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

Вишка. Клочко

.pdf
Скачиваний:
828
Добавлен:
17.05.2015
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

причому вектор N=(A;B) є перпендикулярним до неї.

 

 

 

 

 

Доведення. 1.

Якщо В ¹ 0, то із рівняння Ах+Ву+С=0 випливає, що

Ву= –Ах–С; y = -

A

x - C . Якщо ввести позначення

-

A

= k

і - C

= b, то

B

B

 

B

 

 

B

 

останнє рівняння прийме вигляд у=kx+b. Але ж це рівняння є рівнянням прямої з кутовим коефіцієнтом.

2. Якщо В = 0, то рівняння Ах+Ву+С=0 прийме вигляд

Ах+С=0, звідки x = - CA або х = а, де a = - CA . А рівняння х = а, як відомо,

визначає пряму, паралельну осі Оу.

3. Доведемо нарешті, що вектор N = (A; B) перпендикулярний цій прямій, тобто є нормальним вектором цієї прямої. Виберемо на цій прямій дві довільні точки M1 (x1; y1) і M2 (x2; y2). Тоді координати цих точок задовольняють рівняння Ax+By+C=0, тобто справедливі рівності Ах1+Ву1+С=0 і Ах2+Ву2+С=0. Віднімемо від другої рівності першу, дістанемо: А(х2 – х1)+В(у2 –у1)=0. Це означає, що вектори N=(A;B) і

s = (х2 – х1; у2 – у1) є перпендикулярні, бо останню рівність можна записати

так: N×s=0, звідки маємо, що N s, але ж s = M M

2

лежить на даній прямій,

 

1

 

тоді вектор

N, будучи перпендикулярним до вектора M1M2 ,

перпендикулярний і до самої прямої. Теорему повністю доведено.

Рівняння

Ах + Ву + С = 0

 

(3.9)

називається загальним рівнянням прямої, його коефіцієнти числа А і В є координатами її нормального вектора.

 

 

Зауваження. Якщо в загальному рівнянні Ах+Ву+С=0

А ¹ 0, В ¹ 0 і

С ¹ 0, то із цього рівняння випливає Ах+Ву = – С, звідси

Ax

+

By

= 1 або

- C

 

 

x

 

 

y

= 1. Якщо ввести позначення – C

=а, – C

 

- C

 

 

+

=b, то дістанемо

 

- C / A

- C / B

 

 

 

x

 

 

A

B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

=1.

 

 

(3.10)

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

Рівняння (3.10) називається рівнянням прямої у відрізках на осях. Ця назва пояснюється тим, що пряма, визначена рівнянням (3.10), перетинає координатні осі в точках А (а; 0) і В (0; b).

3.2.6. Кут між двома прямими

1.Нехай дві прямі задані своїми рівняннями y=k1x+b1 і y=k2x+b2, де k1

іk2 – кутові коефіцієнти прямих, причому k1 =tgj1, k2 =tgj2, де j1 і j2 відповідно задані кути нахилу до осі Ох цих прямих (рис.3.6). Оскільки кут

j2 є зовнішнім відносно трикутника АВС, то j2 =j1+j, звідки j=j2–j1, де j

– один із суміжних кутів між прямими.

50

Тоді tgϕ = tg(ϕ2 − ϕ1) = tgϕ2 − tgϕ1 . 1+ tgϕ1tgϕ2

Отже,

tgϕ =

k2 − k1

.

(3.11)

 

 

1+ k k

2

 

 

 

1

 

 

Користуючись формулою (3.11), за відомим значенням tgϕ знаходимо шуканий кут ϕ.

З формули (3.11) випливають умови паралельності і перпендикулярності двох прямих з кутовими коефіцієнтами k1 і k2.

Дві прямі паралельні тоді і тільки тоді, коли їх кутові коефіцієнти

рівні, тобто k1= k2.

