- •Глава 3
- •4. Умножение вектора на число
- •5. Проекции вектора на оси координат
- •4.Деление отрезка в данном отношении
- •5. Разложение вектора на компоненты
- •1.Скалярное произведение векторов и его основные свойства
- •2. Скалярное произведение векторов в координатной форме
- •3.Проекция вектора на ось
- •4. Векторное произведение векторов
- •5. Векторное произведение в координатной форме
- •6. Смешанное произведение трёх векторов
- •7. Смешанное произведение в координатной форме
- •8. Уравнение поверхности и уравнение линии в пространстве
6. Смешанное произведение трёх векторов
Пусть даны векторы ине лежащие на одной плоскости. Векторвекторно умножим на вектори полученный результат скалярно умножим на векторполучим числоЭто число называетсявекторно-скалярным или смешанным произведением трех векторов Векторыназываются компланарными, если они лежат в одной плоскости или параллельных плоскостях. Если с заданием трёх векторов указано, какой из них считается первым, какой вторым и какой третьим, то говорят, что заданаупорядоченная тройка векторов. В тексте будем записывать в порядке нумерации. Например, если пишем , то значит- первый вектор,- второй,- третий.
Свойства смешанного произведения
а) смешанное произведение векторов равно объему параллелепипеда, построенного на векторах. Знак произведения будет положительным, если векторыобразуют правую тройку векторов, знак будет отрицательным, если тройка векторов- левая. Легко увидеть, что, поэтому смешанное произведение обозначают символом:.
б) Смешанное произведение векторов равно нулю в том и только в том случае, когда эти векторы компланарны.
7. Смешанное произведение в координатной форме
Пусть заданы векторы , , , тогда
. Смешанное произведение трёх векторов , (а в с)= (3.27)
Пример: Даны точки А(1;1;1), В(4;4;4), С(3;5;5) и D(2;4;7). Найти объём тетраэдра АВСD.
Решение: Объём тетраэдра V равен одной шестой объёма параллелепипеда V т.е: V=V
Решение: На основании первого свойства V=
Найдём векторы ,,:,
Тогда по формуле (7.1) получим: V= = 18.
Тогда объёма тетраэдра: V=18=3.
8. Уравнение поверхности и уравнение линии в пространстве
Уравнение поверхности
Будем рассматривать поверхность, как геометрическое место точек. Обозначим через х,у,z координаты точек произвольной точки данной поверхности. Следовательно уравнение F(х;у;z)=0, которому удовлетворяют координаты точек поверхности будет уравнением этой поверхности. Уравнения поверхности составляются на основании определения или свойств, присущих этой поверхности.
Пример: Составить уравнение поверхности все точки которой, равноудалены от одной точки О(а;в;с). В декартовых координатах это уравнение имеет вид:
(х-а)+(у-а)+(z-с)=R(3.28)
где R – расстояние от точки О до произвольной точки поверхности. (3.28) – уравнение сферы.
Уравнение плоскости.
Составим уравнение плоскости. Положение плоскости в пространстве будет вполне определено, если зададим на ней некоторую фиксированную точку Ми векторнормальной к плоскости, уравнение которой необходимо составить. Пусть М- произвольная точка, лежащая на плоскости. Составим вектори он перпендикулярен векторуN. Иначе говоря, точка М, лежащая на плоскости характеризуется условием:
В этом случае отсюда имеем:
А ((3.29)
Это есть искомое уравнение плоскости , т.к ему удовлетворяют координаты точек М. Раскрывая (3.29) получим: Ах+Ву+Сz- Ах-Ву-Сz=0 или Ах+Ву+Сz+D=0, где D=- Ах-Ву-Сz (3.30)
Уравнение (3.30) называется общим уравнением плоскости.
В уравнении плоскости переменных х,у,z, входят в первой степени.
Следовательно, в декартовых координатах каждое уравнение первой степени определяет плоскость.
Пример: Составим уравнение плоскости, которая проходит через точку Мперпендикулярно векторуB(1;2;3).
Решение: Согласно уравнению (3.29) искомое уравнение имеет вид:
1(х-1)+2(у-2)+3(2-1)=0 или х+2у+3z-8=0.
Неполные уравнения плоскостей
Рассмотрим некоторые частные случаи уравнения первой степени.
а) Пусть D=0, тогда уравнение плоскости имеет вид Ах+Ву+Сz=0 и определяет плоскость которая проходит через начало координат.
б) Пусть С=0, уравнение плоскости имеет вид Ах+Ву+D=0. Эта плоскость проходит параллельно оси Оz.
в) Пусть В=0, С=0, тогда уравнение плоскости имеет вид Ах+D=0 и определяет плоскость, параллельную координатной плоскости Оуz.
