Περίληψη
Αυτό το μάθημα ανοίγει την πέμπτη και τελευταία ενότητα του κύκλου μαθημάτων, αφιερωμένη στην αναλυτική γεωμετρία του χώρου. Παρουσιάζει τα τέσσερα μαθήματα που τη συγκροτούν και το νήμα που τα ενώνει: τα διανύσματα του επιπέδου, που μελετήθηκαν στον πρώτο κύκλο μαθημάτων, γίνονται τριάδες αριθμών με ένα εσωτερικό γινόμενο που μετρά μήκη και γωνίες· η ορίζουσα τάξης τρία της ενότητας 4 δίνει ένα νέο γινόμενο, το εξωτερικό, και μαζί του το μικτό γινόμενο, που μετρά εμβαδά και όγκους· οι ευθείες και τα επίπεδα περιγράφονται με γραμμικές εξισώσεις, και οι σχετικές θέσεις τους κρίνονται με τη βαθμίδα και το θεώρημα Ρουσέ-Φρομπένιους· και όλα αυτά συνενώνονται για να μετρηθούν αποστάσεις και γωνίες ανάμεσα σε σημεία, ευθείες και επίπεδα. Διατρέχει το ιστορικό υπόβαθρο αυτών των ιδεών, από τις συντεταγμένες του Καρτέσιου και του Φερμά, που τον 17ο αιώνα μόλις βγήκαν από το επίπεδο, έως τον διανυσματικό λογισμό του Γκιμπς και του Χέβισαϊντ και την κρυσταλλογραφία· διατυπώνει με ακρίβεια, μέσω δύο σηράγγων ενός δικτύου μετρό, το πρόβλημα από το οποίο γεννήθηκαν, να κριθεί αν δύο ευθείες του χώρου τέμνονται και να μετρηθεί πόσο απέχουν όταν δεν τέμνονται· και δείχνει πού χρησιμοποιούνται ξανά σε αυτόν τον κύκλο μαθημάτων, σε άλλους κύκλους μαθημάτων του ιστοτόπου και στην επιστήμη και την τεχνική.
Μαθησιακοί στόχοι
- Να περιγράφεται η σειρά των μαθημάτων της ενότητας και να εξηγείται ποιο εργαλείο προσφέρει το καθένα και ποια παίρνει από την ενότητα για τους πίνακες και από τη γεωμετρία του επιπέδου του πρώτου κύκλου μαθημάτων.
- Να τοποθετούνται στο ιστορικό τους πλαίσιο οι συντεταγμένες του χώρου, το εσωτερικό γινόμενο, το εξωτερικό γινόμενο και ο διανυσματικός λογισμός, με αναφορά στο πρόβλημα που ήρθε να λύσει η καθεμία ιδέα.
- Να διατυπώνεται ως γραμμικό σύστημα το ερώτημα αν δύο ευθείες του χώρου τέμνονται, να κρίνεται με τη βαθμίδα του επαυξημένου πίνακα και να υπολογίζεται η ελάχιστη απόσταση δύο ασύμβατων ευθειών.
- Να αναγνωρίζονται χρήσεις της αναλυτικής γεωμετρίας του χώρου στη φυσική, στα γραφικά υπολογιστή, στη ρομποτική, στη γεωδαισία, στον δορυφορικό εντοπισμό θέσης και στη χημεία.
Αρχική αξιολόγηση
Πριν διατρέξουμε την ενότητα, αξίζει να μετρήσουμε το σημείο εκκίνησης. Οι οκτώ πρώτες ερωτήσεις αγγίζουν, ανά δύο, τα τέσσερα μαθήματα της ενότητας, και η ένατη είναι ένα πρόβλημα μοντελοποίησης, που ζητά να διατυπωθεί με την απόσταση σημείου από ευθεία μια κατάσταση σε πλαίσιο· οι ίδιες δεξιότητες μετρώνται ξανά στο τέλος, στο μάθημα της σύνθεσης. Οι τρεις τελευταίες ελέγχουν όσα η ενότητα θεωρεί γνωστά από την ενότητα για τους πίνακες και από τον πρώτο κύκλο μαθημάτων. Αυτός ο αυτοέλεγχος δεν βαθμολογεί: χρησιμεύει για να ξέρουμε τι κατέχουμε και πού να σταθούμε.
