Начальный уровень

Координаты и векторы. Исчерпывающий гид (2019)

В этой статье мы с тобой начнем обсуждение одной «палочки-выручалочки», которая позволит тебе свести многие задачи по геометрии к простой арифметике. Эта «палочка» может существенно облегчить тебе жизнь особенно в том случае, когда ты неуверенно чувствуешь себя в построении пространственных фигур, сечений и т. д. Все это требует определенного воображения и практических навыков. Метод же, который мы здесь начнем рассматривать, позволит тебе практически полностью абстрагироваться от всякого рода геометрических построений и рассуждений. Метод носит название «метод координат» . В данной статье мы с тобой рассмотрим следующие вопросы:

1. Координатная плоскость
2. Точки и векторы на плоскости​
3. Построение вектора по двум точкам​
4. Длина вектора (расстояние между двумя точками)​
5. Координаты середины отрезка​
6. Скалярное произведение векторов​
7. Угол между двумя векторами​

Я думаю, ты уже догадался, почему метод координат так называется? Верно, он получил такое название, так как он оперирует не с геометрическими объектами, а с их числовыми характеристиками (координатами). А само преобразование, позволяющее перейти от геометрии к алгебре, заключается во введении системы координат. Если исходная фигура была плоской, то координаты двухмерные, а если фигура объемная, то координаты трехмерные. В данной статье мы будем рассматривать только двухмерный случай. А основная цель статьи - научить тебя пользоваться некоторыми базовыми приемами метода координат (они иногда оказываются полезными при решении задач по планиметрии в части B ЕГЭ). Обсуждению же методов решения задач С2 (задача по стереометрии) посвящены следующие два раздела по этой тематике.

С чего было бы логично начать обсуждение метода координат? Наверное, с понятия системы координат. Вспомни, когда ты с нею впервые столкнулся. Мне кажется, что в 7 классе, когда ты узнал про существование линейной функции, например. Напомню, ты строил ее по точкам. Помнишь? Ты выбирал произвольное число, подставлял ее в формулу и вычислял таким образом. Например, если, то, если же, то и т. д. Что же ты получал в итоге? А получал ты точки с координатами: и. Далее ты рисовал «крестик» (систему координат), выбирал на ней масштаб (сколько клеточек у тебя будет единичным отрезком) и отмечал на ней полученные тобою точки, которые затем соединял прямой линией, полученная линия и есть график функции.

Тут есть несколько моментов, которые стоит объяснить тебе чуть подробнее:

1. Единичный отрезок ты выбираешь из соображений удобства, так, чтобы все красиво и компактно умещалось на рисунке

2. Принято, что ось идет слева направо, а ось - cнизу вверх

3. Они пересекаются под прямым углом, а точка их пересечения называется началом координат. Она обозначается буквой.

4. В записи координаты точки, например, слева в скобках стоит координата точки по оси, а справа, по оси. В частности, просто означает, что у точки

5. Для того, чтобы задать любую точку на координатной оси, требуется указать ее координаты (2 числа)

6. Для любой точки, лежащей на оси,

7. Для любой точки, лежащей на оси,

8. Ось называется осью абсцисс

9. Ось называется осью ординат

Теперь давай с тобой сделаем следующий шаг: отметим две точки. Соединим эти две точки отрезком. И поставим стрелочку так, как будто мы проводим отрезок из точки к точке: то есть сделаем наш отрезок направленным!

Вспомни, как еще называется направленный отрезок? Верно, он называется вектором!

Таким образом, если мы соединим точку c точкой, причем началом у нас будет точка A, а концом - точка B, то мы получим вектор. Это построение ты тоже делал в 8 классе, помнишь?

Оказывается, векторы, как и точки, можно обозначать двумя цифрами: эти цифры называются координатами вектора. Вопрос: как ты думаешь, достаточно ли нам знать координаты начала и конца вектора, чтобы найти его координаты? Оказывается, что да! И делается это очень просто:

Таким образом, так как в векторе точка - начало, а - конец, то вектор имеет следующие координаты:

Например, если, то координаты вектора

Теперь давай сделаем наоборот, найдем координаты вектора. Что нам для этого нужно поменять? Да, нужно поменять местами начало и конец: теперь начало вектора будет в точке, а конец - в точке. Тогда:

Посмотри внимательно, чем отличаются векторы и? Единственное их отличие - это знаки в координатах. Они противоположны. Этот факт принято записывать вот так:

Иногда, если не оговаривается специально, какая точка является началом вектора, а какая - концом, то векторы обозначают не двумя заглавными буквами, а одной строчной, например: , и т. д.

Теперь немного потренируйся сам и найди координаты следующих векторов:

Проверка:

А теперь реши задачку чуть посложнее:

Век-тор с на-ча-лом в точке имеет ко-ор-ди-на-ты. Най-ди-те абс-цис-су точки.

Все то же довольно прозаично: Пусть - координаты точки. Тогда

Систему я составил по определению того, что такое координаты вектора. Тогда точка имеет координаты. Нас интересует абсцисса. Тогда

Ответ:

Что еще можно делать с векторами? Да почти все то же самое, что и с обычными числами (разве что делить нельзя, зато умножать можно аж двумя способами, один из которых мы здесь обсудим чуть позже)

1. Векторы можно складывать друг с другом
2. Векторы можно вычитать друг из друга
3. Векторы можно умножать (или делить) на произвольное ненулевое число
4. Векторы можно умножать друг на друга

Все эти операции имеют вполне наглядное геометрическое представление. Например, правило треугольника (или параллелограмма) для сложения и вычитания:

Вектор растягивается или сжимается или меняет направление при умножении или делении на число:

Однако здесь нас будет интересовать вопрос, что же происходит с координатами.

1. При сложении (вычитании) двух векторов, мы складываем (вычитаем) поэлементно их координаты. То есть:

2. При умножении (делении) вектора на число, все его координаты умножаются (делятся) на это число:

Например:

· Най-ди-те сумму ко-ор-ди-нат век-то-ра.

Давай вначале найдем координаты каждого из векторов. Оба они имеют одинаковое начало - точку начала координат. Концы у них разные. Тогда, . Теперь вычислим координаты вектора Тогда сумма координат полученного вектора равна.

Ответ:

Теперь реши сам следующую задачу:

· Найти сумму координат вектора

Проверяем:

Давай рассмотрим теперь следующую задачу: у нас есть две точки на координатной плоскости. Как найти расстояние между ними? Пусть первая точка будет, а вторая. Обозначим расстояние между ними через. Давай сделаем для наглядности следующий чертеж:

Что я сделал? Я, во-первых, соединил точки и,а также из точки провел линию, параллельную оси, а из точки провел линию, параллельную оси. Они пересеклись в точке, образовав при этом замечательную фигуру? Чем она замечательна? Да мы с тобой почти что все знаем про прямоугольный треугольник. Ну уж теорему Пифагора - точно. Искомый отрезок - это гипотенуза этого треугольника, а отрезки - катеты. Чему равны координаты точки? Да, их несложно найти по картинке: Так как отрезки параллельны осям и соответственно, то их длины легко найти: если обозначить длины отрезков соответственно через, то

Теперь воспользуемся теоремой Пифагора. Длины катетов нам известны, гипотенузу мы найдем:

Таким образом, расстояние между двумя точками - это корень из суммы квадратов разностей из координат. Или же - расстояние между двумя точками - это длина отрезка, их соединяющего. Легко заметить, что расстояние между точками не зависит от направления. Тогда:

Отсюда делаем три вывода:

Давай немного поупражняемся в вычислении расстояния между двумя точками:

Например, если, то расстояние между и равно

Или пойдем по-другому: найдем координаты вектора

И найдем длину вектора:

Как видишь, одно и то же!

Теперь немного потренируйся сам:

Задание: найти расстояние между указанными точками:

Проверяем:

Вот еще пара задачек на ту же формулу, правда звучат они немного по-другому:

1. Най-ди-те квад-рат длины век-то-ра.

2. Най-ди-те квад-рат длины век-то-ра

Я так думаю, ты с ними без труда справился? Проверяем:

1. А это на внимательность) Мы уже нашли координаты векторов и ранее: . Тогда вектор имеет координаты. Квадрат его длины будет равен:

2. Найдем координаты вектора

Тогда квадрат его длины равен

Ничего сложного, правда? Обычная арифметика, не более того.

Следующие задачки нельзя однозначно классифицировать, они скорее на общую эрудицию и на умение рисовать простенькие картинки.

1. Най-ди-те синус угла на-кло-на от-рез-ка, со-еди-ня-ю-ще-го точки, с осью абсцисс.

и

Как мы будем поступать здесь? Нужно найти синус угла между и осью. А где мы умеем искать синус? Верно, в прямоугольном треугольнике. Так что нам нужно сделать? Построить этот треугольник!

Поскольку координаты точки и, то отрезок равен, а отрезок. Нам нужно найти синус угла. Напомню тебе, что синус - это отношение противолежащего катета к гипотенузе, тогда

Что нам осталось сделать? Найти гипотенузу. Ты можешь сделать это двумя способами: по теореме Пифагора (катеты-то известны!) или по формуле расстояния между двумя точками (на самом деле одно и то же, что и первый способ!). Я пойду вторым путем:

Ответ:

Следующая задача покажется тебе еще проще. Она - на координаты точки.

Задача 2. Из точки опу-щен пер-пен-ди-ку-ляр на ось абс-цисс. Най-ди-те абс-цис-су ос-но-ва-ния пер-пен-ди-ку-ля-ра.

Давай сделаем рисунок:

Основание перпендикуляра - это та точка, в которой он пересекает ось абсцисс (ось) у меня это точка. По рисунку видно, что имеет координаты: . Нас интересует абсцисса - то есть «иксовая» составляющая. Она равна.

Ответ: .

Задача 3. В условиях предыдущей задачи найти сумму расстояний от точки до осей координат.

Задача - вообще элементарная, если знать, что такое расстояние от точки до осей. Ты знаешь? Я надеюсь, но все же напомню тебе:

Итак, на моем рисунке, расположенном чуть выше, я уже изобразил один такой перпендикуляр? К какой он оси? К оси. И чему же равна тогда его длина? Она равна. Теперь сам проведи перпендикуляр к оси и найди его длину. Она будет равна, ведь так? Тогда их сумма равна.

Ответ: .

Задача 4. В условиях задачи 2, найдите ординату точки, симметричной точке относительно оси абсцисс.

Я думаю, тебе интуитивно ясно, что такое симметрия? Очень многие объекты ею обладают: многие здания, столы, самолеты, многие геометрические фигуры: шар, цилиндр, квадрат, ромб и т. д. Грубо говоря, симметрию можно понимать вот как: фигура состоит из двух (или более) одинаковых половинок. Такая симметрия называется осевой. А что тогда такое ось? Это как раз та линия, по которой фигуру можно, условно говоря, «разрезать» на одинаковые половинки (на данной картинке ось симметрии - прямая):

Теперь давай вернемся к нашей задаче. Нам известно, что мы ищем точку, симметричную относительно оси. Тогда эта ось - ось симметрии. Значит, нам нужно отметить такую точку, чтобы ось разрезала отрезок на две равные части. Попробуй сам отметить такую точку. А теперь сравни с моим решением:

У тебя получилось так же? Хорошо! У найденной точки нас интересует ордината. Она равна

Ответ:

А теперь скажи мне, подумав секунд, чему будет равна абсцисса точки, симметричной точке A относительно оси ординат? Каков твой ответ? Правильный ответ: .

В общем случае правило можно записать вот так:

Точка, симметричная точке относительно оси абсцисс, имеет координаты:

Точка, симметричная точке относительно оси ординат, имеет координаты:

Ну и теперь совсем страшная задача : найти координаты точки, симметричной точке, относительно начала координат. Ты вначале подумай сам, а потом посмотри на мой рисунок!

Ответ:

Теперь задачка на параллелограмм:

Задача 5: Точки яв-ля-ют-ся вер-ши-на-ми па-рал-ле-ло-грам-ма. Най-ди-те ор-ди-на-ту точки.

Можно решать эту задачу двумя способами: логикой и методом координат. Я вначале применю метод координат, а потом расскажу тебе, как можно решить иначе.

Совершенно ясно, что абсцисса точки равна. (она лежит на перпендикуляре, проведенной из точки к оси абсцисс). Нам нужно найти ординату. Воспользуемся тем, что наша фигура - параллелограмм, это значит, что. Найдем длину отрезка, используя формулу расстояния между двумя точками:

Опускаем перпендикуляр, соединяющий точку с осью. Точку пересечения обозначу буквой.

Длина отрезка равна. (найди сам задачу, где мы обсуждали этот момент), тогда найдем длину отрезка по теореме Пифагора:

Длина отрезка - в точности совпадает с его ординатой.

Ответ: .

Другое решение (я просто приведу рисунок, который его иллюстрирует)

Ход решения:

1. Провести

2. Найти координаты точки и длину

3. Доказать, что.

Еще одна задачка на длину отрезка :

Точки яв-ля-ют-ся вер-ши-на-ми тре-уголь-ни-ка. Най-ди-те длину его сред-ней линии, па-рал-лель-ной.

Ты помнишь, что такое средняя линия треугольника? Тогда для тебя эта задача элементарна. Если не помнишь, то я напомню: средняя линия треугольника - это линия, которая соединяет середины противоположных сторон. Она параллельна основанию и равна его половине.

Основание - это отрезок. Его длину нам приходилось искать ранее, оно равно. Тогда длина средней линии вдвое меньше и равна.

Ответ: .

Комментарий: эту задачу можно решить и другим способом, к которому мы обратимся чуть позже.

А пока - вот тебе несколько задачек, потренируйся на них, они совсем простые, но помогают «набивать руку», на использовании метода координат!

1. Точки яв-ля-ют-ся вер-ши-на-ми тра-пе-ции. Най-ди-те длину ее сред-ней линии.

2. Точки и яв-ля-ют-ся вер-ши-на-ми па-рал-ле-ло-грам-ма. Най-ди-те ор-ди-на-ту точки.

3. Най-ди-те длину от-рез-ка, со-еди-ня-ю-ще-го точки и

4. Най-ди-те пло-щадь за-кра-шен-ной фи-гу-ры на ко-ор-ди-нат-ной плос-ко-сти.

5. Окруж-ность с цен-тром в на-ча-ле ко-ор-ди-нат про-хо-дит через точку. Най-ди-те ее ра-ди-ус.

