Перейти к содержимому
Topos Uranos

Краткое содержание

Этот урок открывает пятый и последний раздел курса, посвящённый аналитической геометрии в пространстве. Он представляет четыре урока, из которых состоит раздел, и нить, которая их связывает: векторы плоскости, изученные в курсе I, становятся тройками чисел со скалярным произведением, измеряющим длины и углы; определитель третьего порядка из раздела 4 даёт новое произведение, векторное, а вместе с ним смешанное произведение, которое измеряет площади и объёмы; прямые и плоскости описываются линейными уравнениями, а их взаимное расположение определяется с помощью ранга и теоремы Кронекера-Капелли (Руше-Фробениуса); и всё это соединяется, чтобы измерять расстояния и углы между точками, прямыми и плоскостями. Урок прослеживает историческую предысторию этих идей, от координат Декарта и Ферма, которые в XVII веке едва вышли за пределы плоскости, до векторного исчисления Гиббса и Хевисайда и кристаллографии; точно формулирует, на примере двух тоннелей сети метро, задачу, из которой они родились, а именно выяснить, пересекаются ли две прямые пространства, и измерить, насколько они удалены друг от друга, если не пересекаются; и показывает, где они используются снова в этом курсе, в других курсах сайта и в науке и технике.

Цели обучения

  1. Описывать последовательность уроков раздела и объяснять, какой инструмент даёт каждый из них и какие он берёт из раздела о матрицах и из геометрии плоскости курса I.
  2. Помещать в исторический контекст координаты пространства, скалярное произведение, векторное произведение и векторное исчисление, называя задачу, для решения которой появилась каждая идея.
  3. Записывать в виде линейной системы вопрос о том, пересекаются ли две прямые пространства, решать его с помощью ранга расширенной матрицы и вычислять наименьшее расстояние между двумя скрещивающимися прямыми.
  4. Распознавать применения аналитической геометрии в пространстве в физике, компьютерной графике, робототехнике, геодезии, спутниковом позиционировании и химии.

Входная проверка

Прежде чем проходить раздел, полезно измерить исходную точку. Первые восемь вопросов касаются, по два, четырёх уроков раздела, а девятый является задачей на моделирование, в которой нужно с помощью расстояния от точки до прямой записать практическую ситуацию; те же умения измеряются снова в конце, в итоговом уроке. Три последних вопроса выясняют, что раздел считает известным из раздела о матрицах и из курса I. Этот тест не выставляет оценок: он нужен, чтобы понять, что уже освоено и где задержаться.

Входная проверка

Перед началом раздела оцени свою отправную точку. Это короткая самопроверка: она не оценивается, а результат хранится только в твоём браузере.

  1. Вопрос 1Вычислите расстояние между точками P=(1,−2,3)P = (1, -2, 3) и Q=(3,1,9)Q = (3, 1, 9).

  2. Вопрос 2Какой угол образуют векторы u⃗=(1,1,0)\vec{u} = \left( 1, 1, 0 \right) и v⃗=(1,0,1)\vec{v} = \left( 1, 0, 1 \right)?

  3. Вопрос 3Вычислите (1,2,0)×(0,1,3)\left( 1, 2, 0 \right) \times \left( 0, 1, 3 \right).

  4. Вопрос 4Вычислите объём тетраэдра с вершинами O=(0,0,0)O = (0, 0, 0), A=(1,2,0)A = (1, 2, 0), B=(0,1,3)B = (0, 1, 3) и C=(2,0,1)C = (2, 0, 1).

  5. Вопрос 5Каково уравнение плоскости, проходящей через A=(1,0,0)A = (1, 0, 0), B=(0,2,0)B = (0, 2, 0) и C=(0,0,2)C = (0, 0, 2)?

  6. Вопрос 6Каково взаимное расположение прямых (1,0,0)+t(1,1,0)\left( 1, 0, 0 \right) + t \left( 1, 1, 0 \right) и (0,1,1)+s(1,−1,0)\left( 0, 1, 1 \right) + s \left( 1, -1, 0 \right)?

  7. Вопрос 7Вычислите расстояние от точки P=(1,2,3)P = (1, 2, 3) до плоскости 2x−y+2z=12x - y + 2z = 1.

  8. Вопрос 8Какой угол образует прямая с направляющим вектором (1,0,1)\left( 1, 0, 1 \right) с плоскостью x+y=0x + y = 0?

  9. Вопрос 9Дрон взлетает из точки O=(0,0,0)O = (0, 0, 0) парка и поднимается по прямой в направлении вектора (2,2,1)\left( 2, 2, 1 \right); расстояния измеряются в метрах. В точке P=(12,6,0)P = (12, 6, 0) на земле сидит человек. На каком наименьшем расстоянии от этого человека пролетает дрон, в метрах?

  10. Вопрос 10Из предыдущих разделовВычислите определитель матрицы со строками (1,2,0)\left( 1, 2, 0 \right), (3,1,2)\left( 3, 1, 2 \right) и (0,1,1)\left( 0, 1, 1 \right).

  11. Вопрос 11Из предыдущих разделовСистема трёх линейных уравнений с двумя неизвестными имеет матрицу коэффициентов ранга 22 и расширенную матрицу ранга 33. Сколько решений она имеет?

  12. Вопрос 12Из предыдущих разделовПри каком значении kk векторы (3,−1)\left( 3, -1 \right) и (2,k)\left( 2, k \right) плоскости перпендикулярны?