Riepilogo
Questa lezione porta nello spazio la retta data da un punto e da un vettore direttore, e descrive il piano in forma vettoriale e parametrica, mediante un punto e due vettori direttori, e in forma cartesiana, mediante un’equazione i cui coefficienti formano un vettore normale. Il prodotto vettoriale collega le due forme, e si dimostra che ogni piano ha un’equazione cartesiana, unica a meno di un fattore. Le posizioni reciproche di piani e rette si traducono in sistemi lineari e si classificano con il teorema di Rouché-Capelli (nel mondo ispanofono, teorema di Rouché-Frobenius); il prodotto misto decide se due rette sono incidenti o sghembe. La lezione si chiude con il fascio di piani e con problemi su rotte di aerei, sull’inclinazione di un terreno e sui tetraedri.
Obiettivi di apprendimento
- Scrivere una retta dello spazio in forma vettoriale, parametrica e simmetrica, anche quando qualche componente del vettore direttore è nulla, e dimostrare che per due punti distinti esiste una e una sola retta.
- Scrivere un piano in forma vettoriale, parametrica e cartesiana, convertire una forma nell’altra con il prodotto vettoriale e costruire il piano per tre punti non allineati.
- Dimostrare che ogni piano ha un’equazione cartesiana, unica a meno di un fattore non nullo, e che ogni equazione lineare in , e con qualche coefficiente non nullo descrive un piano.
- Stabilire la posizione reciproca di due o di tre piani, di una retta e un piano e di due rette mediante i ranghi di un sistema lineare e il prodotto misto, anche quando i dati dipendono da un parametro.
- Costruire con il fascio di piani il piano che contiene una retta e soddisfa un’altra condizione, e modellizzare con rette e piani situazioni della navigazione aerea, dell’edilizia e del design.
La retta nello spazio
Nella lezione del corso Algebra e Geometria I sui vettori nel piano ed equazioni parametriche della retta, la retta del piano, nota come grafico di un’equazione di primo grado fin dalla lezione sull’equazione della retta, è stata descritta come . Nello spazio non c’è coefficiente angolare, e un’equazione di primo grado in , e descrive, come si vedrà, un piano. Se le cose stanno così, conviene invertire l’ordine: la descrizione vettoriale sarà la definizione, e da essa si dedurranno le altre forme.
I vettori dello spazio e il loro prodotto scalare sono stati studiati nella lezione su vettori nello spazio e il prodotto scalare; il prodotto vettoriale e il prodotto misto, nella lezione su prodotto vettoriale e prodotto misto. Come nel piano, significa , e due vettori non nulli sono paralleli quando uno è multiplo dell’altro. Nelle figure, l’asse è rivolto verso destra, l’asse verso l’alto e l’asse verso l’osservatore.
Siano un punto e un vettore non nullo. La retta per con vettore direttore è l’insieme dei punti per i quali esiste un numero reale tale che ; il numero si chiama parametro di .
Il parametro di ogni punto è unico: se , allora , e poiché non è nullo, . Per e , l’equazione vettoriale, scritta componente per componente, dà le equazioni parametriche della retta:
Se il parametro è il tempo, queste equazioni descrivono un moto uniforme di velocità , come nel piano. Una stessa retta ammette molti punti iniziali e molti vettori direttori; il teorema che segue mostra che due suoi punti la determinano.
Per due punti distinti e esiste una e una sola retta, quella di equazione . Di conseguenza, le equazioni e descrivono la stessa retta se e solo se sta sulla prima e è parallelo a .
Nella figura, e , in modo che , e l’altra retta è quella per con vettore direttore .
Dimostrazione
Esistenza: il vettore non è nullo, perché , e la retta per con quel vettore direttore contiene , con parametro , e , con parametro .
Unicità: sia una retta qualsiasi, , che contenga e , e siano e i loro parametri. Nella figura, e .
Per la relazione di Chasles, . I parametri sono distinti, perché ; quindi è parallelo a . Nella figura, .
Ogni punto di sta sulla retta : prendiamo come punto iniziale invece di e sostituiamo con la sua espressione in funzione di . Nella figura, il punto di di parametro è il punto della retta di parametro .
Viceversa, il punto di parametro della retta è quello di parametro su : le due rette hanno gli stessi punti. Per la seconda affermazione: se le equazioni descrivono la stessa retta, e stanno su di essa, e per il terzo passo è multiplo di ; se sta sulla prima e , la prima contiene e , ed è la retta per essi.
Ne segue che due rette distinte hanno al più un punto comune: se ne avessero due in comune, sarebbero entrambe l’unica retta per essi. Tre punti sono allineati quando esiste una retta che li contiene. Se , il punto è allineato con essi se e solo se per qualche , cioè se e solo se è multiplo di .
La forma simmetrica
Ricavando il parametro e uguagliando i risultati si ottengono equazioni senza parametro, con attenzione alle componenti nulle del vettore direttore.
Sia la retta per con vettore direttore . Se le tre componenti di sono diverse da zero, un punto sta su se e solo se valgono le uguaglianze riportate sotto. Se solo è nulla, la condizione è e ; se e sono nulle, la condizione è e . I casi in cui si annullano altre componenti si ottengono scambiando i ruoli delle coordinate.
Nella figura, e , il vettore che va da a .
Dimostrazione
Se le tre componenti sono diverse da zero e , ricaviamo da ciascuna equazione parametrica: i tre quozienti valgono .
Viceversa, se i tre quozienti sono uguali, chiamiamo il loro valore comune; moltiplicando ogni uguaglianza per il suo denominatore si ritrovano le equazioni parametriche, e sta su .
Se solo è nulla, la seconda equazione è per ogni , e si scrive a sé, perché dividere per non ha senso. Nella figura, la retta sta nel piano .
Se e sono nulle, le ultime due equazioni fissano e , e per ogni il parametro dà il punto: la retta è la parallela all’asse condotta per , che nella figura compare sullo sfondo.
Verifica nella figura: sta sulla retta, con parametro , e no, benché soddisfi .
Ogni uguaglianza della forma simmetrica è un’equazione di primo grado: la retta della figura è l’insieme delle soluzioni di e . Quando si sarà visto che ogni equazione di questo tipo descrive un piano, ciò dirà che la retta è l’intersezione di due piani, la sua forma implicita.
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