6. Най-ди-те ра-ди-ус окруж-но-сти, опи-сан-ной около пря-мо-уголь-ни-ка, вер-ши-ны ко-то-ро-го имеют ко-ор-ди-на-ты со-от-вет-ствен-но

Решения:

1. Известно, что средняя линия трапеции равна полусумме ее оснований. Основание равно, а основание. Тогда

Ответ:

2. Проще всего решить эту задачу так: заметить, что (правило параллелограмма). Вычислить координаты векторов и не представляет труда: . При сложении векторов координаты складываются. Тогда имеет координаты. Эти же координаты имеет и точка, поскольку начало вектора - это точка с координатами. Нас интересует ордината. Она равна.

Ответ:

3. Действуем сразу по формуле расстояния между двумя точками:

Ответ:

4. Посмотри на картинку и скажи, между какими двумя фигурами «зажата» заштрихованная область? Она зажата между двумя квадратами. Тогда площадь искомой фигуры равна площади большого квадрата минус площадь маленького. Сторона маленького квадрата - это отрезок, соединяющий точки и Его длина равна

Тогда площадь маленького квадрата равна

Точно так же поступаем и с большим квадратом: его сторона - это отрезок, соединяющий точки и Его длина равна

Тогда площадь большого квадрата равна

Площадь искомой фигуры найдем по формуле:

Ответ:

5. Если окружность имеет в качестве центра начало координат и проходит через точку, то ее радиус будет в точности равен длине отрезка (сделай рисунок и ты поймешь, почему это очевидно). Найдем длину этого отрезка:

Ответ:

6. Известно, что радиус описанной около прямоугольника окружности равен половине его диагонали. Найдем длину любой из двух диагоналей (ведь в прямоугольнике они равны!)

Ответ:

Ну что, ты со всем справился? Было не очень сложно разобраться, ведь так? Правило здесь одно - уметь сделать наглядную картинку и просто «считать» с нее все данные.

Нам осталось совсем немного. Есть еще буквально два момента, которые бы мне хотелось обсудить.

Давай попробуем решить вот такую нехитрую задачку. Пусть даны две точки и. Найти координаты середины отрезка. Решение этой задачки следующее: пусть точка - искомая середина, тогда имеет координаты:

То есть: координаты середины отрезка = среднее арифметическое соответствующих координат концов отрезка.

Это правило очень простое и как правило не вызывает затруднений у учащихся. Давай посмотрим, в каких задачках и как оно употребляется:

1. Най-ди-те ор-ди-на-ту се-ре-ди-ны от-рез-ка, со-еди-ня-ю-ще-го точки и

2. Точки яв-ля-ют-ся вер-ши-на-ми че-ты-рех-уголь-ни-ка. Най-ди-те ор-ди-на-ту точки пе-ре-се-че-ния его диа-го-на-лей.

3. Най-ди-те абс-цис-су цен-тра окруж-но-сти, опи-сан-ной около пря-мо-уголь-ни-ка, вер-ши-ны ко-то-ро-го имеют ко-ор-ди-на-ты со-от-вет-ствен-но.

Решения:

1. Первая задачка - просто классика. Действуем сразу по определению середины отрезка. Она имеет координаты. Ордината равна.

Ответ:

2. Легко видеть, что данный четырехугольник является параллелограммом (даже ромбом!). Ты и сам можешь это доказать, вычислив длины сторон и сравнив их между собой. Что я знаю про параллелограмм? Его диагонали точкой пересечения делятся пополам! Ага! Значит точка пересечения диагоналей - это что? Это середина любой из диагоналей! Выберу, в частности диагональ. Тогда точка имеет координаты Ордината точки равна.

Ответ:

3. С чем совпадает центр описанной около прямоугольника окружности? Он совпадает с точкой пересечения его диагоналей. А что ты знаешь про диагонали прямоугольника? Они равны и точкой пересечения делятся пополам. Задача свелась к предыдущей. Возьму, например, диагональ. Тогда если - центр описанной окружности, то - середина. Ищу координаты: Абсцисса равна.

Ответ:

Теперь потренируйся немного самостоятельно, я лишь приведу ответы к каждой задачи, чтобы ты мог себя проверить.

1. Най-ди-те ра-ди-ус окруж-но-сти, опи-сан-ной около тре-уголь-ни-ка, вер-ши-ны ко-то-ро-го имеют ко-ор-ди-на-ты

2. Най-ди-те ор-ди-на-ту цен-тра окруж-но-сти, опи-сан-ной около тре-уголь-ни-ка, вер-ши-ны ко-то-ро-го имеют ко-ор-ди-на-ты

3. Ка-ко-го ра-ди-у-са долж-на быть окруж-ность с цен-тром в точке чтобы она ка-са-лась оси абс-цисс?

4. Най-ди-те ор-ди-на-ту точки пе-ре-се-че-ния оси и от-рез-ка, со-еди-ня-ю-ще-го точки и

Ответы:

Все удалось? Очень на это надеюсь! Теперь - последний рывок. Сейчас будь особенно внимателен. Тот материал, который я сейчас буду объяснять, имеет непосредственное отношение не только к простым задачам на метод координат из B части, но также встречается повсеместно и в задаче С2.

Какое из своих обещаний я еще не сдержал? Вспомни, какие операции над векторами я обещал ввести и какие в конечном счете ввел? Я точно ничего не забыл? Забыл! Забыл объяснить, что значит умножение векторов.

Есть два способа умножить вектор на вектор. В зависимости от выбранного способа у нас будут получаться объекты разной природы:

Векторное произведение выполняется довольно хитро. Как его делать и для чего оно нужно, мы с тобой обсудим в следующей статье. А в этой мы остановимся на скалярном произведении.

Есть аж два способа, позволяющих нам его вычислить:

Как ты догадался, результат должен быть один и тот же! Итак, давай вначале рассмотрим первый способ:

Скалярное произведение через координаты

Найти: - общепринятое обозначение скалярного произведения

Формула для вычисления следующая:

То есть скалярное произведение = сумма произведений координат векторов!

Пример:

Най-ди-те

Решение:

Найдем координаты каждого из векторов:

Вычисляем скалярное произведение по формуле:

Ответ:

Видишь, абсолютно ничего сложного!

Ну-ка, теперь попробуй сам:

· Най-ди-те ска-ляр-ное про-из-ве-де-ние век-то-ров и

Справился? Может, и подвох небольшой заметил? Давай проверим:

Координаты векторов, как в прошлой задаче! Ответ: .

Помимо координатного, есть и другой способ вычислить скалярное произведение, а именно, через длины векторов и косинус угла между ними:

Обозначает угол между векторами и.

То есть скалярное произведение равно произведению длин векторов на косинус угла между ними.

Зачем же нам эта вторая формула, если у нас есть первая, которая намного проще, в ней по крайней мере нет никаких косинусов. А нужна она для того, что из первой и второй формулы мы с тобой сможем вывести, как находить угол между векторами!

Пусть Тогда вспоминай формулу для длины вектора!

Тогда если я подставлю эти данные в формулу скалярного произведения, то я получу:

Но с другой стороны:

Таким образом, что же мы с тобой получили? У нас теперь есть формула, позволяющая вычислять угол между двумя векторами! Иногда ее для краткости записывают еще и так:

То есть алгоритм вычисления угла между векторами следующий:

1. Вычисляем скалярное произведение через координаты
2. Находим длины векторов и перемножаем их
3. Делим результат пункта 1 на результат пункта 2

Давай потренируемся на примерах:

1. Най-ди-те угол между век-то-ра-ми и. Ответ дайте в гра-ду-сах.

2. В условиях предыдущей задачи, найдите косинус между векторами

Поступим так: первую задачу я помогу тебе решить, а вторую попробуй сделать сам! Согласен? Тогда начинаем!

1. Эти вектора - наши старые знакомые. Их скалярное произведение мы уже считали и оно было равно. Координаты у них такие: , . Тогда найдем их длины:

Тогда ищем косинус между векторами:

Косинус какого угла равен? Это угол.

Ответ:

Ну а теперь сам реши вторую задачу, а потом сравним! Я приведу лишь очень краткое решение:

2. имеет координаты, имеет координаты.

Пусть - угол между векторами и, тогда

Ответ:

Надо отметить, что задачи непосредственно на вектора и метод координат в части B экзаменационной работы достаточно редки. Однако, подавляющее большинство задач C2 можно легко решить, прибегнув ко введению системы координат. Так что ты можешь считать эту статью фундаментом, на основе которого мы будем делать достаточно хитрые построения, которые понадобятся нам для решения сложных задач.

КООРДИНАТЫ И ВЕКТОРЫ. СРЕДНИЙ У​РОВЕНЬ

Мы с тобой продолжаем изучать метод координат. В прошлой части мы вывели ряд важных формул, которые позволяют:

1. Находить координаты вектора
2. Находить длину вектора (альтернативно: расстояние между двумя точками)
3. Складывать, вычитать векторы. Умножать их на вещественное число
4. Находить середину отрезка
5. Вычислять скалярное произведение векторов
6. Находить угол между векторами

Конечно, в эти 6 пунктов не укладывается весь координатный метод. Он лежит в основе такой науки, как аналитическая геометрия, с которой тебе предстоит познакомиться в ВУЗе. Я лишь хочу построить фундамент, который позволит тебе решать задачи в едином гос. экзамене. С задачами части B мы разобрались в Теперь пора переходить на качественно новый уровень! Эта статья будет посвящена методу решения тех задач С2, в которых будет разумно перейти к методу координат. Эта разумность определяется тем, что в задаче требуется найти, и какая фигура дана. Итак, я бы стал применять метод координат, если ставятся вопросы:

1. Найти угол между двумя плоскостями
2. Найти угол между прямой и плоскостью
3. Найти угол между двумя прямыми
4. Найти расстояние от точки до плоскости
5. Найти расстояние от точки до прямой
6. Найти расстояние от прямой до плоскости
7. Найти расстояние между двумя прямыми

Если данная в условии задачи фигура является телом вращения (шар, цилиндр, конус …)

Подходящими фигурами для метода координат являются:

1. Прямоугольный параллелепипед
2. Пирамида (треугольная, четырехугольная, шестиугольная)

Также по моему опыту нецелесообразно использовать метод координат для :

1. Нахождения площадей сечений
2. Вычисления объемов тел

Однако следует сразу отметить, что три «невыгодные» для метода координат ситуации на практике достаточно редки. В большинстве же задач он может стать твоим спасителем, особенно если ты не очень силен в трехмерных построениях (которые порою бывают довольно замысловатыми).

Какими являются все перечисленные мною выше фигуры? Они уже не плоские, как, например, квадрат, треугольник, окружность, а объемные! Соответственно, нам нужно рассматривать уже не двухмерную, а трехмерную систему координат. Строится она достаточно легко: просто помимо оси абсцисс и ординат, мы введем еще одну ось, ось аппликат. На рисунке схематично изображено их взаимное расположение:

Все они являются взаимно перпендикулярными, пересекаются в одной точке, которую мы будем называть началом координат. Ось абсцисс, как и прежде, будем обозначать, ось ординат - , а введенную ось аппликат - .

Если раньше каждая точка на плоскости характеризовалась двумя числами - абсциссой и ординатой, то каждая точка в пространстве уже описывается тремя числами - абсциссой, ординатой, аппликатой. Например:

Соответственно абсцисса точки равна, ордината - , а аппликата - .

Иногда абсциссу точки еще называют проекцией точки на ось абсцисс, ординату - проекцией точки на ось ординат, а аппликату - проекцией точки на ось аппликат. Соответственно, если задана точка то, точку с координатами:

называют проекцией точки на плоскость

называют проекцией точки на плоскость

Встает естественный вопрос: справедливы ли все формулы, выведенные для двухмерного случая, в пространстве? Ответ утвердительный, они справедливы и имеют тот же самый вид. За маленькой деталью. Я думаю, ты уже сам догадался, за какой именно. Во все формулы мы должны будем добавить еще один член, отвечающий за ось аппликат. А именно.

1. Если заданы две точки: , то:

• Координаты вектора:
• Расстояние между двумя точками (или длина вектора)
• Середина отрезка имеет координаты

2. Если дано два вектора: и, то:

• Их скалярное произведение равно:
• Косинус угла между векторами равен:

Однако с пространством не все так просто. Как ты понимаешь, добавление еще одной координаты вносит существенное разнообразие в спектр фигур, «живущих» в этом пространстве. И для дальнейшего повествования мне потребуется ввести некоторое, грубо говоря, «обобщение» прямой. Этим «обобщением» будет плоскость. Что ты знаешь про плоскость? Попробуй ответить на вопрос, а что такое плоскость? Очень сложно сказать. Однако мы все интуитивно представляем, как она выглядит:

Грубо говоря, это некий бесконечный «лист», засунутый в пространство. «Бесконечность» следует понимать, что плоскость распространяется во все стороны, то есть ее площадь равна бесконечности. Однако, это объяснение «на пальцах» не дает ни малейшего представления о структуре плоскости. А нас будет интересовать именно она.

Давай вспомним одну из основных аксиом геометрии:

• через две различные точки на плоскости проходит прямая, притом только одна:

Или ее аналог в пространстве:

Конечно, ты помнишь, как по двум заданным точкам вывести уравнение прямой, это совсем нетрудно: если первая точка имеет координаты: а вторая, то уравнение прямой будет следующим:

Это ты проходил еще в 7 классе. В пространстве уравнение прямой выглядит вот так: пусть у нас даны две точки с координатами: , то уравнение прямой, через них проходящей, имеет вид:

Например, через точки, проходит прямая:

Как это следует понимать? Это следует понимать вот как: точка лежит на прямой, если ее координаты удовлетворяют следующей системе:

Нас не очень будет интересовать уравнение прямой, но нам нужно обратить внимание на очень важное понятие направляющего вектора прямой. - любой ненулевой вектор, лежащий на данной прямой или параллельный ей.

Например, оба вектора, являются направляющими векторами прямой. Пусть - точка, лежащая на прямой, а - ее направляющий вектор. Тогда уравнение прямой можно записать в следующем виде:

Еще раз повторюсь, мне не очень будет интересно уравнение прямой, но мне очень нужно, чтобы ты запомнил, что такое направляющий вектор! Еще раз: это ЛЮБОЙ ненулевой вектор, лежащий на прямой, или параллельный ей.