Дві прямі перпендикулярні тоді і тільки тоді, коли їх кутові коефіцієнти задовольняють умову 1+k1k2=0, тобто k2= –1/k1. Це випливає з того, що для перпендикулярних прямих ϕ=π/2, а tgπ/2 не існує, а це буде тоді, коли знаменник дробу у формулі (3.11) дорівнює нулю.

Приклад 2. Скласти рівняння прямої, що проходить через точку М0(–2;1) перпендикулярно прямій 2х+3у–1=0.

Розв’язування. Оскільки шукана пряма проходить через задану точку М0(–2;1), то скористаємось рівнянням у–у0 =k(x–x0), будемо мати: y–1=k(x+2). Треба ще визначити кутовий коефіцієнт шуканої прямої, який визначимо, користуючись умовою перпендикулярності двох прямих

k2

= −

1

. Рівняння прямої 2х+3у–1=0 приведемо до рівняння прямої з

 

 

 

 

 

 

k1

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

1

 

 

кутовим

коефіцієнтом,

 

будемо

мати:

y = −

x +

 

,

звідки

3

 

 

 

2

 

 

 

1

= 3

 

 

 

 

 

3

 

k

= −

. Тоді k = −

. Підставимо

значення

k =

3/2

в

попереднє

 

 

1

3

 

 

 

 

k1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рівняння, дістанемо y −1 =

(x + 2) , звідки 3х–2у+8 = 0.

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Можна вказати ще один спосіб розв’язування цієї задачі. З рівняння

2х+3у–1=0

знайдемо її нормальний вектор N=(2;3). На шуканій прямій

51

виберемо біжучу точку М(х; у) і розглянемо вектор M 0M = (x + 2, y - 1) . Оскільки нормальний вектор N = (2;3) даної прямої паралельний шуканій прямій, то вектори M0M і N колінеарні, тоді їх координати пропорційні

x +2 2 = y 3−1 , звідки 3х+6=2у–2 або 3х–2у+8=0. Те, що рівняння збіглися,

свідчить про те, що рівняння шуканої прямої знайдено правильно.

Відповідь: 3х–2у+8=0.

Зауваження. Якщо прямі задані загальними рівняннями А1х+В1у+С1=0 і А2х+В2у+С2=0, то кут між прямими дорівнює куту між їх нормальними векторами N1 = (A1; B1) і N2 = (A2; B2) як кути із взаємно

перпендикулярними сторонами. Отже,

шуканий кут j визначається за

формулою:

N1 × N2

 

 

 

 

 

 

cosj =

 

.

 

 

 

(3.12)

| N1 |×| N

2 |

A1

 

B1

 

 

 

 

Умовою паралельності

прямих

 

є рівність

=

, умовою

 

A

B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

перпендикулярності двох прямих є рівність А1А2 +В1В2 =0.

3.2.7 Відстань від точки до прямої

Нехай на площині дана точка М0(х0; у0) і пряма, що визначається загальним рівнянням Ах+Ву+С=0. Треба знайти відстань d від цієї точки до прямої. Шукана відстань d=|M0K|, де К – проекція точки М0 на пряму.

Через х1 і у1 позначимо координати точки К. Тоді M0K = (x1 - x0 ; y1 - y0 ). Оскільки вектори M0K і N, де N – нормальний вектор прямої, колінеарні,

тому| M 0 K × N |=| M 0 K | ×| N | , бо |cosj|=1. Запишемо останню рівність через декартові координати векторів.

Оскільки M0K × N = А( х1 - х0 )+ В( у1 - у0 ), то M0 K × N = A(x1 - x0 ) +

+ B(y1 - y0 )

 

, тоді

 

дістанемо | A(x1 - x0 ) + B( y1 - y0 ) |= d×| N | або

 

 

Ax1 + By1 - Ax0 - By0

 

= d ×

 

N

 

. Оскільки точка К лежить на даній прямій,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

то її координати задовольняють рівняння Ах+Ву+С=0, тобто Ах1+Ву1+С=0, звідси Ах1+Ву1= –С. Тоді попередня рівність запишеться так: |–Ах0–Ву0– С|=d|N або d|N|=|Ах0+Ву0+С|, звідки маємо

d =

| Ax0 + By0 + C |

 

або d =

| Ax0

+ By0 +

C |

.

