Краткое содержание
Этот урок переносит в трёхмерное пространство векторы, которые урок о векторах на плоскости изучал с двумя координатами. Он фиксирует систему трёх перпендикулярных осей с положительной ориентацией, объявляет, какие факты евклидовой геометрии пространства принимаются, и, дважды применяя теорему Пифагора, получает расстояние между двумя точками. Он определяет векторы как тройки действительных чисел, с их сложением, умножением на число, стандартным базисом и единственностью координат; определяет длину и скалярное произведение, доказывает их свойства, неравенство Коши-Шварца через дискриминант и неравенство треугольника, и с их помощью определяет угол между векторами, который совпадает с углом элементарной геометрии. Затем изучаются ортогональность, ортогональная проекция, направляющие косинусы и запись скалярного произведения как произведения строки на столбец, из которой следует, что матрицы с единичными и перпендикулярными столбцами сохраняют длины и углы. Приложения: работа силы, теорема косинусов в пространстве и угол молекулы метана; задачи посвящены диагоналям куба и параллелепипеда, векторам, перпендикулярным двум данным, натяжениям трёх тросов и тетраэдрам с перпендикулярными противоположными рёбрами.
Цели обучения
- Строить точки в декартовой системе координат в пространстве, определять их октант и вычислять расстояния, обосновывая формулу теоремой Пифагора.
- Выполнять действия с векторами пространства, раскладывать их по стандартному базису и доказывать с их помощью свойства параллелограммов, параллелепипедов и тетраэдров.
- Вычислять длины, скалярные произведения, углы, ортогональные проекции и направляющие косинусы и доказывать неравенство Коши-Шварца и неравенство треугольника в пространстве.
- Записывать скалярное произведение как произведение матриц и решать с его помощью, сохраняет ли матрица длины и углы.
- Моделировать с помощью скалярного произведения работу силы, равновесие сходящихся сил и углы молекулы.
Система координат в пространстве
В уроке курса «Алгебра и геометрия I» о векторах на плоскости каждая точка плоскости отождествлялась с парой чисел и каждое перемещение с другой парой, и геометрия прямых, углов и расстояний переводилась в вычисления с этими парами. Физический мир, однако, трёхмерен: положение самолёта, атома в молекуле или лампы, подвешенной к потолку, требует трёх чисел. Если это так, разумно повторить построение с тройками. Большинство результатов, доказанных на плоскости, переносится без изменений, потому что доказательства действовали покоординатно или использовали только алгебраические свойства скалярного произведения; в таких случаях этот урок ссылается на урок о плоскости. Осторожности требует геометрия: в пространстве нет плоского рисунка, который содержал бы всё, и угол между двумя векторами, например, нужно определить прежде, чем вычислять.
Принимаемые факты евклидовой геометрии пространства
Аналитическая геометрия пространства переводит на свой язык стереометрию, которую Евклид изложил в книгах с XI по XIII Начал. Её аксиоматическое построение выходит за рамки этого курса, как это было и с построением планиметрии в уроке об уравнении прямой, где принимаемые факты геометрии на плоскости были собраны в список. Точно так же факты о пространстве, которые использует этот раздел, принимаются без доказательства и собраны в приведённом ниже списке; всякий раз, когда урок раздела опирается на один из них, он ссылается на этот список.
- Плоскости. Через три точки, не лежащие на одной прямой, проходит единственная плоскость, и если две точки прямой лежат в плоскости, то и вся прямая лежит в ней. В каждой плоскости пространства верны факты геометрии на плоскости, принятые в уроке об уравнении прямой; в частности, теорема Пифагора и обратная к ней, а также свобода выбрать в этой плоскости систему осей.
- Перпендикулярные прямые и плоскости. Через каждую точку проходит единственная плоскость, перпендикулярная данной прямой, и эта плоскость пересекает прямую в единственной точке. Прямая, перпендикулярная плоскости, перпендикулярна всем прямым этой плоскости, проходящим через точку их пересечения.
- Оси. Три прямые, проходящие через точку и попарно перпендикулярные, с положительным направлением на каждой и одной и той же единицей длины, образуют систему осей. Расстояния, углы и фигуры не зависят от этого выбора.
- Координаты. Если система осей зафиксирована, то плоскости, перпендикулярные трём осям и проведённые через точку , пересекают их в точках с абсциссами , и , и обратно, для каждой тройки чисел эти три плоскости пересекаются в единственной точке. Точки с третьей координатой, равной , образуют плоскость, перпендикулярную оси , в которой первые две координаты являются декартовыми координатами плоскости с той же единицей; точки с фиксированными первыми двумя координатами образуют прямую, параллельную оси и перпендикулярную этой плоскости, на которой третья координата измеряет положение с той же единицей. То же верно при переставленных осях.