Вывести уравнение плоскости по трем заданным точкам уже не так тривиально, и обычно этот вопрос не рассматривается в курсе средней школы. А зря! Этот прием жизненно необходим, когда мы прибегаем к методу координат для решения сложных задач. Однако, я предполагаю, что ты полон желания научиться чему-то новому? Более того, ты сможешь поразить своего преподавателя в ВУЗе, когда выяснится, что ты уже умеешь с методикой, которую обычно изучают в курсе аналитической геометрии. Итак, приступим.

Уравнение плоскости не слишком отличается от уравнения прямой на плоскости, а именно оно имеет вид:

некоторые числа (не все равные нулю), а переменные, например: и т.д. Как видишь, уравнение плоскости не очень отличается от уравнения прямой (линейной функции). Однако, вспомни, что мы с тобой утверждали? Мы говорили, что если у нас есть три точки, не лежащие на одной прямой, то уравнение плоскости однозначно по ним восстанавливается. Но как? Попробую тебе объяснить.

Поскольку уравнение плоскости имеет вид:

А точки принадлежат этой плоскости, то при подстановке координат каждой точки в уравнение плоскости мы должны получать верное тождество:

Таким образом, встает необходимость решать три уравнения аж с неизвестными! Дилемма! Однако всегда можно предполагать, что (для этого нужно разделить на). Таким образом, мы получим три уравнения с тремя неизвестными:

Однако мы не будем решать такую систему, а выпишем загадочное выражение, которое из него следует:

Уравнение плоскости, проходящей через три заданные точки

\[\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{x - {x_0}}&{{x_1} - {x_0}}&{{x_2} - {x_0}}\\{y - {y_0}}&{{y_1} - {y_0}}&{{y_2} - {y_0}}\\{z - {z_0}}&{{z_1} - {z_0}}&{{z_2} - {z_0}}\end{array}} \right| = 0\]

Стоп! Это еще что такое? Какой-то очень необычный модуль! Однако объект, который ты видишь перед собой не имеет ничего общего с модулем. Этот объект называется определителем третьего порядка. Отныне и впредь, когда ты будешь иметь дело с методом координат на плоскости, тебе очень часто будут встречаться эти самые определители. Что же такое определитель третьего порядка? Как ни странно, это всего-навсего число. Осталось понять, какое конкретно число мы будем сопоставлять с определителем.

Давай вначале запишем определитель третьего порядка в более общем виде:

Где - некоторые числа. Причем под первым индеком мы понимаем номер строки, а под индеком - номер столбца. Например, означает, что данное число стоит на пересечении второй строки и третьего столбца. Давай поставим следующий вопрос: каким именно образом мы будем вычислять такой определитель? То есть, какое конкретно число мы будем ему сопоставлять? Для определителя именно третьего порядка есть эвристическое (наглядное) правило треугольника оно выглядит следующим образом:

1. Произведение элементов главной диагонали (с верхнего левого угла до нижнего правого) произведение элементов, образующих первый треугольник «перпендикулярный» главной диагонали произведение элементов, образующих второй треугольник «перпендикулярный» главной диагонали
2. Произведение элементов побочной диагонали (с верхнего правого угла до нижнего левого) произведение элементов, образующих первый треугольник «перпендикулярный» побочной диагонали произведение элементов, образующих второй треугольник «перпендикулярный» побочной диагонали
3. Тогда определитель равен разности значений, полученных на шаге и

Если записать все это цифрами, то мы получим следующее выражение:

Тем не менее, запоминать способ вычисления в таком виде не нужно, достаточно в голове просто держать треугольники и саму идею, что с чем складывается и что из чего затем вычитается).

Давай проиллюстрируем метод треугольников на примере:

1. Вычислить определитель:

Давай разбираться, что мы складываем, а что - вычитаем:

Слагаемые, которые идут с «плюсом»:

Это главная диагональ: произведение элементов равно

Первый треугольник, «перпендикулярный главной диагонали: произведение элементов равно

Второй треугольник, «перпендикулярный главной диагонали: произведение элементов равно

Складываем три числа:

Слагаемые, которые идут с «минусом»

Это побочная диагональ: произведение элементов равно

Первый треугольник, «перпендикулярный побочной диагонали: произведение элементов равно

Второй треугольник, «перпендикулярный побочной диагонали: произведение элементов равно

Складываем три числа:

Все, что осталось сделать - это вычесть из суммы слагаемых «с плюсом» сумму слагаемых «с минусом»:

Таким образом,

Как видишь, ничего сложного и сверхъестественного в вычислении определителей третьего порядка нет. Просто важно помнить про треугольники и не допускать арифметических ошибок. Теперь попробуй самостоятельно вычислить:

Проверяем:

1. Первый треугольник, перпендикулярный главной диагонали:
2. Второй треугольник, перпендикулярный главной диагонали:
3. Сумма слагаемых с плюсом:
4. Первый треугольник, перпендикулярный побочной диагонали:
5. Второй треугольник, перпендикулярный побочной диагонали:
6. Сумма слагаемых с минусом:
7. Сумма слагаемых с плюсом минус сумма слагаемых с минусом:

Вот тебе еще пара определителей, вычисли их значения самостоятельно и сравни с ответами:

Ответы:

Ну что, все совпало? Отлично, тогда можно двигаться дальше! Если же есть затрудения, то совет мой таков: в интернете есть куча программ вычисления определителя он-лайн. Все, что тебе нужно - придумать свой определитель, вычислить его самостоятельно, а потом сравнить с тем, что посчитает программа. И так до тех пор, пока результаты не начнут совпадать. Уверен, этот момент не заставит себя долго ждать!

Теперь давай вернемся к тому определителю, который я выписал, когда говорил про уравнение плоскости, проходящей через три заданные точки:

Все, что тебе нужно - это вычислить его значение непосредственно (методом треугольников) и приравнять результат к нулю. Естественно, поскольку - переменные, то ты получишь некоторое выражение, от них зависящее. Именно это выражение и будет уравнением плоскости, проходящей через три заданные точки, не лежащие на одной прямой!

Давай проиллюстрируем сказанное на простом примере:

1. Построить уравнение плоскости, проходящей через точки

Cоставляем для этих трех точек определитель:

Упрощаем:

Теперь вычисляем его непосредственно по правилу треугольников:

\[{\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{x + 3}&2&6\\{y - 2}&0&1\\{z + 1}&5&0\end{array}} \right| = \left({x + 3} \right) \cdot 0 \cdot 0 + 2 \cdot 1 \cdot \left({z + 1} \right) + \left({y - 2} \right) \cdot 5 \cdot 6 - }\]

Таким образом, уравнение плоскости, проходящей через точки, имеет вид:

Теперь попробуй решить одну задачку самостоятельно, а потом мы ее обсудим:

2. Найти уравнение плоскости, проходящей через точки

Ну что, давай теперь обсудим решение:

Составляем определитель:

И вычисляем его значение:

Тогда уравнение плоскости имеет вид:

Или же, сократив на, получим:

Теперь две задачи для самоконтроля:

1. Построить уравнение плоскости, проходящей через три точки:

Ответы:

Все совпало? Опять-таки, если есть определенные затруднения, то мой совет таков: берешь из головы три точки (с большой степенью вероятности они не будут лежать на одной прямой), строишь по ним плоскость. А потом проверяешь себя он-лайн. Например, на сайте:

Однако при помощи определителей мы будем строить не только уравнение плоскости. Вспомни, я говорил тебе, что для векторов определено не только скалярное произведение. Есть еще векторное, а также смешанное произведение. И если скалярным произведением двух векторов и будет число, то векторным произведением двух векторов и будет вектор, причем данный вектор будет перпендикулярен к заданным:

Причем его модуль будет равен площади параллелограмма, посторенного на векторах и. Данный вектор понадобится нам для вычисления расстояния от точки до прямой. Как же нам считать векторное произведение векторов и, если их координаты заданы? На помощь к нам опять приходит определитель третьего порядка. Однако, прежде чем я перейду к алгоритму вычисления векторного произведения, я вынужден сделать небольшое лирическое отступление.

Данное отступление касается базисных векторов.

Схематично они изображены на рисунке:

Как ты думаешь, а почему они называется базисными? Дело в том, что :

Или на картинке:

Справедливость этой формулы очевидна, ведь:

Векторное произведение

Теперь я могу приступить ко введению векторного произведения:

Векторным произвдением двух векторов называется вектор, который вычисляется по следующему правилу:

Теперь давай приведем несколько примеров вычисления векторного произведения:

Пример 1 : Найти векторное произведение векторов:

Решение: составляю определитель:

И вычисляю его:

Теперь от записи через базисные векторы, я вернусь к привычной записи вектора:

Таким образом:

Теперь попробуй .

Готов? Проверяем:

И традиционно две задачи для контроля:

1. Найти векторное произведение следующих векторов:
2. Найти векторное произведение следующих векторов:

Ответы:

Смешанное произведение трех векторов

Последняя конструкция, которая мне понадобится - это смешанное произведение трех векторов. Оно, как и скалярное, является числом. Есть два способа его вычисления. - через определитель, - через смешанное произведение.

А именно, пусть у нас даны три вектора:

Тогда смешанное произведение трех векторов, обозначаемое через можно вычислить как:

1. - то есть смешанное произведение - это скалярное произведения вектора на векторное произведение двух других векторов

Например, смешанное произведение трех векторов равно:

Самостоятельно попробуй вычислить его через векторное произведение и убедись, что результаты совпадут!

И опять - два примера для самостоятельного решения:

Ответы:

Выбор системы координат

Ну вот, теперь у нас есть весь необходимый фундамент знаний, чтобы решать сложные стереометрические задачи по геометрии. Однако прежде чем приступать непосредственно к примерам и алгоритмам их решения, я считаю, что будет полезно остановиться еще вот на каком вопросе: как именно выбирать систему координат для той или иной фигуры. Ведь именно выбор взаимного расположения системы координат и фигуры в пространстве в конечном счете определит, насколько громоздкими будут вычисления.

Я напомню, что в этом разделе мы рассматриваем следующие фигуры:

1. Прямоугольный параллелепипед
2. Прямая призма (треугольная, шестиугольная…)
3. Пирамида (треугольная, четырехугольная)
4. Тетраэдр (одно и то же, что и треугольная пирамида)

Для прямоугольного параллелепипеда или куба я рекомендую тебе следующее построение:

То есть фигуру я буду помещать «в угол». Куб и параллелепипед - это очень хорошие фигуры. Для них ты всегда без труда можешь найти координаты его вершин. Например, если (как показано на рисунке)

то координаты вершин следующие:

Запоминать это, конечно, не нужно, однако помнить, как лучше располагать куб или прямоугольный параллелепипед - желательно.

Прямая призма

Призма - более вредная фигура. Располагать ее в пространстве можно по-разному. Однако мне наиболее приемлемым кажется следующий вариант:

Треугольная призма:

То есть одну из сторон треугольника мы целиком кладем на ось, причем одна из вершин совпадает с началом координат.

Шестиугольная призма:

То есть одна из вершин совпадает с началом координат, и одна из сторон лежит на оси.

Четырехугольная и шестиугольная пирамида:

Ситуация, аналогичная кубу: две стороны основания совмещаем с осями координат, одну из вершин совмещаем с началом координат. Единственной небольшой сложностью будет рассчитать координаты точки.

Для шестиугольной пирамиды - аналогично, как для шестиугольной призмы. Основная задача опять-таки будет в поиске координат вершины.

Тетраэдр (треугольная пирамида)

Ситуация очень похожа на ту, которую я привел для треугольной призмы: одна вершина совпадает с началом координат, одна сторона лежит на координатной оси.

Ну что, теперь мы с тобой, наконец, близки к тому, чтобы приступить к решению задач. Из сказанного мною в самом начале статьи, ты мог сделать вот какой вывод: большинство задач C2 делятся на 2 категории: задачи на угол и задачи на расстояние. Вначале мы с тобой рассмотрим задачи на нахождение угла. Они в свою очередь делятся на следующие категории (по мере увеличения сложности):

Задачи на поиск углов

1. Нахождение угла между двумя прямыми
2. Нахождение угла между двумя плоскостями

Давай будем рассматривать эти задачи последовательно: начнем с нахождения угла между двумя прямыми. Ну-ка вспомни, а не решали ли мы с тобой подобные примеры раньше? Припоминаешь, ведь у нас уже было что-то подобное… Мы искали угол между двумя векторами. Я напомню тебе, если даны два вектора: и, то угол между ними находится из соотношения:

Теперь же у нас стоит цель - нахождение угла между двумя прямыми. Давай обратимся к «плоской картинке»:

Сколько у нас получилось углов при пересечении двух прямых? Аж штуки. Правда не равных из них только два, другие же являются вертикальными к ним (а потому с ними совпадают). Так какой же угол нам считать углом между двумя прямыми: или? Здесь правило такое: угол между двумя прямыми всегда не более чем градусов . То есть из двух углов мы всегда будем выбирать угол с наименьшей градусной мерой. То есть на данной картинке угол между двумя прямыми равен. Чтобы каждый раз не заморачиваться с поиском наименьшего из двух углов, хитрые математики предложили использовать модуль. Таким образом угол между двумя прямыми определяется по формуле:

У тебя, как у внимательного читателя, должен был возникнуть вопрос: а откуда, собственно, мы возьмем эти самые числа, которые нам нужны для вычисления косинуса угла? Ответ: мы будем брать их из направляющих векторов прямых! Таким образом, алгоритм нахождения угла между двумя прямыми выглядит следующим образом:

1. Применяем формулу 1.

Или более подробно:

1. Ищем координаты направляющего вектора первой прямой
2. Ищем координаты направляющего вектора второй прямой
3. Вычисляем модуль их скалярного произведения
4. Ищем длину первого вектора
5. Ищем длину второго вектора
6. Умножаем результаты пункта 4 на результаты пункта 5
7. Делим результат пункта 3 на результат пункта 6. Получаем косинус угла между прямыми
8. Если данный результат позволяет в точности вычислить угол, ищем его
9. Иначе пишем через арккосинус

Ну что, теперь самое время перейти к задачам: решение первых двух я продемонстрирую подробно, решение еще одной я представлю в кратком виде, а к последним двум задачам я лишь дам ответы, все выкладки к ним ты должен провести сам.

Задачи:

1. В пра-виль-ном тет-ра-эд-ре най-ди-те угол между вы-со-той тет-ра-эд-ра и ме-ди-а-ной бо-ко-вой грани.