(3.13)

 

 

 

 

 

 

| N |

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A2 + B2

 

Зауважимо, що рівняння

| Ax

+ By + C |

=0

(3.14)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A2 + B2

 

називають нормальним або нормованим рівнянням прямої.

52

Це рівняння дістанемо із загального рівняння прямої Ах+Ву+С=0

множенням

його

обох

частин

на нормувальний

множник

M = 1/

A2

+ B2

.

 

 

 

 

Отже,

щоб

знайти

відстань від

точки М0(х0; у0)

до прямої

Ах+Ву+С=0, треба спочатку звести це рівняння до нормального вигляду (3.14), а потім знайти модуль значення лівої частини цього рівняння в

точці М0.

Приклад 3. Знайти відстань від точки М0(–2; 1) до прямої

3х–4у–5=0.

Розв’язування. Спочатку зведемо загальне рівняння прямої до

нормального вигляду. Оскільки N=(3;–4), то

 

N

=

9 +16

= 5 , тоді,

поділивши рівняння прямої на 5, дістанемо:

3x − 4y − 5

= 0 . Шукана

 

 

5

 

 

 

відстань дорівнюватиме модулю значення лівої частини цього рівняння

при х= –2 і у=1:d =

 

 

3×(-2) - 4 ×1

 

 

=

15

= 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

5

Відповідь: 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Наведемо ще декілька прикладів.

Приклад 4. Знайти відстань між паралельними прямими

5х–12у+10=0 і 5х–12у–16=0.

Розв’язування. Легко бачити, що задані прямі паралельні, бо в них один і той же нормальний вектор N = (5; –12). Шукану відстань можна розглядати як відстань від деякої певної точки однієї із паралельних прямих до іншої. Нехай в першому рівнянні у = 0, тоді 5х + 10 = 0, звідки х =–2. Отже, шукана відстань дорівнює відстані від точки М0(–2; 0), що

знаходиться на

першій прямій,

до другої

прямої. Оскільки

 

N

 

=

52 + (-12)2

= 13 то помноживши рівняння на 1/13, зведемо рівняння

 

 

другої прямої до нормального вигляду

5x −12y −16

= 0 . Шукана відстань

13

 

 

 

 

 

 

 

дорівнюватиме модулю значення лівої частини цього рівняння при х= –2 і

у=0: d = |5×( -2 ) -12 ×0 -16 = 26 = 2. 13 13

Відповідь: 2.

Приклад 5. В трикутнику з вершинами А(3; 4), В(–1; 2) і С(4; 1) знайти точку перетину медіани, проведеної із вершини С, і висоти, опущеної з вершини В.

Розв’язування. Знайдемо координати середини D сторони АВ, користуючись тим, що координати середини відрізка дорівнюють середньому арифметичному відповідних координат початку і кінця відрізка:

53

xD =

3 + (−1)

= 1;

yD =

4 + 2

= 3. Отже, D(1; 3).

2

2

 

 

 

 

Рівняння медіани СD складемо як рівняння прямої, що проходить

через дві задані точки С і D. Вектор CD = (−3;2)

є напрямним вектором

цієї прямої. Виберемо біжучу точку М(х,у) на прямій СD і розглянемо

вектор CM = (x − 4; y −1) ,

який колінеарний з

вектором CD , тоді їх

координати пропорційні:

 

 

 

x − 4

=

y −1

, звідки

2x+3y–11=0.

 

- 3

2

 

 

 

 

 

Складемо тепер рівняння висоти, опущеної з вершини В, як прямої, що проходить через точку В перпендикулярно вектору AC = (1;−3) , який можна вважати її нормальним вектором. Для цього виберемо біжучу точку

М(х,у), на цій прямій

і

розглянемо вектор

BM = (x +1, y − 2) ,

який

перпендикулярний вектору

AC . З перпендикулярності векторів BM і AC

випливає, що їх скалярний добуток дорівнює нулю,

тобто BM × AC = 0,

звідки маємо (х+1)–3(у–2)=0, звідси x–2y+7 = 0.

