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
- 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.
- Помещать в исторический контекст координаты пространства, скалярное произведение, векторное произведение и векторное исчисление, называя задачу, для решения которой появилась каждая идея.
- 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.
- 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.
Перед началом раздела оцени свою отправную точку. Это короткая самопроверка: она не оценивается, а результат хранится только в твоём браузере.
Вопрос 1Вычислите расстояние между точками и .
Правильный ответ:
Разности координат равны , и , а расстояние равно . Тот, кто получает , сложил разности, не возводя их в квадрат и не извлекая корень.Вопрос 2Какой угол образуют векторы и ?
Получается, если разделить скалярное произведение на длину лишь одного вектора, что даёт . Косинус угла есть скалярное произведение, делённое на произведение двух длин.Это угол, синус которого равен . Отношение скалярного произведения к произведению длин есть косинус угла, а не его синус.Скалярное произведение равно , и длина каждого вектора равна ; косинус угла равен , что соответствует .Вопрос 3Вычислите .
Пропущен знак минус второго слагаемого в разложении формального определителя по первой строке: вторая координата равна . Вектор не перпендикулярен .Это произведение в обратном порядке, . Векторное произведение антикоммутативно: при перестановке сомножителей меняется знак.Это покоординатное произведение, которое не перпендикулярно сомножителям и не имеет геометрического смысла. Каждая координата векторного произведения есть определитель второго порядка.Координаты равны , и ; результат перпендикулярен обоим сомножителям, в чём легко убедиться с помощью скалярного произведения.Повторить: Векторное и смешанное произведения
Вопрос 4Вычислите объём тетраэдра с вершинами , , и .
Правильный ответ:
Смешанное произведение векторов , и есть определитель со строками , и , равный ; это объём параллелепипеда, а объём тетраэдра составляет одну шестую от него, . Тот, кто получает , вычислил параллелепипед, а тот, кто получает , взял половину, как для площади треугольника.Повторить: Векторное и смешанное произведения
Вопрос 5Каково уравнение плоскости, проходящей через , и ?
В качестве коэффициентов взяты точки пересечения с осями. Уравнение плоскости, пересекающей оси в , и , имеет вид ; здесь , что равносильно . Точка не удовлетворяет .Вектор нормали верен, но не вычислен свободный член: это уравнение описывает параллельную плоскость, проходящую через начало координат, и ни одна из трёх точек ему не удовлетворяет.Это прямая, проходящая через и . Для плоскости нужны два непараллельных направляющих вектора или вектор нормали.Вектор нормали есть , он пропорционален ; свободный член получается подстановкой : . Все три точки удовлетворяют уравнению.Повторить: Прямые и плоскости в пространстве
Вопрос 6Каково взаимное расположение прямых и ?
Так бывает на плоскости с двумя непараллельными прямыми. В пространстве равенство точек даёт три уравнения с двумя неизвестными, и третье, , невозможно.На плоскости две прямые без общих точек параллельны; в пространстве нет, потому что они могут скрещиваться. Направляющие векторы и не пропорциональны.Их направляющие векторы не параллельны, и система , , не имеет решения; две непараллельные прямые без общих точек скрещиваются. Смешанное произведение векторов , и равно , то есть отлично от нуля, что подтверждает, что прямые не лежат в одной плоскости.Повторить: Прямые и плоскости в пространстве
Вопрос 7Вычислите расстояние от точки до плоскости .
Правильный ответ:
По формуле расстояния от точки до плоскости, . Тот, кто получает , забыл разделить на длину вектора нормали, а тот, кто получает , прибавил свободный член вместо того, чтобы его вычесть.Повторить: Расстояния, углы и объёмы в пространстве
Вопрос 8Какой угол образует прямая с направляющим вектором с плоскостью ?
Это угол прямой с вектором нормали, а не с плоскостью. Угол с плоскостью есть угол, который прямая образует со своей проекцией на эту плоскость, и он дополняет первый угол до прямого.Получается, если разделить скалярное произведение на длину лишь одного вектора, что даёт косинус . Делить нужно на произведение двух длин.Прямая была бы параллельна плоскости, если бы её направляющий вектор был перпендикулярен вектору нормали; но скалярное произведение векторов и равно , а не .Направляющий вектор и вектор нормали образуют угол с косинусом , то есть угол ; угол прямой с плоскостью дополняет его до прямого: .Повторить: Расстояния, углы и объёмы в пространстве
Вопрос 9Дрон взлетает из точки парка и поднимается по прямой в направлении вектора ; расстояния измеряются в метрах. В точке на земле сидит человек. На каком наименьшем расстоянии от этого человека пролетает дрон, в метрах?
Правильный ответ:
Траектория есть прямая , где имеет длину , и наименьшее расстояние есть расстояние от до этой прямой: . Оно достигается в основании перпендикуляра, в точке , поскольку перпендикулярен . Тот, кто получает , вычислил проекцию , которая измеряет, насколько дрон продвигается до этого основания, а не расстояние; тот, кто получает , измерил расстояние до точки взлёта.Повторить: Расстояния, углы и объёмы в пространстве
Вопрос 10Из предыдущих разделовВычислите определитель матрицы со строками , и .
Правильный ответ:
Разлагая по первой строке, получаем . Тот, кто получает , забыл чередование знаков у второго слагаемого разложения.Повторить: Определители: свойства и правило Крамера
Вопрос 11Из предыдущих разделовСистема трёх линейных уравнений с двумя неизвестными имеет матрицу коэффициентов ранга и расширенную матрицу ранга . Сколько решений она имеет?
Равенство ранга матрицы коэффициентов числу неизвестных обеспечивает единственность, только если система совместна, а совместность требует, чтобы расширенная матрица имела тот же ранг.Решений бесконечно много, когда система совместна и общий ранг меньше числа неизвестных. Здесь система несовместна, потому что два ранга различаются.По теореме Кронекера-Капелли система имеет решение тогда и только тогда, когда обе матрицы имеют один и тот же ранг; здесь ранги различны, и система несовместна.Повторить: Линейные системы и метод Гаусса-Жордана
Вопрос 12Из предыдущих разделовПри каком значении векторы и плоскости перпендикулярны?
Правильный ответ:
Два ненулевых вектора перпендикулярны тогда и только тогда, когда их скалярное произведение равно нулю: , откуда . Тот, кто получает , перепутал знак; тот, кто приравнивает угловые коэффициенты, ищет параллельные векторы, а не перпендикулярные.Повторить: Векторы на плоскости и параметрические уравнения прямой
Загрузка содержимого…