2. В пра-виль-ной ше-сти-уголь-ной пи-ра-ми-де сто-ро-ны ос-но-ва-ния ко-то-рой равны, а бо-ко-вые ребра равны, най-ди-те угол между пря-мы-ми и.

3. Длины всех ребер пра-виль-ной че-ты-рех-уголь-ной пи-ра-ми-ды равны между собой. Най-ди-те угол между пря-мы-ми и если от-ре-зок — вы-со-та дан-ной пи-ра-ми-ды, точка — се-ре-ди-на ее бо-ко-во-го ребра

4. На ребре куба от-ме-че-на точка так, что Най-ди-те угол между пря-мы-ми и

5. Точка — се-ре-ди-на ребра куба Най-ди-те угол между пря-мы-ми и.

Я неслучайно расположил задачи в таком порядке. Пока ты еще не успел начать ориентироваться в методе координат, я сам разберу наиболее «проблемные» фигуры, а тебе предоставлю разобраться с простейшим кубом! Постепенно тебе предстоит научиться работать со всеми фигурами, сложность задач я буду увеличивать от теме к теме.

Приступаем к решению задач:

1. Рисуем тетраэдр, помещаем его в систему координат так, как я предлагал ранее. Поскольку тетраэд правильный - то все его грани (включая основание) - правильные треугольники. Поскольку нам не дана длина стороны, то я могу принять ее равной. Я думаю, ты понимаешь, что угол на самом деле не будет зависеть от того, насколько наш тетраэдр будет «растянут»?. Также проведу в тетраэдре высоту и медиану. Попутно я нарисую его основание (оно нам тоже пригодится).

Мне нужно найти угол между и. Что нам известно? Нам известна только координата точки. Значит, надо найти еще координаты точек. Теперь думаем: точка - это точка пересечения высот (или биссектрисс или медиан) треугольника. А точка - это приподнятая точка. Точка же - это середина отрезка. Тогда окончательно нам надо найти: координаты точек: .

Начнем с самого простого: координаты точки. Смотри на рисунок: Ясно, что аппликата точки равна нулю (точка лежит на плоскости). Её ордината равна (так как - медиана). Сложнее найти ее абсциссу. Однако это легко делается на основании теоремы Пифагора: Рассмотрим треугольник. Его гипотенуза равна, а один из катетов равен Тогда:

Окончательно имеем: .

Теперь найдем координаты точки. Ясно, что ее аппликата опять равна нулю, а ее ордината такая же, как у точки, то есть. Найдем ее абсциссу. Это делается достаточно трививально, если помнить, что высоты равностороннего треугольника точкой пересечения делятся в пропорции , считая от вершины. Так как: , то искомая абсцисса точки, равная длине отрезка, равна: . Таким образом, координаты точки равны:

Найдем координаты точки. Ясно, что ее абсцисса и ордината совпадают с абсциссой и ординатой точки. А аппликата равна длине отрезка. - это один из катетов треугольника. Гипотенуза треугольника - это отрезок - катет. Он ищется из соображений, которые я выделил жирным шрифтом:

Точка - это середина отрезка. Тогда нам нужно вспомнить формулу координат середины отрезка:

Ну все, теперь мы можем искать координаты направляющих векторов:

Ну что, все готово: подставляем все данные в формулу:

Таким образом,

Ответ:

Тебя не должны пугать такие «страшные» ответы: для задач С2 это обычная практика. Я бы скорее удивился «красивому» ответу в этой части. Также, как ты заметил, я практически не прибегал ни к чему, кроме как к теореме Пифагора и свойству высот равностороннего треугольника. То есть для решения стереометрической задачи я использовал самый минимум стереометрии. Выигрыш в этом частично «гасится» достаточно громоздкими вычислениями. Зато они достаточно алгоритмичны!

2. Изобразим правильную шестиугольную пирамиду вместе с системой координат, а также ее основание:

Нам нужно найти угол между прямыми и. Таким образом, наша задача сводится к поиску координат точек: . Координаты последних трех мы найдем по маленькому рисунку, а коодинату вершины найдем через координату точки. Работы навалом, но надо к ней приступать!

a) Координата: ясно, что ее аппликата и ордината равны нулю. Найдем абсциссу. Для этого рассмотрим прямоугольный треугольник. Увы, в нем нам известна только гипотенуза, которая равна. Катет мы будем стараться отыскать (ибо ясно, что удвоенная длина катета даст нам абсциссу точки). Как же нам ее искать? Давай вспомним, что за фигура у нас лежит в основании пирамиды? Это правильный шестиугольник. А что это значит? Это значит, что у него все стороны и все углы равны. Надо бы найти один такой угол. Есть идеи? Идей масса, но есть формула:

Сумма углов правильного n-угольника равна .

Таким образом, сумма углов правильного шестиугольника равна градусов. Тогда каждый из углов равен:

Вновь смотрим на картинку. Ясно, что отрезок - биссектрисса угла. Тогда угол равен градусам. Тогда:

Тогда, откуда.

Таким образом, имеет координаты

b) Теперь легко найдем координату точки: .

c) Найдем координаты точки. Так как ее абсцисса совпадает с длиной отрезка то она равна. Найти ординату тоже не очень сложно: если мы соединим точки и а точку пересечения прямой обозначим, скажем за. (сделай сам несложное построение). Тогда Таким образом, ордината точки B равна сумме длин отрезков. Вновь обратимся к треугольнику. Тогда

Тогда так как Тогда точка имеет координаты

d) Теперь найдем координаты точки. Рассмотри прямоугольник и докажи, что Таким образом, координаты точки:

e) Осталось найти координаты вершины. Ясно, что ее абсцисса и ордината совпадает с абсциссой и ординатой точки. Найдем аппликату. Так как, то. Рассмотрим прямоугольный треугольник. По условию задачи боковое ребро. Это гипотенуза моего треугольника. Тогда высота пирамиды - катет.

Тогда точка имеет координаты:

Ну все, у меня есть координаты всех интересующих меня точек. Ищу координаты направляющих векторов прямых:

Ищем угол между этими векторами:

Ответ:

Опять-таки, при решении этой задачи я не использовал никаких изошренных приемов, кроме формулы суммы углов правильного n-угольника, а также определения косинуса и синуса прямоугольного треугольника.

3. Поскольку нам опять не даны длины ребер в пирамиде, то я буду считать их равными единице. Таким образом, поскольку ВСЕ ребра, а не только боковые, равны между собой, то в основании пирамиды и меня лежит квадрат, а боковые грани - правильные треугольники. Изобразим такую пирамиду, а также ее основание на плоскости, отметив все данные, приведенные в тексте задачи:

Ищем угол между и. Я буду делать очень краткие выкладки, когда буду заниматься поиском координат точек. Тебе необходимо будет «расшифровать» их:

b) - середина отрезка. Её координаты:

c) Длину отрезка я найду по теореме Пифагора в треугольнике. Найду по теореме Пифагора в треугольнике.

Координаты:

d) - середина отрезка. Ее координаты равны

e) Координаты вектора

f) Координаты вектора

g) Ищем угол:

Куб - простейшая фигура. Я уверен, что с ней ты разберешься самостоятельно. Ответы к задачам 4 и 5 следующие:

Нахождение угла между прямой и плоскостью

Ну что, время простых задачек окончено! Теперь примеры будут еще сложнее. Для отыскания угла между прямой и плоскостью мы будем поступать следующим образом:

1. По трем точкам строим уравнение плоскости
   ,
   используя определитель третьего порядка.
2. По двум точкам ищем координаты направляющего вектора прямой:
3. Применяем формулу для вычисления угла между прямой и плоскостью:

Как видишь, эта формула очень похожа на ту, что мы применяли для поиска углов между двумя прямыми. Структура правой части просто одинакова, а слева мы теперь ищем синус, а не косинус, как раньше. Ну и добавилось одно противное действие - поиск уравнения плоскости.

Не будем откладывать в долгий ящик решение примеров:

1. Ос-но-ва-ни-ем пря-мой приз-мы яв-ля-ет-ся рав-но-бед-рен-ный тре-уголь-ник Вы-со-та приз-мы равна. Най-ди-те угол между пря-мой и плос-ко-стью

2. В пря-мо-уголь-ном па-рал-ле-ле-пи-пе-де из-вест-ны Най-ди-те угол между пря-мой и плос-ко-стью

3. В пра-виль-ной ше-сти-уголь-ный приз-ме все ребра равны. Най-ди-те угол между пря-мой и плос-ко-стью.

4. В пра-виль-ной тре-уголь-ной пи-ра-ми-де с ос-но-ва-ни-ем из-вест-ны ребра Най-ди-те угол, об-ра-зо-ван-ный плос-ко-стью ос-но-ва-ния и пря-мой, про-хо-дя-щей через се-ре-ди-ны ребер и

5. Длины всех ребер пра-виль-ной четырёхуголь-ной пи-ра-ми-ды с вер-ши-ной равны между собой. Най-ди-те угол между пря-мой и плос-ко-стью, если точка — се-ре-ди-на бо-ко-во-го ребра пи-ра-ми-ды.

Опять я решу первые две задачи подробно, третью - кратко, а последние две оставляю тебе для самостоятельного решения. К тому же тебе уже приходилось иметь дело с треугольной и четырехугольной пирамидами, а вот с призмами - пока что нет.

Решения:

1. Изобразим призму, а также ее основание. Совместим ее с системой координат и отметим все данные, которые даны в условии задачи:

Извиняюсь за некоторое несоблюдение пропорций, но для решения задачи это, по сути, не так важно. Плоскость - это просто «задняя стенка» моей призмы. Достаточно просто догадаться, что уравнение такой плоскости имеет вид:

Однако, это можно показать и непосредственно:

Выберем произвольные три точки на этой плоскости: например, .

Составим уравнение плоскости:

Упражнение тебе: самостоятельно вычислить этот определитель. У тебя получилось? Тогда уравение плоскости имеет вид:

Или просто

Таким образом,

Для решения примера мне нужно найти координаты направляющего вектора прямой. Так как точка cовпала с началом координат, то координаты вектора просто совпадут с координатами точки Для этого найдем вначале координаты точки.

Для этого рассмотрим треугольник. Проведем высоту (она же - медиана и биссектрисса) из вершины. Так как, то ордината точки равна. Для того, чтобы найти абсциссу этой точки, нам нужно вычислить длину отрезка. По теореме Пифагора имеем:

Тогда точка имеет координаты:

Точка - это «приподнятая» на точка:

Тогда координаты вектора:

Ответ:

Как видишь, ничего принципиально сложного при решении таких задач нет. На самом деле процесс еще немного упрощает «прямота» такой фигуры, как призма. Теперь давай перейдем к следующему примеру:

2. Рисуем параллелепипед, проводим в нем плоскость и прямую, а также отдельно вычерчиваем его нижнее основание:

Вначале найдем уравнение плоскости: Координаты трех точек, лежащих в ней:

(первые две координаты получены очевидным способом, а последнюю координату ты легко найдешь по картинке из точки). Тогда составляем уравнение плоскости:

Вычисляем:

Ищем координаты направляющего вектора: Ясно, что его координаты совпадают с координатами точки, не правда ли? Как найти координаты? Это же координаты точки, приподнятые по оси аппликат на единицу! . Тогда Ищем искомый угол:

Ответ:

3. Рисуем правильную шестиугольную пирамиду, а затем проводим в ней плоскость и прямую.

Тут даже плоскость нарисовать проблемно, не говоря уже о решении этой задачи, однако методу координат все равно! Именно в его универсальности и заключается его основное преимущество!

Плоскость проходит через три точки: . Ищем их координаты:

1) . Сам выведи координаты для последних двух точек. Тебе пригодится для этого решение задачи с шестиугольной пирамидой!

2) Строим уравнение плоскости:

Ищем координаты вектора: . (снова смотри задачу с треугольной пирамидой!)

3) Ищем угол:

Ответ:

Как видишь, ничего сверхъестественно сложного в этих задачах нет. Нужно лишь быть очень внимательным с корнями. К последним двум задачам я дам лишь ответы:

Как ты мог убедиться, техника решения задач везде одинаковая: основная задача найти координаты вершин и подставить их в некие формулы. Нам осталось рассмотреть еще один класс задач на вычисление углов, а именно:

Вычисление углов между двумя плоскостями

Алгоритм решения будет таков:

1. По трем точкам ищем уравнение первой плоскости:
2. По другим трем точкам ищем уравнение второй плоскости:
3. Применяем формулу:

Как видишь, формула очень похожа на две предыдущие, при помощи которых мы искали углы между прямыми и между прямой и плоскостью. Так что запомнить эту тебе не составит особого труда. Сразу переходим к разбору задач:

1. Сто-ро-на ос-но-ва-ния пра-виль-ной тре-уголь-ной приз-мы равна, а диа-го-наль бо-ко-вой грани равна. Най-ди-те угол между плос-ко-стью и плос-ко-стью ос-но-ва-ния приз-мы.

2. В пра-виль-ной че-ты-рех-уголь-ной пи-ра-ми-де, все ребра ко-то-рой равны, най-ди-те синус угла между плос-ко-стью и плос-ко-стью, про-хо-дя-щей через точку пер-пен-ди-ку-ляр-но пря-мой.

3. В правильной че-ты-рех-уголь-ной призме сто-ро-ны ос-но-ва-ния равны, а бо-ко-вые ребра равны. На ребре от-ме-че-на точка так, что. Найдите угол между плос-ко-стя-ми и

4. В пра-виль-ной четырёхуголь-ной приз-ме сто-ро-ны ос-но-ва-ния равны, а бо-ко-вые рёбра равны. На ребре от-ме-че-на точка так, что Най-ди-те угол между плос-ко-стя-ми и.

5. В кубе най-ди-те ко-си-нус угла между плос-ко-стя-ми и

Решения задач:

1. Рисую правильную (в основании - равносторонний треугольник) треугольную призму и отмечаю на ней плоскости, которые фигурируют в условии задачи:

Нам нужно найти уравнения двух плоскостей: Уравнение основания получается тривиально: ты можешь составить соответствующий определитель по трем точкам, я же составлю уравнение сразу:

Теперь найдем уравнение Точка имеет координаты Точка - Так как - медиана и высота треугольника, то легко находится по теореме Пифагора в треугольнике. Тогда точка имеет координаты: Найдем аппликату точки Для этого рассмотрим прямоугольный треугольник

Тогда получаем вот такие координаты: Cоставляем уравнение плоскости.