 

 

 

Нарешті

знайдемо

точку перетину медіани з

висотою як

точку

перетину двох

прямих,

розв’язавши систему

 

ì2x + 3y +11 = 0,

рівнянь í

= 0,

 

 

 

 

 

îx - 2y + 7

будемо мати, що x=4/3, y=25/9; звідси х = –1, а у = 2. Отже, точкою перетину вказаної медіани з відповідною висотою є точка Е(4/3; 25/9).

Відповідь: (4/3; 25/9).

Приклад 6. Знайти точку, симетричну точці А(–1; 3) відносно прямої

х–2у+2=0.

Розв’язування. Зауважимо, що симетричні точки А і В розташовані на одному перпендикулярі до даної прямої на однаковій відстані від неї. З рівняння даної прямої х–2у+2=0 знайдемо її кутовий коефіцієнт, для цього зведемо це рівняння до рівняння прямої з кутовим коефіцієнтом, а саме:

y = 12 x +1, звідки k1 = 12 . Кутовий коефіцієнт перпендикулярної до неї

прямої знайдемо з умови, що 1+k1k2=0, звідки k2= –1/k1= –2. Складемо рівняння перпендикулярної прямої, що проходить через точку А(–1; 3), користуючись рівнянням y–y0 = k(x–x0), дістанемо:

у–3= –2(х+1), звідси 2х+у–1=0.

Знайдемо

тепер точку

перетину цих двох прямих, розв’язавши

систему рівнянь

ìx - 2y + 2 = 0,

Розв’язком цієї системи є пара х=0 і у=1.

í

0.

 

î2x + y -1 =

 

Отже, точка С(0; 1) є проекцією точки А на дану пряму.

Звернемо увагу на те, що точка С є серединою відрізка, що з’єднує точку А і шукану точку В. Позначивши координати шуканої точки В через

54

х і у і користуючись формулою координат середини відрізка через х і у,

будемо мати: 0 =

−1+ x

, звідки х=1; 1 =

3 + y

, звідки у = –1.

2

2

 

 

 

Отже, симетричною точкою відносно даної прямої є точка В(1; –1).

Відповідь: (1; –1).

3.3 Площина 3.3.1 Векторне і загальне рівняння площини

Положення площини відносно прямокутної системи координат Охуz повністю визначається деякою точкою М0(х0; у0; z0) на площині і вектором N, який перпендикулярний до цієї площини. Вектор N, перпендикулярний до площини, називається нормальним вектором площини. Нехай відомі координати нормального вектора площини N=(А; В; С). Виведемо рівняння цієї площини, тобто складемо рівняння, що зв’язує біжучі координати точки площини. Нехай М(х; у; z) – біжуча точка площини.

Розглянемо вектор M0M = (x − x0; y − y0; z − z0 ) . Оскільки вектори M0M і N перпендикулярні, то їх скалярний добуток дорівнює нулю, тобто M0M ×N=0. Це і є рівняння площини у векторній формі. Якщо ввести

радіуси-вектори точок М0 і М, а саме: r0 = OM 0 і r = OM ,

то матимемо:

M0M =r – r0 (рис 3.8). Тоді попереднє рівняння прийме вигляд

(r – r0)· N = 0.

(3.15)

Рівняння (3.15) називається векторним рівнянням площини.

В координатній формі це рівняння запишеться так:

 

А(х–х0)+В(у–у0)+С(z–z0) = 0.

(3.16)

Рівняння (3.16) називається рівнянням площини, що проходить через

задану точку М0(х0;у0;z0). Якщо розкрити дужки, то дістанемо:

 

Ax + By + Cz + (– Ax0 – By0 – Cz0) = 0. Введемо позначення

 

D = –Ax0 – By0 –Cz0, тоді попереднє рівняння площини прийме вигляд:

(3.17)

A+By+Cz+D = 0.