Πριν ξεκινήσεις την ενότητα, μέτρησε το σημείο εκκίνησής σου. Είναι μια σύντομη αυτοαξιολόγηση: δεν βαθμολογείται και το αποτέλεσμα αποθηκεύεται μόνο στον περιηγητή σου.
Ερώτηση 1Να υπολογιστεί η απόσταση των σημείων και .
Σωστή απάντηση:
Οι διαφορές των συντεταγμένων είναι , και , και η απόσταση είναι . Το αποτέλεσμα προκύπτει αν προστεθούν οι διαφορές χωρίς να υψωθούν στο τετράγωνο και χωρίς να εξαχθεί η ρίζα.Επανάληψη: Διανύσματα στον χώρο και εσωτερικό γινόμενο
Ερώτηση 2Ποια γωνία σχηματίζουν τα διανύσματα και ;
Προκύπτει αν το εσωτερικό γινόμενο διαιρεθεί με ένα μόνο από τα μέτρα, οπότε βγαίνει . Το συνημίτονο της γωνίας είναι το εσωτερικό γινόμενο διαιρεμένο με το γινόμενο των δύο μέτρων.Είναι η γωνία της οποίας το ημίτονο ισούται με . Το πηλίκο του εσωτερικού γινομένου προς το γινόμενο των μέτρων είναι το συνημίτονο της γωνίας, όχι το ημίτονό της.Το εσωτερικό γινόμενο είναι και κάθε διάνυσμα έχει μέτρο · το συνημίτονο της γωνίας είναι , που αντιστοιχεί σε .Επανάληψη: Διανύσματα στον χώρο και εσωτερικό γινόμενο
Ερώτηση 3Να υπολογιστεί το .
Λείπει το πρόσημο μείον του δεύτερου όρου στο ανάπτυγμα της συμβολικής ορίζουσας κατά την πρώτη γραμμή: η δεύτερη συνιστώσα είναι . Το διάνυσμα δεν είναι κάθετο στο .Είναι το γινόμενο με την αντίθετη σειρά, . Το εξωτερικό γινόμενο αντιμετατίθεται με αλλαγή προσήμου: όταν αλλάζει η σειρά των παραγόντων, αλλάζει το πρόσημο.Είναι το γινόμενο συνιστώσα προς συνιστώσα, που δεν είναι κάθετο στους παράγοντες ούτε έχει γεωμετρική σημασία. Κάθε συνιστώσα του εξωτερικού γινομένου είναι μια ορίζουσα τάξης δύο.Οι συνιστώσες είναι , και · το αποτέλεσμα είναι κάθετο στους δύο παράγοντες, όπως επιβεβαιώνεται με το εσωτερικό γινόμενο.Επανάληψη: Εξωτερικό γινόμενο και μικτό γινόμενο
Ερώτηση 4Να υπολογιστεί ο όγκος του τετραέδρου με κορυφές , , και .