Вычисляем угол между плоскостями:

Ответ:

2. Делаем рисунок:

Самое сложное - это понять, что это такая за таинственная плоскость, проходящая через точку перпендикулярно. Ну что же, главное, это что? Главное - это внимательность! В самом деле, прямая перпендикулярна. Прямая также перпендикулярна. Тогда плоскость, проходящая через эти две прямые, будет перпендикулярна прямой, и, кстати, проходить через точку. Эта плоскость также проходит через вершину пирамиды. Тогда искомая плоскость - А плоскость нам уже дана. Ищем координаты точек.

Координату точки найдем через точку. Из маленького рисунка легко вывести, что координаты у точки будут такие: Что теперь осталось найти, чтобы найти координаты вершины пирамиды? Еще нужно вычислить ее высоту. Это делается при помощи все той же теоремы Пифагора: вначале докажи, что (тривиально из маленьких треугольничков, образующих квадрат в основании). Так как по условию, то имеем:

Теперь все готово: координаты вершины:

Составляем уравнение плоскости:

Ты уже спец в вычислении определителей. Без труда ты получишь:

Или иначе (если домножим обе части на корень из двух)

Теперь найдем уравнение плоскости:

(ты ведь не забыл, как мы получаем уравнение плоскости, правда? Если ты не понял, откуда взялась эта минус единица, то вернись к определению уравнения плоскости! Просто всегда до этого оказывалось так, что моей плоскости принадлежало начало координат!)

Вычисляем определитель:

(Ты можешь заметить, что уравнение плоскости совпало с уравнением прямой, проходящей через точки и! Подумай, почему!)

Теперь вычисляем угол:

Нам же нужно найти синус:

Ответ:

3. Каверзный вопрос: а что такое прямоугольная призма, как ты думаешь? Это же всего-то навсего хорошо известный тебе параллелепипед! Сразу же делаем чертеж! Можно даже отдельно не изображать основание, пользы от него здесь немного:

Плоскость, как мы уже раньше заметили, записывается в виде уравнения:

Теперь составляем плоскость

Cразу же составляем уравнение плоскости:

Ищем угол:

Теперь ответы к последним двум задачам:

Ну что же, теперь самое время немного передохнуть, ведь мы с тобой молодцы и проделали огромную работу!

Координаты и векторы. Продвинутый уровень

В этой статье мы обсудим с тобой еще один класс задач, которые можно решать при помощи метода координат: задачи на вычисление расстояния. А именно, мы с тобой рассмотрим следующие случаи:

1. Вычисление расстояния между скрещивающимися прямыми.

Я упорядочил данные задания по мере увеличения их сложности. Наиболее просто оказывается найти расстояние от точки до плоскости , а самое сложное - найти расстояние между скрещивающимися прямыми . Хотя, конечно, нет ничего невозможного! Давай не будем откладывать в долгий ящик и сразу приступим к рассмотрению первого класса задач:

Вычисление расстояния от точки до плоскости

Что нам потребуется для решения этой задачи?

1. Координаты точки

Итак, как только мы получим все необходимые данные, то применяем формулу:

Как мы строим уравнение плоскости тебе уже должно быть известно из предыдущих задач, которые я разбирал в прошлой части. Давай сразу приступим к задачам. Схема следующая: 1, 2 -я помогаю тебе решать, причем довольно подробно, 3, 4 - только ответ, решение ты проводишь сам и сравниваешь. Начали!

Задачи:

1. Дан куб. Длина ребра куба равна. Най-ди-те рас-сто-я-ние от се-ре-ди-ны от-рез-ка до плос-ко-сти

2. Дана пра-виль-ная че-ты-рех-уголь-ная пи-ра-ми-да Бо-ко-вое ребро сто-ро-на ос-но-ва-ния равна. Най-ди-те рас-сто-я-ние от точки до плос-ко-сти где — се-ре-ди-на ребра.

3. В пра-виль-ной тре-уголь-ной пи-ра-ми-де с ос-но-ва-ни-ем бо-ко-вое ребро равно, а сто-ро-на ос-но-ва-ния равна. Най-ди-те рас-сто-я-ние от вер-ши-ны до плос-ко-сти.

4. В пра-виль-ной ше-сти-уголь-ной приз-ме все рёбра равны. Най-ди-те рас-сто-я-ние от точки до плос-ко-сти.

Решения:

1. Рисуем кубик с единичными ребрами, строим отрезок и плоскость, середину отрезка обозначим буквой

.

Вначале давай начнем с легкого: найдем координаты точки. Так как то (вспомни координаты середины отрезка!)

Теперь составляем уравнение плоскости по трем точкам

\[\left| {\begin{array}{*{20}{c}}x&0&1\\y&1&0\\z&1&1\end{array}} \right| = 0\]

Теперь я могу приступать к поиску расстояния:

2. Вновь начинаем с чертежа, на котором отмечаем все данные!

Для пирамиды было бы полезно отдельно рисовать ее основание.

Даже тот факт, что я рисую как курица лапой, не помешает нам с легкостью решить эту задачу!

Теперь легко найти координаты точки

Так как координаты точки, то

2. Так как координаты точки а - середина отрезка, то

Без проблем найдем и координаты еще двух точек на плоскости Составляем уравнение плоскости и упростим его:

\[\left| {\left| {\begin{array}{*{20}{c}}x&1&{\frac{3}{2}}\\y&0&{\frac{3}{2}}\\z&0&{\frac{{\sqrt 3 }}{2}}\end{array}} \right|} \right| = 0\]

Так как точка имеет координаты: , то вычисляем расстояние:

Ответ (очень редкий!):

Ну что, разобрался? Мне кажется, что здесь все так же технично, как и в тех примерах, что мы рассматривали с тобой в предыдущей части. Так что я уверен, что если ты овладел тем материалом, то тебе не составит труда решить оставшиеся две задачи. Я лишь приведу ответы:

Вычисление расстояния от прямой до плоскости

На самом деле, здесь нет ничего нового. Как могут располагаться прямая и плоскость друг относительно друга? У них есть всего возможности: пересечься, или прямая параллельна плоскости. Как ты думаешь, чем равно расстояние от прямой до плоскости, с которой данная прямая пересекается? Мне кажется, что тут ясно, что такое расстояние равно нулю. Неинтересный случай.

Второй случай хитрее: тут уже расстояние ненулевое. Однако, так как прямая параллельна плоскости, то каждая точка прямой равноудалена от этой плоскости:

Таким образом:

А это значит, что моя задача свелась к предыдущей: ищем координаты любой точки на прямой, ищем уравнение плоскости, вычисляем расстояние от точки до плоскости. На самом деле, такие задачи в ЕГЭ встречаются крайне редко. Мне удалось найти лишь одну задачу, и то данные в ней были такими, что метод координат к ней был не очень-то и применим!

Теперь перейдем к другому, гораздо более важному классу задач:

Вычисление расстояния точки до прямой

Что нам потребуется?

1. Координаты точки, от которой мы ищем расстояние:

2. Координаты любой точки, лежащей на прямой

3. Координаты направляющего вектора прямой

Какую применяем формулу?

Что означает знаменатель данной дроби тебе и так должно быть ясно: это длина направляющего вектора прямой. Здесь очень хитрый числитель! Выражение означает модуль (длина) векторного произведения векторов и Как вычислять векторное произведение, мы с тобой изучали в предыдущей части работы. Освежи свои знания, нам они сейчас очень пригодятся!

Таким образом, алгоритм решения задач будет следующий:

1. Ищем координаты точки, от которой мы ищем расстояние:

2. Ищем координаты любой точки на прямой, до которой мы ищем расстояние:

3. Строим вектор

4. Строим направляющий вектор прямой

5. Вычисляем векторное произведение

6. Ищем длину полученного вектора:

7. Вычисляем расстояние:

Работы у нас много, а примеры будут достаточно сложными! Так что теперь сосредоточь все внимание!

1. Дана пра-виль-ная тре-уголь-ная пи-ра-ми-да с вер-ши-ной. Сто-ро-на ос-но-ва-ния пи-ра-ми-ды равна, вы-со-та равна. Най-ди-те рас-сто-я-ние от се-ре-ди-ны бо-ко-во-го ребра до пря-мой, где точки и — се-ре-ди-ны ребер и со-от-вет-ствен-но.

2. Длины ребер и пря-мо-уголь-но-го па-рал-ле-ле-пи-пе-да равны со-от-вет-ствен-но и Най-ди-те рас-сто-я-ние от вер-ши-ны до пря-мой

3. В пра-виль-ной ше-сти-уголь-ной приз-ме все ребра ко-то-рой равны най-ди-те рас-сто-я-ние от точки до пря-мой

Решения:

1. Делаем аккуратный чертеж, на котором отмечаем все данные:

Работы у нас с тобой уйма! Я вначале бы хотел описать словами, что мы будем искать и в каком порядке:

1. Координаты точек и

2. Координаты точки

3. Координаты точек и

4. Координаты векторов и

5. Их векторное произведение

6. Длину вектора

7. Длину векторного произведения

8. Расстояние от до

Ну что же, работы нам предстоит немало! Принимаемся за нее, засучив рукава!

1. Чтобы найти координаты высоты пирамиды, нам нужно знать координаты точки Её аппликата равна нулю, а ордината равна Абсцисса ее равна длине отрезка Так как - высота равностороннего треугольника, то она делится в отношении, считая от вершины, отсюда. Окончательно, получили координаты:

Координаты точки

2. - середина отрезка

3. - середина отрезка

Середина отрезка

4.Координаты

Координаты вектора

5. Вычисляем векторное произведение:

6. Длина вектора: проще всего заменить, что отрезок - средняя линия треугольника, а значит, он равен половине основания. Так что.

7. Считаем длину векторного произведения:

8. Наконец, находим расстояние:

Уф, ну все! Честно тебе скажу: решение этой задачи традиционными методами (через построения), было бы намного быстрее. Зато здесь я все свел к готовому алгоритму! Я так думаю, что алгоритм решения тебе ясен? Поэтому попрошу тебя решить оставшиеся две задачи самостоятельно. Сравним ответы?

Опять-таки повторюсь: эти задачи проще (быстрее) решать через построения, а не прибегая к координатному методу. Я продемонстрировал такой способ решения лишь затем, чтобы показать тебе универсальный метод, который позволяет «ничего не достраивать».

Наконец, рассмотрим последний класс задач:

Вычисление расстояния между скрещивающимися прямыми

Здесь алгоритм решения задач будет схож с предыдущим. Что у нас есть:

3. Любой вектор, соединяющий точки первой и второй прямой:

Как мы ищем расстояние между прямыми?

Формула следующая:

Числитель - это модуль смешанного произведения (мы его вводили в предыдущей части), а знаменатель - как и в предыдущей формуле (модуль векторного произведения направляющих векторов прямых, расстояние между которыми мы с тобой ищем).

Я напомню тебе, что

тогда формулу для расстояния можно переписать в виде :

Этакий определитель делить на определитель! Хотя, если честно, мне здесь совсем не до шуток! Данная формула, на самом деле, очень громоздка и приводит к достаточно сложным вычислениям. На твоем месте я бы прибегал к ней только в самом крайнем случае!

Давай попробуем решить несколько задач, используя изложенный выше метод:

1. В пра-виль-ной тре-уголь-ной приз-ме, все рёбра ко-то-рой равны, най-ди-те рас-сто-я-ние между пря-мы-ми и.

2. Дана пра-виль-ная тре-уголь-ная приз-ма все рёбра ос-но-ва-ния ко-то-рой равны Се-че-ние, про-хо-дя-щее через бо-ко-вое ребро и се-ре-ди-ну ребра яв-ля-ет-ся квад-ра-том. Най-ди-те рас-сто-я-ние между пря-мы-ми и

Первую решаю я, а опираясь на нее, вторую решаешь ты!

1. Рисую призму и отмечаю прямые и

Координаты точки С: тогда

Координаты точки

Координаты вектора

Координаты точки

Координаты вектора

Координаты вектора

\[\left({B,\overrightarrow {A{A_1}} \overrightarrow {B{C_1}} } \right) = \left| {\begin{array}{*{20}{l}}{\begin{array}{*{20}{c}}0&1&0\end{array}}\\{\begin{array}{*{20}{c}}0&0&1\end{array}}\\{\begin{array}{*{20}{c}}{\frac{{\sqrt 3 }}{2}}&{ - \frac{1}{2}}&1\end{array}}\end{array}} \right| = \frac{{\sqrt 3 }}{2}\]

Считаем векторное произведение между векторами и

\[\overrightarrow {A{A_1}} \cdot \overrightarrow {B{C_1}} = \left| \begin{array}{l}\begin{array}{*{20}{c}}{\overrightarrow i }&{\overrightarrow j }&{\overrightarrow k }\end{array}\\\begin{array}{*{20}{c}}0&0&1\end{array}\\\begin{array}{*{20}{c}}{\frac{{\sqrt 3 }}{2}}&{ - \frac{1}{2}}&1\end{array}\end{array} \right| - \frac{{\sqrt 3 }}{2}\overrightarrow k + \frac{1}{2}\overrightarrow i \]

Теперь считаем его длину:

Ответ:

Теперь постарайся аккуратно выполнить вторую задачу. Ответом на нее будет: .

Координаты и векторы. Краткое описание и основные формулы

Вектор - направленный отрезок. - начало вектора, -конец вектора.
Вектор обозначается или.

Абсолютная величина вектора - длина отрезка, изображающего вектор. Обозначается, как.

Координаты вектора:

,
где - концы вектора \displaystyle a .

Сумма векторов: .