Це рівняння називається загальним рівнянням площини.

55

Отже, якщо вектор N = (A, B, C) є нормальним вектором площини, то її рівняння має вигляд (3.17).

Справедливе і обернене твердження.

Теорема. Якщо площина задається лінійним рівнянням з трьома змінними першого степеня Ax+By+Cz+D=0, то вектор N=(A,B,C), що визначається цим рівнянням, перпендикулярний до цієї площини.

Доведення. Нехай точки М1(х1; у1; z1), М2(х2; у2; z2) і М3(х3; у3; z3)

лежать в площині, що описується рівнянням (3.17), тоді координати цих точок задовольняють рівняння (3.17), тобто Ax1+By1+Cz1+D=0,

Ax2+By2+Cz2+D = 0, Ax3+By3+Cz3+D = 0.

Віднявши від другої і третьої рівностей першу рівність, дістанемо такі рівності: A(x2–х1)+B(y2–у1)+C(z2–z1)= 0 і A(x3–х1)+B(y3–у1)+C(z3–z1)=0

або N × M2 M1 = 0 і N × M3M1 = 0. А ці рівності означають, що вектор

N=(A, B, C) перпендикулярний до векторів M2M1 і M3M1 , які лежать в

даній площині. Тоді вектор N перпендикулярний до цієї площини. Теорему доведено.

3.3.2 Рівняння площини, що проходить через три задані точки

Положення площини повністю визначається, якщо на ній задати три

точки М1(х1; у1; z1), М2(х2; у2; z2) і М3(х3; у3; z3), що не лежать на одній прямій. Нехай М(х; у; z)– біжуча точка площини. Розглянемо вектори,

початок яких знаходиться в точці М1 (рис.3.9):

M 1 M = ( x − x1 ; y − y1 ; z − z1 ) , M1M2 = ( x2 - x1; y2 - y1; z2 - z1 ),

М1М3 = (x3 − x1; y3 − y1;z3 − z1).

Оскільки ці вектори комплaнарні, то їх мішаний добуток дорівнює нулю, тобто

 

 

x − x1

y − y1 z − z1

 

 

 

 

(M1 M

× M1 M 2) ·M1 M 3 = 0 або

x2 − x1

y2 − y1 z2 − z1

= 0. (3.18)

 

 

x3 − x1

y3 − y1 z3 − z1

 

Це і є рівняння площини, що проходить через три дані точки, у

векторній і координатній формах.

 

 

 

3.3.3 Кут між площинами. Умови паралельності і

перпендикулярності двох площин.

 

 

Нехай

задані дві площини

своїми загальними

рівняннями

А1x+В1y+С1z+D1=0 і А2x+В2y+С2z+D2=0. Знайдемо кут φ між цими площинами. Цей двогранний кут, що утворюється цими площинами,

вимірюється лінійним кутом φ, що дорівнює куту між нормальними векторами N1=(A1, B1, C1) і N2=(A2, B2, C2) як кути з відповідно перпендикулярними сторонами, який знайдемо за формулою

56

cosφ=

 

N1·

 

N 2

=

 

 

 

A1 A2 + B1 B2 + C1C2

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

(3.19)

 

N1

 

·

 

N 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A12 + B12 + C12 A22 + B22 + C22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Якщо дві площини паралельні, то їх нормальні вектори колінеарні, а

тому їх координати пропорційні

A1

=

A2

=

 

 

A3

.

 

 

 

 

(3.20)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B1

 

 

 

B2

 

 

B3

 

 

 

 

 

Якщо дві площини перпендикулярні, то N1 N2 і дістанемо умову

перпендикулярності двох площин:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1A2+B1B2+C1C2 = 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.21)

3.3.4 Відстань від точки до площини

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нехай задана площина своїм загальним рівнянням

 

 

Ax + By + Cz + D =0 і

 

деяка точка

 

М 0 (x0; y0;z0)

поза

площиною. Тоді

відстань d від цієї точки до площини визначається за формулою

 

 

 

 

 

 

 

 

d =

 

A x0 + B y0 + C z0

+ D

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.22)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A2 + B2 + C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Шукана

 

 

 

 

відстань

дорівнює

модулю значення

лівої

частини

нормального

рівняння

площини

Ax + By + Cz + D

= 0,

де A,

B і C є

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

+ B

2

+ C

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

координатами нормального вектора площини, якщо замість біжучих координат підставити координати даної точки M 0 .