Σωστή απάντηση:
Το μικτό γινόμενο των , και είναι η ορίζουσα με γραμμές , και , που ισούται με · είναι ο όγκος του παραλληλεπιπέδου, και ο όγκος του τετραέδρου είναι το ένα έκτο του, . Το αποτέλεσμα σημαίνει ότι υπολογίστηκε το παραλληλεπίπεδο, και το ότι πάρθηκε το μισό, όπως στο εμβαδόν του τριγώνου.Επανάληψη: Εξωτερικό γινόμενο και μικτό γινόμενο
Ερώτηση 5Ποια είναι η εξίσωση του επιπέδου που διέρχεται από τα , και ;
Ως συντελεστές πάρθηκαν τα σημεία τομής με τους άξονες. Η εξίσωση ενός επιπέδου που τέμνει τους άξονες στα , και είναι · εδώ, , που είναι ισοδύναμη με την . Το σημείο δεν επαληθεύει την .Το κάθετο διάνυσμα είναι σωστό, αλλά λείπει ο υπολογισμός του σταθερού όρου: αυτή η εξίσωση περιγράφει το παράλληλο επίπεδο που διέρχεται από την αρχή, και κανένα από τα τρία σημεία δεν την επαληθεύει.Είναι η ευθεία που διέρχεται από τα και . Ένα επίπεδο χρειάζεται δύο μη παράλληλα διανύσματα κατεύθυνσης, ή ένα κάθετο διάνυσμα.Ένα κάθετο διάνυσμα είναι το , ανάλογο προς το · ο σταθερός όρος προκύπτει με αντικατάσταση του : . Τα τρία σημεία επαληθεύουν την εξίσωση.Επανάληψη: Ευθείες και επίπεδα στον χώρο
Ερώτηση 6Ποια είναι η σχετική θέση των ευθειών και ;
Αυτό συμβαίνει στο επίπεδο με δύο μη παράλληλες ευθείες. Στον χώρο, η ισότητα των σημείων δίνει τρεις εξισώσεις με δύο αγνώστους, και η τρίτη, , είναι αδύνατη.Στο επίπεδο, δύο ευθείες χωρίς κοινά σημεία είναι παράλληλες· στον χώρο όχι, γιατί μπορεί να είναι ασύμβατες. Τα διανύσματα κατεύθυνσης και δεν είναι ανάλογα.Τα διανύσματα κατεύθυνσής τους δεν είναι παράλληλα, και το σύστημα , , δεν έχει λύση· δύο μη παράλληλες ευθείες χωρίς κοινά σημεία είναι ασύμβατες. Το μικτό γινόμενο των , και ισούται με , διάφορο του μηδενός, πράγμα που επιβεβαιώνει ότι δεν βρίσκονται σε ένα επίπεδο.Επανάληψη: Ευθείες και επίπεδα στον χώρο
Ερώτηση 7Να υπολογιστεί η απόσταση του σημείου από το επίπεδο .
Σωστή απάντηση:
Από τον τύπο της απόστασης σημείου από επίπεδο, . Το αποτέλεσμα σημαίνει ότι ξεχάστηκε η διαίρεση με το μέτρο του κάθετου διανύσματος, και το ότι ο σταθερός όρος προστέθηκε αντί να αφαιρεθεί.Επανάληψη: Αποστάσεις, γωνίες και όγκοι στον χώρο
Ερώτηση 8Ποια γωνία σχηματίζει η ευθεία με διάνυσμα κατεύθυνσης με το επίπεδο ;
Είναι η γωνία της ευθείας με το κάθετο διάνυσμα, όχι με το επίπεδο. Η γωνία με το επίπεδο είναι εκείνη που σχηματίζει η ευθεία με την προβολή της πάνω του, και είναι η συμπληρωματική της πρώτης.Προκύπτει αν το εσωτερικό γινόμενο διαιρεθεί με ένα μόνο από τα μέτρα, οπότε βγαίνει συνημίτονο . Πρέπει να διαιρεθεί με το γινόμενο των δύο μέτρων.Η ευθεία θα ήταν παράλληλη στο επίπεδο αν το διάνυσμα κατεύθυνσής της ήταν κάθετο στο κάθετο διάνυσμα· όμως το εσωτερικό γινόμενο των και ισούται με , όχι με .Το διάνυσμα κατεύθυνσης και το κάθετο διάνυσμα σχηματίζουν γωνία με συνημίτονο , δηλαδή γωνία · η γωνία της ευθείας με το επίπεδο είναι η συμπληρωματική της, .Επανάληψη: Αποστάσεις, γωνίες και όγκοι στον χώρο