Произведение векторов:

Скалярное произведение векторов:

ВЕКТОР
В физике и математике вектор - это величина, которая характеризуется своим численным значением и направлением. В физике встречается немало важных величин, являющихся векторами, например сила, положение, скорость, ускорение, вращающий момент, импульс, напряженность электрического и магнитного полей. Их можно противопоставить другим величинам, таким, как масса, объем, давление, температура и плотность, которые можно описать обычным числом, и называются они "скалярами". Векторная запись используется при работе с величинами, которые невозможно задать полностью с помощью обычных чисел. Например, мы хотим описать положение предмета относительно некоторой точки. Мы можем сказать, сколько километров от точки до предмета, но не можем полностью определить его местоположение, пока не узнаем направление, в котором он находится. Таким образом, местонахождение предмета характеризуется численным значением (расстоянием в километрах) и направлением. Графически векторы изображаются в виде направленных отрезков прямой определенной длины, как на рис. 1. Например, для того чтобы представить графически силу в пять килограммов, надо нарисовать отрезок прямой длиной в пять единиц в направлении действия силы. Стрелка указывает, что сила действует от A к B; если бы сила действовала от B к A, то мы бы записали или Для удобства векторы обычно обозначаются полужирными прописными буквами (A, B, C и так далее); векторы A и -A имеют равные численные значения, но противоположны по направлению. Численное значение вектора А называется модулем или длиной и обозначается A или |A|. Это величина, конечно, скаляр. Вектор, начало и конец которого совпадают, называется нулевым и обозначается O.

Два вектора называются равными (или свободными), если их модули и направления совпадают. В механике и физике этим определением, однако, надо пользоваться с осторожностью, так как две равных силы, приложенные к различным точкам тела в общем случае будут приводить к различным результатам. В связи с этим векторы подразделяются на "связанные" или "скользящие", следующим образом: Связанные векторы имеют фиксированные точки приложения. Например, радиус-вектор указывает положение точки относительно некоторого фиксированного начала координат. Связанные векторы считаются равными, если у них совпадают не только модули и направления, но они имеют и общую точку приложения. Скользящими векторами называются равные между собой векторы, расположенные на одной прямой.
Сложение векторов. Идея сложения векторов возникла из того, что мы можем найти единственный вектор, который оказывает то же воздействие, что и два других вектора вместе. Если для того, чтобы попасть в некоторую точку, нам надо пройти сначала A километров в одном направлении и затем B километров в другом направлении, то мы могли бы достичь нашей конечной точки пройдя C километров в третьем направлении (рис. 2). В этом смысле можно сказать, что

A + B = C.
Вектор C называется "результирующим вектором" A и B, он задается построением, показанным на рисунке; на векторах A и B как на сторонах построен параллелограмм, а C - диагональ, соединяющая начало А и конец В. Из рис. 2 видно, что сложение векторов "коммутативно", т.е. A + B = B + A. Аналогичным образом можно сложить несколько векторов, последовательно соединяя их "непрерывной цепочкой", как показано на рис. 3 для трех векторов D, E и F. Из рис. 3 также видно, что

(D + E) + F = D + (E + F), т.е. сложение векторов ассоциативно. Суммировать можно любое число векторов, причем векторы необязательно должны лежать в одной плоскости. Вычитание векторов представляется как сложение с отрицательным вектором. Например, A - B = A + (-B), где, как определялось ранее, -B - вектор, равный В по модулю, но противоположный по направлению. Это правило сложения может теперь использоваться как реальный критерий проверки, является ли некоторая величина вектором или нет. Перемещения обычно подчиняются условиям этого правила; то же можно сказать и о скоростях; силы складываются таким же образом, как можно было видеть из "треугольника сил". Однако, некоторые величины, обладающие как численными значениями так и направлениями, не подчиняются этому правилу, поэтому не могут рассматриваться как векторы. Примером являются конечные вращения.
Умножение вектора на скаляр. Произведение mA или Am, где m (m № 0) - скаляр, а A - ненулевой вектор, определяется как другой вектор, который в m раз длиннее A и имеет тоже направление что и A, если число m положительно, и противоположное, если m отрицательно, как показано на рис. 4, где m равно 2 и -1/2 соответственно. Кроме того, 1A = A, т.е. при умножении на 1 вектор не изменяется. Величина -1A - вектор, равный A по длине, но противоположный по направлению, обычно записывается как -A. Если А - нулевой вектор и(или) m = 0, то mA - нулевой вектор. Умножение дистрибутивно, т.е.

Мы можем складывать любое число векторов, причем порядок слагаемых не влияет на результат. Верно и обратное: любой вектор раскладывается на две или более "компоненты", т.е. на два вектора или более, которые, будучи сложенными, в качестве результирующего дадут исходный вектор. Например, на рис. 2, A и B - компоненты C. Многие математические действия с векторами упрощаются, если разложить вектор на три компоненты по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Выберем правую систему декартовых координат с осями Ox, Oy и Oz как показано на рис. 5. Под правой системой координат мы подразумеваем, что оси x, y и z располагаются так, как могут быть расположены соответственно большой, указательный и средний пальцы правой руки. Из одной правой системы координат всегда можно получить другую правую систему координат соответствующим вращением. На рис. 5, показано разложение вектор A на три компоненты и Они в сумме составляют вектор A , так как

Следовательно,

Можно было бы также сначала сложить и получитьа затем к прибавить Проекции вектора А на три координатные оси, обозначенные Ax, Ay и Az называются "скалярными компонентами" вектора A:

где a, b и g - углы между A и тремя координатными осями. Теперь введем три вектора единичной длины i, j и k (орты), имеющие то же самое направление, что и соответствующие оси x, y и z. Тогда, если Ax умножить на i, то полученное произведение - это вектор, равный и

Два вектора равны тогда и только тогда, когда равны их соответствующие скалярные компоненты. Таким образом, A = B тогда и только тогда, когда Ax = Bx, Ay = By, Az = Bz. Два вектора можно сложить, складывая их компоненты:

Кроме того, по теореме Пифагора:

Линейные функции. Выражение aA + bB, где a и b - скаляры, называется линейной функцией векторов A и B. Это вектор, находящийся в той же плоскости, что A и B; если A и B не параллельны, то при изменении a и b вектор aA + bB будет перемещаться по всей плоскости (рис. 6). Если A, B и C не все лежат в одной плоскости, то вектор aA + bB + cC (a, b и c изменяются) перемещается по всему пространству. Предположим, что A, B и C - единичные векторы i, j и k. Вектор ai лежит на оси x; вектор ai + bj может перемещаться по всей плоскости xy; вектор ai + bj + ck может перемещаться по всему пространству.

Можно было бы выбрать четыре взаимно перпендикулярных вектора i, j, k и l и определить четырехмерный вектор как величину A = Axi + Ayj + Azk + Awl
с длиной

а можно было бы продолжать до пяти, шести или любого числа измерений. Хотя визуально такой вектор представить невозможно, никаких математических трудностей здесь не возникает. Такая запись часто бывает полезна; например, состояние движущейся частицы описывается шестимерным вектором P (x, y, z, px, py, pz), компоненты которого - ее положение в пространстве (x, y, z) и импульс (px, py, pz). Такое пространство называется "фазовым пространством"; если мы рассматриваем две частицы, то фазовое пространство 12-мерное, если три, то 18-ти и так далее. Число размерностей можно неограниченно увеличивать; при этом величины, с которыми мы будем иметь дело, ведут себя во многом также, как те, которые мы рассмотрим в оставшейся части этой статьи, а именно, трехмерные векторы.
Умножение двух векторов. Правило сложения векторов было получено путем изучения поведения величин, представленных векторами. Нет никаких видимых причин, по которым два вектора нельзя было бы каким-либо образом перемножить, однако это умножение будет иметь смысл только в том случае, если можно показать его математическую состоятельность; кроме того, желательно, чтобы произведение имело определенный физический смысл. Существуют два способа умножения векторов, которые соответствуют этим условиям. Результатом одного из них является скаляр, такое произведение называется "скалярным произведением" или "внутренним произведением" двух векторов и записывается AЧB или (A, B). Результатом другого умножения является вектор, называемый "векторным произведением" или "внешним произведением" и записывается A*B или []. Скалярные произведения имеют физический смысл для одного-, двух- или трех измерений, тогда как векторные произведения определены только для трех измерений.
Скалярные произведения. Если под действием некоторой силы F точка, к которой она приложена, перемещается на расстояние r, то выполненная работа равна произведению r и компоненты F в направлении r. Эта компонента равна F cos бF, rс, где бF, rс - угол между F и r, т.е. Произведенная работа = Fr cos бF, rс. Это - пример физического обоснования скалярного произведения, определенного для любых двух векторов A, B посредством формулы
A*B = AB cos бA, Bс.
Так как все величины правой части уравнения - скаляры, то A*B = B*A; следовательно, скалярное умножение коммутативно. Скалярное умножение также обладает свойством дистрибутивности: A*(B + С) = A*B + A*С. Если векторы A и B перпендикулярны, то cos бA, Bс равен нулю, и, поэтому, A*B = 0, даже если ни A, ни B не равны нулю. Именно поэтому мы не можем делить на вектор. Допустим, что мы разделили обе части уравнения A*B = A*C на A. Это дало бы B = C, и, если бы можно было бы выполнить деление, то это равенство стало бы единственным возможным результатом. Однако, если мы перепишем уравнение A*B = A*C в виде A*(B - C) = 0 и вспомним, что (B - C) - вектор, то ясно, что (B - C) необязательно равен нулю и, следовательно, B не должен быть равным C. Эти противоречивые результаты показывают, что векторное деление невозможно. Скалярное произведение дает еще один способ записи численного значения (модуля) вектора: A*A = AA*cos 0° = A2;
поэтому

Скалярное произведение можно записать и другим способом. Для этого вспомним, что: A = Ax i + Ayj + Azk. Заметим, что

Тогда,

Поскольку последнее уравнение содержит x, y и z в качестве нижних индексов, уравнение, казалось бы, зависит от выбранной конкретной системы координат. Однако это не так, что видно из определения, которое не зависит от выбранных координатных осей.
Векторные произведения. Векторным или внешним произведением векторов называется вектор, модуль которого равен произведению их модулей на синус угла, перпендикулярный исходным векторам и составляющий вместе с ними правую тройку. Это произведение легче всего ввести, рассматривая соотношение между скоростью и угловой скоростью. Первая - вектор; мы теперь покажем, что последнюю также можно интерпретировать как вектор. Угловая скорость вращающегося тела определяется следующим образом: выберем любую точку на теле и проведем перпендикуляр из этой точки до оси вращения. Тогда угловая скорость тела - это число радиан, на которые эта линия повернулась за единицу времени. Если угловая скорость - вектор, она должна иметь численное значение и направление. Численное значение выражается в радианах в секунду, направление можно выбрать вдоль оси вращения, можно его определить, направив вектор в том направлении, в котором двигался бы правосторонний винт при вращении вместе с телом. Рассмотрим вращение тела вокруг фиксированной оси. Если установить эту ось внутри кольца, которое в свою очередь закреплено на оси, вставленной внутрь другого кольца, мы можем придать вращение телу внутри первого кольца с угловой скоростью w1 и затем заставить внутреннее кольцо (и тело) вращаться с угловой скоростью w2. Рисунок 7 поясняет суть дела; круговые стрелки показывают направления вращения. Данное тело - это твердая сфера с центром О и радиусом r.

Рис. 7. СФЕРА С ЦЕНТРОМ O, вращается с угловой скоростью w1 внутри кольца BC, которое, в свою очередь, вращается внутри кольца DE с угловой скоростью w2. Сфера вращается с угловой скоростью, равной сумме угловых скоростей и все точки на прямой POP" находятся в состоянии мгновенного покоя.

Придадим этому телу движение, которое является суммой двух различных угловых скоростей. Это движение довольно трудно представить наглядно, но достаточно очевидно, что тело больше не вращается относительно фиксированной оси. Однако все-таки можно сказать, что оно вращается. Чтобы показать это, выберем некоторую точку P на поверхности тела, которая в рассматриваемый нами момент времени находится на большом круге, соединяющем точки, в которых две оси пересекают поверхность сферы. Опустим перпендикуляры из P на оси. Эти перпендикуляры станут радиусами PJ и PK окружностей PQRS и PTUW соответственно. Проведем прямую POPў, проходящую через центр сферы. Теперь точка P, в рассматриваемый момент времени одновременно перемещается по окружностям, которые соприкасаются в точке P. За малый интервал времени Dt, P перемещается на расстояние

Это расстояние равно нулю, если

В этом случае точка P находится в состоянии мгновенного покоя, и точно также все точки на прямой POP". Остальная часть сферы будет в движении (окружности, по которым перемещаются другие точки, не касаются, а пересекаются). POPў является, таким образом, мгновенной осью вращения сферы, подобно тому, как колесо, катящееся по дороге в каждый момент времени, вращается относительно своей нижней точки. Чему равна угловая скорость сферы? Выберем для простоты точку A, в которой ось w1 пересекает поверхность. В момент времени, который мы рассматриваем, она перемещается за время Dt на расстояние

По кругу радиуса r sin w1. По определению, угловая скорость

Из этой формулы и соотношения (1) мы получим

Другими словами, если записать численное значение и выбрать направление угловой скорости так, как это описано выше, то эти величины складываются как векторы и могут быть рассмотрены как таковые. Теперь можно ввести векторное произведение; рассмотрим тело, вращающееся с угловой скоростью w. Выберем любую точку P на теле и любое начало координат О, которое находится на оси вращения. Пусть r - вектор, направленный от О к P. Точка P движется по окружности со скоростью V = w r sin (w, r). Вектор скорости V является касательным к окружности и указывает в направлении, показанном на рис. 8.