Приклад 7. Знайти відстань між паралельними площинами: x–2y+2z+2 = 0 і 2x–4y+4z+1 = 0.

Розв’язування. Ці площини паралельні, оскільки їх нормальні вектори N1 =(1;–2;2) і N 2 =(2;–4;4) колінеарні. Відстань між паралельними площинами дорівнює відстані від якої-небудь точки, що лежить на одній із площин, до іншої площини. На першій площині виберемо яку-небудь точку серед безлічі точок. Для цього надамо двом із біжучих координат певні довільні значення, а третю координату визначимо із рівняння площини. Нехай y = 0 і z = 0, тоді x = –2. Отже, шукана відстань між площинами дорівнюватиме відстані від точки M 0 (–2;0;0) до площини 2x–4y+4z+1=0. Зведемо рівняння цієї площини до нормального вигляду, поділивши рівняння на модуль її нормального вектора N 2 =(2;–4;4), який

дорівнює

 

N2

 

=

 

 

 

 

= 6, дістанемо

2x − 4y + 4z +1

= 0 , тоді

 

 

4 +16 +16

 

 

6

 

d =

 

 

2 ×(-2) - 4 ×0 + 4 ×0 +1

 

 

=

3

=

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

6

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Відповідь: 1/2.

Зауважимо, що при розв’язуванні задач про площину варто якомога частіше використовувати векторну алгебру. На практиці це дуже часто

57

полегшує саме розв’язування задачі, не звертаючись до відповідних формул, які треба ще запам’ятовувати, і цим самим уникаючи громіздких викладок. Приведемо ряд прикладів.

Приклад 8. Знайти кут між площинами 4x+2y–4z+5= 0 і 2x–y–2z = 0. Розв’язування. Шуканий двогранний кут φ дорівнюватиме куту між

нормальними векторами площини N1 =(4; 2;–4) і N 2 =(2;–1;–2). Тоді кут φ можна визначити, користуючись скалярним добутком векторів, а саме:

cosφ=

 

N1·N 2

=

8 − 2 + 8

=

14

 

=

7

, звідси φ=arccos

7

≈38.9 радіан.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N1

·

N 2

 

6·3

18

 

9

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Відповідь: arccos(7/9).

 

 

 

 

 

 

 

 

Приклад 9. Задані дві

точки M1 (3;–1; 2)

 

і M 2 (4;–2;–1). Скласти

рівняння площини, що проходить через точку M1 перпендикулярно

вектору M1 M 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Розв’язування. Вектор

M1 M 2 =

(1;–1;–3)

 

є нормальним вектором

площини. Виберемо біжучу точку M

(x; y; z) і розглянемо вектор

M1 M =(x–3; y+1; z–2). Вектори M1 M

і M1 M 2

 

перпендикулярні, тому їх

скалярний добуток дорівнює нулю, тобто M 1 M ·M 1 M 2 = 0 або

1·(x–3)–1·(y+1)–3·(z–2) = 0, звідси x–y–3z+2 = 0.

Відповідь: x–y–3z+2 = 0.

Приклад 10. Скласти рівняння площини, що проходить через точку

M 0 (3; 4;–5) паралельно векторам a=(3;1;–1) і b=(1;–2;1).

Розв’язування. Виберемо на площині біжучу точку M (x;y;z) і

розглянемо вектор

М 0 М =(x–3; y–4; z+5),

який лежить в цій площині.

