4, 8, 10q, p5, 10, 4q. Найти площадь основания , объем пирамиды, длину высоты .

87

¯

3. Доказать, что векторы ¯ “ p5, 1, ´1q, “ p3, ´2, 2q, ¯ “ p´1, 2, 1q

¯

образуют базис. Найти координаты вектора “ p´1, ´12, 3q в этом

базисе. Ответ проверить.

4.Дан треугольник : p12, ´5q, 4, 7q, p3, ´17q. Сделать чертеж. Найти длину и уравнение стороны , длину и уравнение высоты , уравнение медианы , уравнение биссектрисы . Сделать проверку всех ответов.

5.В условиях задачи 2 найти: уравнение грани ; уравнения высоты

; координаты точки . Все ответы проверить.

6.Для прямой , заданной общими уравнениями, и точки найти: канонические уравнения прямой; расстояние от точки до прямой .

 

 

 

:

$ ` 4 ´ 6 ` 121

0,

 

 

 

 

11, 5, 8

q

.

 

 

 

 

 

 

&

 

8

`

3

´

 

´

58

 

0;

 

 

 

p´ ´

 

 

 

 

 

 

 

 

 

%´

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Доказать, что прямые 1 и

2, заданные уравнениями

 

 

 

 

 

 

 

:

` 10

 

` 8

 

 

` 4,

 

 

:

` 3

 

´ 6

` 3

,

 

1

 

 

 

´2

 

 

 

4

 

 

´5

 

 

 

2

 

1

 

 

1

 

 

 

1

 

являются скрещивающимися, и найти:

а) угол между ними;

б) общее уравнение плоскости , проходящей через 1

параллельно 2;

в) расстояние между прямыми.

8. Найти пересечение трех плоскостей:

3 ´ 3 ´ ` 4 0, 4 ` 8 ` 4 ´ 3 0, 2 ´ 14 ´ 6 ` 9 0.

Если пересечением является точка, то указать ее координаты, если это прямая, то указать направляющий вектор и какую-либо точку прямой, если это плоскость, то привести ее уравнение.

88

Вариант 4

¯

1. На векторах ¯ “ p3, ´2, 1q и “ p´6, ´1, ´1q, выходящих из одной точки, построен параллелограмм. Найти: длины диагоналей парал-

лелограмма; угол между диагоналями; работу силы s ¯ на пути

¯

¯ .

2.Даны вершины пирамиды : p7, 4, 5q, p5, 7, 5q, p5, 4, 11q,

p7, 7, 3q. Найти площадь основания , объем пирамиды, длину высоты .

¯

3. Доказать, что векторы ¯ “ p´3, 0, ´1q, “ p6, ´2, 2q, ¯ “ p´1, 2, ´4q

¯

образуют базис. Найти координаты вектора “ p1, 5, ´7q в этом

базисе. Ответ проверить.

4.Дан треугольник : p9, 8q, 15, 1q, 19, 4q. Сделать чертеж. Найти длину и уравнение стороны , длину и уравнение высоты , уравнение медианы , уравнение биссектрисы . Сделать проверку всех ответов.

5.В условиях задачи 2 найти: уравнение грани ; уравнения высоты

; координаты точки . Все ответы проверить.

6.Для прямой , заданной общими уравнениями, и точки найти: канонические уравнения прямой; расстояние от точки до прямой .

 

 

 

:

$´3

 

´ 7 ´ 2 ` 117 0,

 

 

16, 6,

 

2

.

 

 

 

 

 

 

&

 

5

´

8

`

69

0;

 

 

 

 

p

 

 

´ q

 

 

 

 

 

 

 

%´

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Доказать, что прямые 1 и

2, заданные уравнениями

 

 

 

 

 

 

:

 

´ 10

 

 

´ 4

` 9

,

 

 

:

´ 3

 

` 10

 

 

` 5

,

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

3

 

´2

 

 

5

 

 

 

2

 

0

 

´1

 

являются скрещивающимися, и найти: а) угол между ними;

89

б) общее уравнение плоскости , проходящей через 1

параллельно 2;

в) расстояние между прямыми.

8. Найти пересечение трех плоскостей:

´3 ` 5 ´ ` 3 0, 5 ´ 4 ` ` 1 0, ` 7 ´ ` 11 0.

Если пересечением является точка, то указать ее координаты, если это прямая, то указать направляющий вектор и какую-либо точку прямой, если это плоскость, то привести ее уравнение.

Вариант 5

¯

1. На векторах ¯ “ p2, 2, 2q и “ p´4, ´1, 0q, выходящих из одной точки, построен параллелограмм. Найти: длины диагоналей парал-

лелограмма; угол между диагоналями; работу силы s ¯ на пути

¯

¯ .

2.Даны вершины пирамиды : p11, 5, 6q, p13, 4, 7q, p8, 5, 10q,

p11, 9, 9q. Найти площадь основания , объем пирамиды, длину высоты .

¯

3. Доказать, что векторы ¯ “ p´5, 1, 7q, “ p3, ´2, 2q, ¯ “ p´1, 2, ´4q

¯

образуют базис. Найти координаты вектора “ p1, 0, ´10q в этом

базисе. Ответ проверить.

4.Дан треугольник : p7, ´2q, 9, ´14q, 2, 10q. Сделать чертеж. Найти длину и уравнение стороны , длину и уравнение высоты , уравнение медианы , уравнение биссектрисы . Сделать проверку всех ответов.

5.В условиях задачи 2 найти: уравнение грани ; уравнения высоты

; координаты точки . Все ответы проверить.

90

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]