Это уравнение дает зависимость скорости V точки от комбинации двух векторов w и r. Используем это соотношение, чтобы определить новый вид произведения, и запишем: V = w * r. Так как результатом такого умножения является вектор, это произведение названо векторным. Для любых двух векторов A и B, если A * B = C, то C = AB sin бA, Bс, и направление вектора C таково, что он перпендикулярен плоскости, проходящей через А и B и указывает в направлении, совпадающем с направлением движения правовращающегося винта, если он параллелен C и вращается от A к B. Другими словами, мы можем сказать, что A, B и C, расположенные в таком порядке, образуют правый набор координатных осей. Векторное произведение антикоммутативно; вектор B * A имеет тот же модуль, что и A * B, но направлен в противоположную сторону: A * B = -B * A. Это произведение дистрибутивно, но не ассоциативно; можно доказать, что

Посмотрим, как записывается векторное произведение в терминах компонент и единичных векторов. Прежде всего, для любого вектора A, A * A = AA sin 0 = 0.
Следовательно, в случае единичных векторов, i * i = j * j = k * k = 0 и i * j = k, j * k = i, k * i = j. Тогда,

Это равенство также можно записать в виде определителя:

Если A * B = 0, то либо A или B равно 0, либо A и B коллинеарны. Таким образом, как и в случае скалярного произведения, деление на вектор невозможно. Величина A * B равна площади параллелограмма со сторонами A и B. Это легко видеть, так как B sin бA, Bс - его высота и A - основание. Существует много других физических величин, которые являются векторными произведениями. Одно из наиболее важных векторных произведений появляется в теории электромагнетизма и называется вектором Пойтинга P. Этот вектор задается следующим образом: P = E * H, где E и H - векторы электрического и магнитного полей соответственно. Вектор P можно рассматривать как заданный поток энергии в ваттах на квадратный метр в любой точке. Приведем еще несколько примеров: момент силы F (крутящий момент) относительно начала координат, действующей на точку, радиус-вектор которой r, определяется как r * F; частица, находящаяся в точке r, массой m и скоростью V, имеет угловой момент mr * V относительно начала координат; сила, действующая на частицу, несущую электрический заряд q через магнитное поле B со скоростью V, есть qV * B.
Тройные произведения. Из трех векторов мы можем сформировать следующие тройные произведения: вектор (A*B) * C; вектор (A * B) * C; скаляр (A * B)*C. Первый тип - произведение вектора C и скаляра A*B; о таких произведениях мы уже говорили. Второй тип называется двойным векторным произведением; вектор A * B перпендикулярен к плоскости, где лежат A и B, и поэтому (A * B) * C - вектор, лежащий в плоскости A и B и перпендикулярный C. Следовательно, в общем случае, (A * B) * C не равно A * (B * C). Записав A, B и C через их координаты (компоненты) по осям x, y и z и умножив, можно показать, что A * (B * C) = B * (A*C) - C * (A*B). Третий тип произведения, который возникает при расчетах решетки в физике твердого тела, численно равен объему параллелепипеда с ребрами A, B, C. Так как (A * B)*C = A*(B * C), знаки скалярного и векторного умножений можно менять местами, и произведение часто записывается как (A B C). Это произведение равно определителю

Заметим, что (A B C) = 0, если все три вектора лежат в одной и той же плоскости или, если А = 0 или (и) В = 0 или (и) С = 0.
ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ ВЕКТОРА
Предположим, что вектор U является функцией одной скалярной переменной t. Например, U может быть радиус-вектором, проведенным из начала координат до перемещающейся точки, а t - временем. Пусть t изменится на небольшую величину Dt, что приведет к изменению U на величину DU. Это показано на рис. 9. Отношение DU/Dt - вектор, направленный в том же направлении, что и DU. Мы можем определить производную U по t, как

при условии, что такой предел существует. С другой стороны, можно представить U как сумму компонент по трем осям и записать

Если U - радиус-вектор r, то dr/dt - скорость точки, выраженная как функция времени. Продифференцировав по времени еще раз, мы получим ускорение. Предположим, что точка перемещается вдоль кривой, показанной на рис. 10. Пусть s - расстояние, пройденное точкой вдоль кривой. В течение малого интервала времени Dt точка пройдет расстояние Ds вдоль кривой; положение радиус-вектора изменится на Dr. Следовательно Dr/Ds - вектор направленный как Dr. Далее

Вектор Dr - изменение радиус-вектора.

есть единичный вектор, касательный к кривой. Это видно из того, что при приближении точки Q к точке P, PQ приближается к касательной и Dr приближается к Ds. Формулы для дифференцирования произведения подобны формулам для дифференцирования произведения скалярных функций; однако, так как векторное произведение антикоммутативно, порядок умножения должен быть сохранен. Поэтому,

Таким образом, мы видим, что, если вектор является функцией одной скалярной переменной, то мы можем представить производную почти также, как в случае скалярной функции.
Вектор и скалярные поля. Градиент. В физике часто приходится иметь дело с векторными или скалярными величинами, которые меняются от точки к точке в заданной области. Такие области называются "полями". Например, скаляр может быть температурой или давлением; вектор может быть скоростью движущейся жидкости или электростатическим полем системы зарядов. Если мы выбрали некоторую систему координат, то любой точке P (x, y, z) в заданной области соответствует некоторый радиус-вектор r (= xi + yj + zk) и также значение векторной величины U (r) или скаляра f (r), связанных с ним. Предположим, что U и f определены в области однозначно; т.е. каждой точке соответствует одна и только одна величина U или f, хотя различные точки могут, конечно, иметь различные значения. Допустим, что мы хотим описать скорость, с которой U и f изменяются при передвижении по этой области. Простые частные производные, такие, как dU/dx и df/dy, нас не устраивают, потому что они зависят от конкретно выбранных координатных осей. Однако можно ввести векторный дифференциальный оператор, независимый от выбора осей координат; этот оператор называется "градиентом". Пусть мы имеем дело со скалярным полем f. Сначала в качестве примера рассмотрим контурную карту области страны. В этом случае f - высота над уровнем моря; контурные линии соединяют точки с одним и тем же значением f. При движении вдоль любой из этих линий f не меняется; если двигаться перпендикулярно этим линиям, то скорость изменения f будет максимальной. Мы можем каждой точке сопоставить вектор, указывающий величину и направление максимального изменения скорости f; такая карта и некоторые из этих векторов показаны на рис. 11. Если мы проделаем это для каждой точки поля, то получим векторное поле, связанное со скалярным полем f. Это поле вектора, называемого "градиентом" f, который записывается как grad f или Сf (символ С также называется "набла").

В случае трех измерений, контурные линии становятся поверхностями. Малое смещение Dr (= iDx + jDy + kDz) приводит к изменению f, которое записывается как

где точками обозначены члены более высоких порядков. Это выражение можно записать в виде скалярного произведения

Разделим правую и левую части этого равенства на Ds, и пусть Ds стремится к нулю; тогда

где dr/ds - единичный вектор в выбранном направлении. Выражение в круглых скобках - вектор, зависящий от выбранной точки. Таким образом, df/ds имеет максимальное значение, когда dr/ds указывает в том же направлении, выражение, стоящее в скобках, является градиентом. Таким образом,

- вектор, равный по величине и совпадающий по направлению с максимальной скоростью изменения f относительно координат. Градиент f часто записывается в виде

Это означает, что оператор С существует сам по себе. Во многих случаях он ведет себя как вектор и фактически является "векторным дифференциальным оператором" - одним из наиболее важных дифференциальных операторов в физике. Несмотря на то, что С содержит единичные векторы i, j и k, его физический смысл не зависит от выбранной системы координат. Какова связь между Сf и f? Прежде всего предположим, что f определяет потенциал в любой точке. При любом малом смещении Dr величина f изменится на

Если q - величина (например масса, заряд), перемещенная на Dr, то работа, выполненная при перемещении q на Dr равна

Так как Dr - перемещение, то qСf - сила; -Сf - напряженность (сила на единицу количества), связанная с f. Например, пусть U - электростатический потенциал; тогда E - напряженность электрического поля, задается формулой E = -СU. Допустим, что U создается точечным электрическим зарядом в q кулонов, помещенным в начало координат. Значение U в точке P (x, y, z) с радиус-вектором r задается формулой

Где e0 - диэлектрическая постоянная свободного пространства. Поэтому

откуда следует, что E действует в направлении r и его величина равна q/(4pe0r3). Зная скалярное поле, можно определить связанное с ним векторное поле. Также возможно и обратное. С точки зрения математической обработки скалярными полями оперировать легче, чем векторными, так как они задаются одной функцией координат, в то время как векторное поле требует три функции, соответствующие компонентам вектора в трех направлениях. Таким образом, возникает вопрос: дано векторное поле, может ли мы записать связанное с ним скалярное поле?
Дивергенция и ротор. Мы видели результат действия С на скалярную функцию. Что произойдет, если С применить к вектору? Имеются две возможности: пусть U (x, y, z) - вектор; тогда мы можем образовать векторное и скалярное произведения следующим образом:

Первое из этих выражений - скаляр, называемый дивергенцией U (обозначается divU); второе - вектор, названный ротор U (обозначается rotU). Эти дифференциальные функции, дивергенция и ротор, широко используются в математической физике. Представьте, что U - некоторый вектор и что он и его первые производные непрерывны в некоторой области. Пусть P - точка в этой области, окруженная малой замкнутой поверхностью S, ограничивающей объем DV. Пусть n - единичный вектор, перпендикулярный к этой поверхности в каждой точке (n меняет направление при движении вокруг поверхности, но всегда имеет единичную длину); пусть n направлен наружу. Покажем, что

Здесь S указывает, что эти интегралы берутся по всей поверхности, da - элемент поверхности S. Для простоты мы выберем удобную для нас форму S в виде небольшого параллелепипеда (как показано на рис. 12) со сторонами Dx, Dy и Dz; точка P - центр параллелепипеда. Вычислим интеграл из уравнения (4) сначала по одной грани параллелепипеда. Для передней грани n = i (единичный вектор параллелен оси x); Da = DyDz. Вклад в интеграл от передней грани равен

На противоположной грани n = -i; эта грань дает вклад в интеграл

Используя теорему Тейлора, получим общий вклад от двух граней

Заметим, что DxDyDz = DV. Аналогичным образом можно вычислить вклад от двух других пар граней. Полный интеграл равен

и если мы положим DV (r) 0, то члены более высокого порядка исчезнут. По формуле (2) выражение в скобках - это divU, что доказывает равенство (4). Равенство (5) можно доказать таким же образом. Воспользуемся снова рис. 12; тогда вклад от передней грани в интеграл будет равен

И, используя теорему Тейлора, получим, что суммарный вклад в интеграл от двух граней имеет вид

т.е. это два члена из выражения для rotU в уравнении (3). Другие четыре члена получатся после учета вкладов от других четырех граней. Что, в сущности, означают эти соотношения? Рассмотрим равенство (4). Предположим, что U - скорость (жидкости, например). Тогда nЧU da = Un da, где Un является нормальной компонентой вектора U к поверхности. Поэтому, Un da - это объем жидкости, протекающей через da в единицу времени, а- это объем жидкости, вытекающей через S в единицу времени. Следовательно,

Скорость расширения единицы объема вокруг точки P. Отсюда дивергенция получила свое название; она показывает скорость, с которой жидкость расширяется из (т.е. расходится от) P. Чтобы объяснить физическое значение ротора U, рассмотрим другой поверхностный интеграл по маленькому цилиндрическому объему высотой h, окружающему точку P; плоско-параллельные поверхности могут быть ориентированы в любом направлении, которое мы выбираем. Пусть k -единичный вектор перпендикулярный к каждой поверхности, и пусть площадь каждой поверхности DA; тогда полный объем DV = hDA (рис. 13). Рассмотрим теперь интеграл

Подынтегральное выражение - уже упоминавшееся ранее тройное скалярное произведение. Это произведение будет равно нулю на плоских поверхностях, где k и n параллельны. На кривой поверхности

Где ds - элемент кривой как показано на рис. 13. Сравнивая эти равенства с соотношением (5), получаем, что

Мы по-прежнему предполагаем, что U - скорость. Чему в таком случае будет равна средняя угловая скорость жидкости вокруг k? Очевидно, что

если DA не равно 0. Это выражение максимально, когда k и rotU указывают в одном и том же направлении; это означает, что rotU - вектор, равный удвоенной угловой скорости жидкости в точке P. Если жидкость вращается относительно P, то rotU № 0, и векторы U будут вращаться вокруг P. Отсюда и возникло название ротора. Теорема дивергенции (теорема Остроградского - Гаусса) является обобщением формулы (4) для конечных объемов. Она утверждает, что для некоторого объема V, ограниченного замкнутой поверхностью S,

Вектором называется направленный отрезок прямой евклидова пространства, у которого один конец (точка A) называется началом вектора, а другой конец (точка B) концом вектора (Рис. 1). Векторы обозначаются:

Если начало и конец вектора совпадают, то вектор называется нулевым вектором и обозначается 0 .

Пример. Пусть в двухмерном пространстве начало вектора имеет координаты A (12,6) , а конец вектора - координаты B (12,6). Тогда вектор является нулевым вектором.

Длина отрезка AB называется модулем (длиной , нормой ) вектора и обозначается |a |. Вектор длины, равной единице, называется единичным вектором . Кроме модуля вектор характеризуется направлением: вектор имеет направление от A к B . Вектор называется вектором, противоположным вектору .

Два вектора называются коллинеарными , если они лежат на одной прямой или на параллельных прямых. На рисунке Рис. 3 красные векторы коллинеарны, т.к. они лажат на одной прямой, а синие векторы коллинеарны, т.к. они лежат на параллельных прямых. Два коллинеарных вектора называются одинаково направленными , если их концы лежат по одну сторону от прямой, соединяющей их начала. Два коллинеарных вектора называются противоположно направленными , если их концы лежат по разные стороны от прямой, соединяющей их начала. Если два коллинеарных вектора лежат на одной прямой, то они называются одинаково направленными, если один из лучей, образованным одним вектором полностью содержит луч, образованным другим вектором. В противном случае векторы называются противоположно направленными. На рисунке Рис.3 синие векторы одинаково направлены, а красные векторы противоположно направлены.

Два вектора называются равными если они имеют равные модули и одинаково направлены. На рисунке Рис.2 векторы равны т.к. их модули равны и имеют одинаковое направление.

Векторы называются компланарными , если они лежат на одной плоскости или в параллельных плоскостях.

В n мерном векторном пространстве рассмотрим множество всех векторов, начальная точка которых совпадает с началом координат. Тогда вектор можно записать в следующем виде:

(1)

где x 1 , x 2 , ..., x n координаты конечной точки вектора x .

Вектор, записанный в виде (1) называется вектор-строкой , а вектор, записанный в виде

(2)

называется вектор-столбцом .

Число n называется размерностью (порядком ) вектора. Если то вектор называется нулевым вектором (т.к. начальная точка вектора ). Два вектора x и y равны тогда и только тогда, когда равны их соответствующие элементы.

Введение

С уверенностью можно сказать, что мало кто из людей задумывается о том, что векторы окружают нас повсюду и помогают нам в повседневной жизни. Рассмотрим ситуацию: парень назначил девушке свидание в двухстах метрах от своего дома. Найдут ли они друг друга? Конечно, нет, так как юноша забыл указать главное: направление, то есть по-научному – вектор. Далее, в процессе работы над данным проектом, я приведу ещё множество не менее интересных примеров векторов.

Вообще, я считаю, что математика – это интереснейшая наука, в познании которой нет границ. Я выбрала тему о векторах не случайно, меня очень заинтересовало то, что понятие «вектор» выходит далеко за рамки одной науки, а именно математики, и окружает нас практически везде. Таким образом, каждый человек должен знать, что такое вектор, поэтому, я думаю, что эта тема весьма актуальна. В психологии, биологии, экономике и многих других науках употребляют понятие «вектор». Подробнее об этом я расскажу позже.