Вектори М 0 М ,

a і b є компланарними,

тоді їх

мішаний добуток

 

 

 

x − 3 y − 4

z + 5

 

 

 

 

 

 

дорівнює нулю, тобто ( М 0 М ×a)·b = 0 або

 

3

1

−1

 

= 0, звідси

 

 

 

1

− 2

1

 

 

(x–3)·−12 11 –(y–4)· 13 −11 +(z+5)· 13−12 = 0; –(x–3)–4(y–4)–7(z+5) = 0;

x+4y+7z+16 = 0.

Відповідь: x+4y+7z+16 = 0.

Приклад 11. Скласти рівняння площини, що проходить через дві точки М1 (1;–1;–2) і М 2 (3; 1; 1) перпендикулярно до площини x–2y+3z–5=0.

Розв’язування. Нехай М (x;y;z) – біжуча точка площини. Розглянемо вектори М1 М =(x–1;y+1;z+2) і М1 М 2 = (2;2;3), які лежать в цій площині.

58

Площина x–2y+3z–5 = 0 визначає свій нормальний вектор N=(1;–2;3). Оскільки нормальний вектор N перпендикулярний до даної площини, яка перпендикулярна до шуканої площини, то цей вектор N паралельний до

цієї шуканої площини. Тоді

трійка векторів

М1 М ,

М1 М 2 і

N –

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

М1 М 2 )·N = 0,

 

x −1

y +1

z + 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

компланарні. Отже,

( М1 М

×

або

2

2

3

= 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

− 2

3

 

(x–1)·

 

2 3

 

–(y+1)·

 

2

3

 

+(z+2)·

 

2

2

2

 

= 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− 2 3

 

 

 

1

3

 

 

 

 

1

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12(x–1)–3(y+1)–6(z+2)= 0; 4(x–1)–(y+1)–2(z+2)= 0; 4x–y–2z–9 = 0. Відповідь:4x–y–2z–9 = 0.

Приклад 12. Скласти рівняння площини, що проходить через точку М 0 (2;–1; 2) перпендикулярно до двох площин: 2x–y+3z–1= 0 і x+2y–z= 0.

Розв’язування. Зробивши схематичний рисунок, бачимо, що шукана площина, проходячи через точку М 0 , перпендикулярна до прямої, яка є лінією перетину двох даних площин, для яких нормальними векторами є

вектори N1=(2;–1;3) і N 2 =(1;2;–1), які паралельні шуканій

площині

(чому?). Нехай М (x, y, z) –

біжуча точка шуканої площини. Розглянемо

вектор

М 0 М =(x–2; y+1;

z–2). Тоді трійка векторів

М 0 М , N1

і N 2 –

компланарні і їх мішаний добуток дорівнює нулю, тобто

 

( М 0 М × N1)· N 2 = 0 або

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x − 2

y +1

z 2

 

 

−1

3

 

2 3

 

2

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

−1

3

 

=0; (x–2)·

–(y+1)·

+(z–2)·

= 0;

 

 

1

2

−1

 

 

2

−1

 

1 −1

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

–5(x–2)+5(y+1)+5(z–2) = 0; (x–2)–(y+1)–(z–2)= 0; x–y–z–1= 0.

Відповідь: x–y–z–1= 0.

Приклад 13. Знайти висоту піраміди SABC, опущену із вершини S на грань ABC, якщо S(1; 4;–2), A(0;–1; 1), B(3; 5; 1), C(1;–3;–1).

Розв’язування. Шукану висоту піраміди можна знайти як відстань від точки S до площини, що визначається гранню ABC. Складемо спочатку

рівняння площини, що визначається трьома точками A,

B і

C. Нехай

М (x; y; z) – біжуча точка площини. Розглянемо вектори

АМ ,

АВ і АС ,

серед яких є один із змінним кінцем, а два – визначені. Ця трійка векторів є

компланарною, тому ( АМ × АВ )· АС = 0. І рівняння площини (грані ABC) складено, але у векторній формі. Запишемо його в координатній формі, для

цього знайдемо координати цих векторів-множників: АМ = (x; y+1; z–1); АВ = (3; 6; 0); АС = (1;–2;–2). Тоді попереднє рівняння запишеться так:

59