Ερώτηση 9Ένα drone απογειώνεται από το σημείο ενός πάρκου και ανεβαίνει σε ευθεία γραμμή κατά τη διεύθυνση του διανύσματος , με τις αποστάσεις σε μέτρα. Στο σημείο του εδάφους κάθεται ένα άτομο. Σε ποια ελάχιστη απόσταση από αυτό περνά το drone, σε μέτρα;
Σωστή απάντηση:
Η τροχιά είναι η ευθεία , με το να έχει μέτρο , και η ελάχιστη απόσταση είναι η απόσταση του από αυτή την ευθεία: . Επιτυγχάνεται στο ίχνος της καθέτου, το σημείο , γιατί το είναι κάθετο στο . Το αποτέλεσμα σημαίνει ότι υπολογίστηκε η προβολή , που μετρά πόσο προχωρά το drone έως εκείνο το ίχνος, και όχι η απόσταση· το σημαίνει ότι μετρήθηκε η απόσταση από το σημείο απογείωσης.Επανάληψη: Αποστάσεις, γωνίες και όγκοι στον χώρο
Ερώτηση 10Από προηγούμενες ενότητεςΝα υπολογιστεί η ορίζουσα του πίνακα με γραμμές , και .
Σωστή απάντηση:
Με ανάπτυγμα κατά την πρώτη γραμμή, . Το αποτέλεσμα σημαίνει ότι ξεχάστηκε το εναλλασσόμενο πρόσημο του δεύτερου όρου του αναπτύγματος.Επανάληψη: Ορίζουσες: ιδιότητες και κανόνας του Κράμερ
Ερώτηση 11Από προηγούμενες ενότητεςΈνα σύστημα τριών γραμμικών εξισώσεων με δύο αγνώστους έχει πίνακα των συντελεστών βαθμίδας και επαυξημένο πίνακα βαθμίδας . Πόσες λύσεις έχει;
Το ότι η βαθμίδα του πίνακα των συντελεστών ισούται με το πλήθος των αγνώστων εξασφαλίζει τη μοναδικότητα μόνο αν το σύστημα είναι συμβιβαστό, και η συμβιβαστότητα απαιτεί ο επαυξημένος πίνακας να έχει την ίδια βαθμίδα.Οι λύσεις είναι άπειρες όταν το σύστημα είναι συμβιβαστό και η κοινή βαθμίδα είναι μικρότερη από το πλήθος των αγνώστων. Εδώ το σύστημα δεν είναι συμβιβαστό, γιατί οι δύο βαθμίδες διαφέρουν.Από το θεώρημα Ρουσέ-Φρομπένιους, ένα σύστημα έχει λύση αν και μόνο αν οι δύο πίνακες έχουν την ίδια βαθμίδα· εδώ οι βαθμίδες είναι διαφορετικές, και το σύστημα είναι αδύνατο.Ερώτηση 12Από προηγούμενες ενότητεςΓια ποια τιμή του είναι κάθετα τα διανύσματα και του επιπέδου;
Σωστή απάντηση:
Δύο μη μηδενικά διανύσματα είναι κάθετα αν και μόνο αν το εσωτερικό τους γινόμενο είναι μηδέν: , απ’ όπου . Το αποτέλεσμα σημαίνει ότι άλλαξε ένα πρόσημο· αν εξισωθούν οι κλίσεις, αναζητούνται παράλληλα διανύσματα, όχι κάθετα.Επανάληψη: Διανύσματα στο επίπεδο και παραμετρικές εξισώσεις της ευθείας
Φόρτωση του περιεχομένου…
Ολοκληρώθηκε
Συνδεθείτε για να αποθηκεύσετε την πρόοδό σας