Четвёртый факт есть следствие трёх первых, которое стереометрия доказывает с помощью свойств параллельных прямых и параллельных плоскостей; он сформулирован отдельно, потому что именно в этой форме он будет использоваться.
Декартова система координат в пространстве есть система осей, называемых осью , осью и осью , которые пересекаются в начале координат . Каждая точка отождествляется с тройкой своих координат, , которые называются абсциссой, ординатой и аппликатой. Три координатные плоскости: плоскость , с уравнением ; плоскость , с уравнением ; и плоскость , с уравнением .
Координатные плоскости делят пространство на восемь областей, называемых октантами, по знаку каждой координаты; первый октант состоит из точек с тремя положительными координатами, а остальные называются по тройке своих знаков, например октант . На плоскости две перпендикулярные оси можно расположить двумя существенно разными способами: вторая ось получается поворотом первой на четверть оборота против часовой стрелки или по часовой стрелке. В пространстве то же самое происходит с тремя осями, и это различие имеет название.
Система координат в пространстве имеет положительную ориентацию, если при взгляде с положительного направления оси поворот на четверть оборота, переводящий положительную полуось в положительную полуось , виден против часовой стрелки. Равносильно, выполняется правило правой руки: если пальцы правой руки сгибаются от положительной полуоси к положительной полуоси , то большой палец указывает на положительную полуось .
Если изменить направление одной из осей, ориентация меняется; если изменить направление двух, она сохраняется. При циклической перестановке осей, от , , к , , , ориентация тоже не меняется, так что в положительной системе при взгляде с положительной полуоси поворот от к тоже идёт против часовой стрелки. В дальнейшем все системы имеют положительную ориентацию. На рисунках они изображаются в косоугольной проекции: ось вправо, ось вверх и ось к наблюдателю, проведённая по диагонали и с длинами, уменьшенными вдвое. Ориентация не играет роли в этом уроке; она будет существенной в ближайшем уроке, о векторном и смешанном произведениях.
Построить точку , проходя вдоль осей, указать её октант и построить точку .
Доказательство
Рисуем три оси с положительной ориентацией: при взгляде сверху поворот на четверть оборота от положительной полуоси к положительной полуоси идёт против часовой стрелки.
Продвигаемся на единицы по оси .
Из продвигаемся на единицы в направлении оси , не выходя из плоскости .
Из поднимаемся на единицы в направлении оси . Все три координаты положительны: лежит в первом октанте и является вершиной, противоположной , прямоугольного параллелепипеда с рёбрами , и .
Если из опуститься на единицы, получим , в октанте . Плоскость перпендикулярно пересекает отрезок в его середине, : симметрична относительно этой плоскости.
Расстояние между двумя точками
На плоскости расстояние между двумя точками было получено однократным применением теоремы Пифагора к треугольнику с катетами, параллельными осям. В пространстве её нужно применить дважды: сначала в горизонтальной плоскости, затем в вертикальной.
Расстояние между точками и даётся приведённой ниже формулой.
Вводится вспомогательная точка , на высоте и на вертикали . На рисунке используются и .
Доказательство
Пусть есть точка с двумя первыми координатами точки и аппликатой точки . Точки и лежат в плоскости с аппликатой , а и на прямой, параллельной оси и образованной точками с первыми координатами и .
По факту о координатах, в плоскости с аппликатой первые две координаты декартовы, и формула расстояния на плоскости из урока об уравнении прямой даёт длину . На рисунке .
На вертикальной прямой, содержащей и , аппликата измеряет положение: длина равна модулю разности аппликат. На рисунке .
Прямая перпендикулярна плоскости с аппликатой и, по второму принимаемому факту, прямой , которая лежит в этой плоскости и проходит через . Треугольник прямоугольный с прямым углом при , и, по первому факту, теорема Пифагора верна в содержащей его плоскости.
Подставляем и извлекаем квадратный корень. Если или , треугольника нет, но формула сводится к формуле лишь одного из двух расстояний и остаётся верной. На рисунке расстояние равно .
В частности, расстояние от до начала координат равно , длине диагонали прямоугольного параллелепипеда с рёбрами , и . Например, диагональ куба с ребром равна .
Загрузка содержимого…