Из последнего уравнения имеем: обозначимтогда получим: х=а
По аналогии с пунктами а), б), в) можем получить: Ах+Сz+D=0 уравнение плоскости параллельной оси Оу; Ву+Сz+D=0 уравнение плоскости параллельной оси Ох;
Уравнение вида Ву+D=0 определяет плоскость, параллельную плоскости Охz. Уравнения Сz+D=0 определяет плоскость параллельную координатной плоскости Оху. Последние два уравнения можно переписать у=в, z=c, где . Уравнения х=0, у=0,z=0 определяют координатные плоскости Оуz, Охz, Оху соответственно.
Уравнение плоскости «в отрезках»
(3.31)
Это есть уравнение плоскости «в отрезках». Числа а, в, с величины отрезков, которые отсекает данная плоскость на координатных осях.
Пример: Составим уравнение плоскости, зная, что она отсекается на осях координат отрезки, а=2, в=-3, с=4.
Решение: На основании (8.4) получим: или 6х-4у+3z-12=0
Нормальное уравнение плоскости
хсоs уcos zcos=р – нормальное уравнение плоскости.
Определим расстояние от точки М(до плоскостихсоs уcos zcos-р(3.32)
Пусть Ах+Ву+Сz+D=0 и хсоs уcos zcos-р=0 определяют одну и ту же плоскость. Тогда коэффициенты этих уравнений должны быть пропорциональны, т.е
coscoscoscos(3.33)
Отсюда: соscoscos
(3.34)
называется нормирующим множителем уравнения (3.32). Для определения знака используем равенство (3.34). Так как, тогда знак нормирующего множителя должен быть противоположен знакуD.
Пример: Даны плоскость 3х-4у+12z+14=0 и точка М(4;3;1). Найти расстояние от точки М до данной плоскости.
Решение: Приведём данные уравнение к нормальному виду. Из формулы (3.34) найдём нормирующий множитель:
Нормальное уравнение имеет вид:
Используем формулу (3.32) и найдём расстояние от точки до плоскости: d=(3*4-4*3+12*1+14)=2
Общее уравнение прямой в пространстве
В пространстве любая линия рассматривается как пересечение двух поверхностей. В частном случае прямая есть линия пересечения двух не параллельных плоскостей. Поэтому общее уравнение прямой в пространстве можно задать двумя уравнения:
(3.35)
Легко убедится, что для не параллельных плоскостей:
Совокупность плоскостей, проходящих через одну и ту же прямую, называется пучком плоскостей.
Уравнения вида (3.36) называется уравнением пучка плоскостей. Задавая различные значенияможно определить все плоскости пучка.
Каноническое уравнение прямой в пространстве
Пусть дана прямая в пространстве. Каждый не равный нулю вектор, лежащий на данной прямой или параллельный ей, называется направляющим вектором этой прямой. Обозначим направляющий вектор произвольной прямой буквой , его координаты буквами1, m, n т.е .
Выведем уравнение прямой, проходящей через точку и имеющий направляющий вектор. Пусть произвольная точка прямой. Векторколлинеарен вектору. Следовательно, на основании условия коллинеарности векторов имеем:
(3.37)
Уравнение (3.37) называется каноническим уравнением прямой в пространстве.
Условия параллельности и перпендикулярности двух плоскостей.
Пусть даны плоскости:
Угол между двумя плоскостями равен углу между нормалямик этим плоскостям и определяется по формуле:
(3.38)
Если плоскости перпендикулярны то Отсюда построим условия перпендикулярности:(3.39)
Если плоскости параллельны, то:
или
что равносильно равенству: (3.40)
Условия перпендикулярности и параллельности плоскости и прямой
Пусть даны плоскость Ах+Ву+Сz+D=0, и прямая
Прямая и плоскость параллельны, если направляющий вектор прямой и нормальный вектор к плоскостиперпендикулярны. Отсюда получаем условия параллельности прямой и плоскости:
А1+Вm+Сn=0 (3.41)
Прямая и плоскость перпендикулярны, если направляющий вектор прямой и нормальный вектор плоскости коллинеарны. В этом случае условие перпендикулярности прямой и плоскости имеет вид:
(3.42)
Пример: Составим уравнение плоскости, проходящей через прямую 3х+2у+5z+0, х+4у+3z+4=0, параллельно прямой .
Решение: Составим уравнение пучка плоскостей, проходящих через первую из данных прямых:
3х+2у+5z+6+(х+4у+3z+4)=0
или (3+)х+(2+4)у+(5+3)z+6+4=0 (*)
В этом случае необходимо выбрать плоскость, параллельную второй данной прямой используя условие параллельности (8.14) прямой и плоскости 3(3+)+2(2+4*)-3(5+3)=0
Найдём и подставим в уравнение (*), тогда получим искомое уравнение: 2х+3у+4z+5=0.