Целями данного проекта являются приобретение навыков работы с векторами, умение видеть необычное в обычном, выработка внимательного отношения к окружающему миру.

История возникновения понятия вектор

Одним из фундаментальных понятий современной математики является вектор. Эволюция понятия вектора осуществлялась благодаря широкому использованию этого понятия в различных областях математики, механики, а так же в технике.

Вектор относительно новое математическое понятие. Сам термин «вектор» впервые появился в 1845 году у ирландского математика и астронома Уильяма Гамильтона (1805 – 1865) в работах по построению числовых систем, обобщающих комплексные числа. Гамильтону принадлежат и термин «скаляр», «скалярное произведение», «векторное произведение». Почти одновременно с ним исследования в том же направлении, но с другой точки зрения вёл немецкий математик Герман Грассман (1809 – 1877). Англичанин Уильям Клиффорд (1845 – 1879) сумел объединить два подхода в рамках общей теории, включающий в себя и обычное векторное исчисление. А окончательный вид оно приняло в трудах американского физика и математика Джозайи Уилларда Гиббса (1839 – 1903), который в 1901 году опубликовал обширный учебник по векторному анализу.

Конец прошлого и начало текущего столетия ознаменовались широким развитием векторного исчисления и его приложений. Были созданы векторная алгебра и векторный анализ, общая теория векторного пространства. Эти теории были использованы при построении специальной и общей теории относительности, которые играют исключительно важную роль в современной физике.

Понятие вектора возникает там, где приходится иметь дело с объектами, которые характеризуются величиной и направлением. Например, некоторые физические величины, такие, как сила, скорость, ускорение и др., характеризуются не только числовым значением, но и направлением. В связи с этим указанные физические величины удобно изображать направленными отрезками. В соответствии с требованиями новой программы по математике и физике понятие вектора стало одним из ведущих понятий школьного курса математики.

Векторы в математике

Вектором называется направленный отрезок, который имеет начало и конец.

Вектор с началом в точке А и концом в точке В принято обозначать как АВ. Векторы также могут обозначаться малыми латинскими буквами со стрелкой (иногда - чёрточкой) над ними, например .

Вектор в геометрии естественно сопоставляется переносу (параллельному переносу), что, очевидно, проясняет происхождение его названия (лат. vector, несущий). Действительно, каждый направленный отрезок однозначно определяет собой какой-то параллельный перенос плоскости или пространства: скажем, вектор АВ естественно определяет перенос, при котором точка А перейдет в точку В, также и обратно, параллельный перенос, при котором А переходит в В, определяет собой единственный направленный отрезок АВ.

Длиной вектора АВ называется длина отрезка АВ, её обычно обозначают АВ. Роль нуля среди векторов играет нулевой вектор, у которого начало и конец совпадают; ему, в отличие от других векторов, не приписывается никакого направления.

Два вектора называются коллинеарными, если они лежат на параллельных прямых, либо на одной прямой. Два вектора называются сонаправленными, если они коллинеарны и направлены в одну сторону, противоположно направленными, если коллинеарны и направлены в разные стороны.

Операции над векторами

Модуль вектора

Модулем вектора АВ называется число, равное длине отрезка АВ. Обозначается, как АВ. Через координаты вычисляется, как:

Сложение векторов

В координатном представлении вектор суммы получается суммированием соответствующих координат слагаемых:

){\displaystyle {\vec {a}}+{\vec {b}}=(a_{x}+b_{x},a_{y}+b_{y},a_{z}+b_{z})}

Для геометрического построения вектора суммы {\displaystyle {\vec {c}}={\vec {a}}+{\vec {b}}}c = используют различные правила (методы), однако они все дают одинаковый результат. Использование того или иного правила обосновывается решаемой задачей.

Правило треугольника

Правило треугольника наиболее естественно следует из понимания вектора как переноса. Ясно, что результат последовательного применения двух переносов {\displaystyle {\vec {a}}} и {\displaystyle {\vec {b}}} некоторой точки будет тем же, что применение сразу одного переноса {\displaystyle {\vec {a}}+{\vec {b}}}, соответствующего этому правилу. Для сложения двух векторов{\displaystyle {\vec {a}}} и {\displaystyle {\vec {b}}} по правилу треугольника оба эти вектора переносятся параллельно самим себе так, чтобы начало одного из них совпадало с концом другого. Тогда вектор суммы задаётся третьей стороной образовавшегося треугольника, причём его начало совпадает с началом первого вектора, а конец с концом второго вектора.

Это правило прямо и естественно обобщается для сложения любого количества векторов, переходя в правило ломаной :

Правило многоугольника

Начало второго вектора совмещается с концом первого, начало третьего - с концом второго и так далее, сумма же {\displaystyle n} векторов есть вектор, с началом, совпадающим с началом первого, и концом, совпадающим с концом {\displaystyle n}- го (то есть изображается направленным отрезком, замыкающим ломаную). Так же называется правилом ломаной.

Правило параллелограмма

Для сложения двух векторов {\displaystyle {\vec {a}}} и {\displaystyle {\vec {b}}} по правилу параллелограмма оба эти векторы переносятся параллельно самим себе так, чтобы их начала совпадали. Тогда вектор суммы задаётся диагональю построенного на них параллелограмма, исходящей из их общего начала.

Правило параллелограмма особенно удобно, когда есть потребность изобразить вектор суммы сразу же приложенным к той же точке, к которой приложены оба слагаемых - то есть изобразить все три вектора имеющими общее начало.

Вычитание векторов

Для получения разности в координатной форме надо вычесть соответствующие координаты векторов:

‚ {\displaystyle {\vec {a}}-{\vec {b}}=(a_{x}-b_{x},a_{y}-b_{y},a_{z}-b_{z})}

Для получения вектора разности {\displaystyle {\vec {c}}={\vec {a}}-{\vec {b}}} начала векторов соединяются и началом вектора {\displaystyle {\vec {c}}} будет конец {\displaystyle {\vec {b}}}, а концом - конец {\displaystyle {\vec {a}}}. Если записать, используя точки векторов, то AC-AB=BC{\displaystyle {\overrightarrow {AC}}-{\overrightarrow {AB}}={\overrightarrow {BC}}}.

Умножение вектора на число

Умножение вектора {\displaystyle {\vec {a}}} на число {\displaystyle \alpha 0}, даёт сонаправленный вектор с длиной в {\displaystyle \alpha } раз больше. Умножение вектора {\displaystyle {\vec {a}}} на число {\displaystyle \alpha , даёт противоположно направленный вектор с длиной в {\displaystyle \alpha } раз больше. Умножение вектора на число в координатной форме производится умножением всех координат на это число:

{\displaystyle \alpha {\vec {a}}=(\alpha a_{x},\alpha a_{y},\alpha a_{z})}

Скалярное произведение векторов Скалярное

Скалярным произведением называют число, которое получается при умножении вектора на вектор. Находится по формуле:

Скалярное произведение можно найти ещё через длину векторов и угол между ними. Применение векторов в смежных науках Векторы в физике Векторы - мощный инструмент математики и физики. На языке векторов формулируются основные законы механики и электродинамики. Чтобы понимать физику, нужно научиться работать с векторами. В физике, как и в математике, вектор – это величина, которая характеризуется своим численным значением и направлением. В физике встречается немало важных величин, являющихся векторами, например сила, положение, скорость, ускорение, вращающий момент, импульс, напряженность электрического и магнитного полей. Векторы в литературе Вспомним басню Ивана Андреевича Крылова о том, как «лебедь, рак да щука везти с поклажей воз взялись». Басня утверждает, что «воз и ныне там», другими словами, что равнодействующая всех сил приложенных к возу сил равна нулю. А сила, как известно, векторная величина. Векторы в химии

Нередко даже великими учеными высказывалась мысль, что химическая реакция является вектором. Вообще-то, под понятие «вектор» можно подвести любое явление. Вектором выражают действие или явление, имеющее четкую направленность в пространстве и в конкретных условиях, отражаемое его величиной. Направление вектора в пространстве определяется углами, образующимися между вектором и координатными осями, а длина (величина) вектора – координатами его начала и конца.

Однако утверждение, что химическая реакция является вектором, до сих пор было неточно. Тем не менее основой этого утверждения служит следующее правило: «Любой химической реакции отвечает симметричное уравнение прямой в пространстве с текущими координатами в виде количеств веществ (молей), масс или объемов».

Все прямые химических реакций проходят через начало координат. Любую прямую в пространстве нетрудно выразить векторами, но поскольку прямая химической реакции проходит через начало системы координат, то можно принять, что вектор прямой химической реакции находится на самой прямой и называется радиус-вектором. Начало этого вектора совпадает с началом системы координат. Таким образом, можно сделать вывод: любая химическая реакция характеризуется положением ее вектора в пространстве. Векторы в биологии

Вектор (в генетике) - молекула нуклеиновой кислоты, чаще всего ДНК, используемая в генетической инженерии для передачи генетического материала другой клетке.

Векторы в экономике

Одним из разделов высшей математики является линейная алгебра. Ее элементы широко применяются при решении разнообразных задач экономического характера. Среди них важное место занимает понятие вектора.

Вектор представляет собой упорядоченную последовательность чисел. Числа в векторе с учетом их расположения по номеру в последовательности называются компонентами вектора. Отметим, векторы можно рассматривать в качестве элементов любой природы, в том числе и экономической. Предположим, что некоторая текстильная фабрика должна выпустить в одну смену 30 комплектов постельного белья, 150 полотенец, 100 домашних халатов, тогда производственную программу данной фабрики можно представить в виде вектора, где всё, что должна выпустить фабрика – это трехмерный вектор.

Векторы в психологии

На сегодняшний день имеется огромное количество информационных источников для самопознания, направлений психологии и саморазвития. И не трудно заметить, что все больше обретает популярность такое необычное направление, как системно-векторная психология, в ней существует 8 векторов.

Векторы в повседневной жизни

Я обратила внимание, что векторы, помимо точных наук, встречаются мне каждый день. Так, например, во время прогулки в парке, я заметила, что ель, оказывается, можно рассматривать как пример вектора в пространстве: нижняя её часть – начало вектора, а верхушка дерева является концом вектора. А вывески с изображением вектора при посещении больших магазинов помогают нам быстро найти тот или иной отдел и сэкономить время.

Векторы в знаках дорожного движения

Каждый день, выходя из дома, мы становимся участниками дорожного движения в роли пешехода либо в роли водителя. В наше время практически каждая семья имеет машину, что, разумеется, не может не отразиться на безопасности всех участников дорожного движения. И, чтобы избежать казусов на дороге, стоит соблюдать все правила дорожного движения. Но не стоит забывать того, что в жизни всё взаимосвязано и, даже в простейших предписывающих знаках дорожного движения, мы видим указательные стрелки движения, в математике называемые – векторами. Эти стрелки (векторы) указывают нам направления движения, стороны движения, стороны объезда, и ещё многое другое. Всю эту информацию можно прочитать на знаках дорожного движения на обочинах дорог.

Заключение

Базовое понятие «вектор», рассмотренное нами ещё на уроках математики в школе, является основой для изучения в разделах общей химии, общей биологии, физики и других наук. Я наблюдаю необходимость векторов в жизни, которые помогают найти нужный объект, сэкономить время, они выполняют предписывающую функцию в знаках дорожного движения.

Выводы

Каждый человек постоянно сталкивается с векторами в повседневной жизни.

Векторы необходимы нам для изучения не только математики, но и других наук.

Каждый должен знать, что такое вектор.

Источники

Башмаков М.А. Что такое вектор?-2-е изд., стер.- М.: Квант, 1976.-221с.

Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике.-3-е изд., стер. - М.: Наука, 1978.-186с.

Гусятников П.Б. Векторная алгебра в примерах и задачах.-2-е изд., стер.- М.: Высшая школа, 1985.-302с.

Зайцев В.В. Элементарная математика. Повторительный курс.-3-е изд., стер.- М.: Наука,1976.-156с.

Коксетер Г.С. Новые встречи с геометрией.-2-е изд., стер. - М.: Наука,1978.-324с.

Погорелов А.В. Аналитическая геометрия.- 3-е изд., стер. - М.: Квант,1968.-235с.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Вектор (от лат. «vector » – «несущий») – направленный отрезок прямой в пространстве или на плоскости.

Графически вектор изображается в виде направленного отрезка прямой определенной длины. Вектор, начало которого находится в точке , а конец – в точке , обозначается как (рис. 1). Также вектор можно обозначать одной маленькой буквой, например, .

Если в пространстве задана система координат, то вектор можно однозначно задать набором своих координат. То есть под вектором понимается объект, который имеет величину (длину), направление и точку приложения (начало вектора).

Начала векторного исчисления появились в работах в 1831 году в работах немецкого математика, механика, физика, астронома и геодезиста Иоганна Карла Фридриха Гаусса (1777-1855). Работы, посвященные операциям с векторами, опубликовал ирландский математик, механик и физик-теоретик, сэр Уильям Роуэн Гамильтон (1805-1865) в рамках своего кватернионного исчисления. Ученый предложил термин «вектор» и описал некоторые операции над векторами. Векторное исчисление получило свое дальнейшее развитие благодаря работам по электромагнетизму британского физика, математика и механика Джеймса Клерка Максвелла (1831-1879). В 1880-х годах увидела свет книга «Элементы векторного анализа» американского физика, физикохимика, математика и механика Джозайя Уилларда Гиббса (1839-1903). Современный векторный анализ был описан в 1903 году в работах английского ученого-самоучки, инженера, математика и физика Оливера Хевисайда (1850-1925).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Длиной или модулем вектора называется длина направленного отрезка, определяющего вектор. Обозначается как .

Основные виды векторов

Нулевым вектором называется вектор , у которого начальная точка и конечная точка совпадают. Длина нулевого вектора равна нулю.

Вектора, параллельные одной прямой или лежащие на одной прямой, называют коллинеарными (рис. 2).

сонаправленными , если их направления совпадают.

На рисунке 2 – это векторы и . Сонаправленность векторов обозначается следующим образом: .

Два коллинеарных вектора называются противоположно направленными , если их направления противоположны.

На рисунке 3 – это векторы и . Обозначение: .