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Topos Uranos

摘要

本课开启课程的第五个也是最后一个单元,即空间解析几何单元。它介绍组成本单元的四节课以及把它们连在一起的线索:在课程 I 中学过的平面向量变成数的三元组,并带有一个度量长度与角的数量积;第 4 单元的三阶行列式给出一种新的乘积,即向量积,并随之给出度量面积与体积的混合积;直线与平面用线性方程来描述,它们的位置关系用秩和鲁歇-弗罗贝尼乌斯定理来判定;所有这些汇合起来,用于度量点、直线与平面之间的距离和角。它回顾这些思想的历史背景,从十七世纪几乎没有走出平面的笛卡儿和费马的坐标,到吉布斯和亥维赛的向量演算以及晶体学;借助一个地铁网络中的两条隧道,精确地表述催生它们的问题,即判定空间中两条直线是否相交,并在它们不相交时度量二者相隔多远;并指出这些思想在本课程中、在本站的其他课程中以及在科学与技术中再次用到的地方。

学习目标

  1. 描述本单元各课的顺序,说明每一课提供什么工具,以及它从关于矩阵的单元和课程 I 的平面几何中借用了哪些工具。
  2. 把空间坐标、数量积、向量积和向量演算放回其历史背景之中,并说出每一种思想所要解决的问题。
  3. 把空间中两条直线是否相交的问题表述为一个线性方程组,用增广矩阵的秩加以判定,并计算两条异面直线之间的最短距离。
  4. 识别空间解析几何在物理学、计算机图形学、机器人学、大地测量学、卫星定位和化学中的用途。

入门测评

在学习本单元之前,先测一测自己的起点是有益的。前八道题两两对应本单元的四节课,第九道题是一道建模题,要求借助点到直线的距离为一个实际情境建立数学表述;同样的技能会在最后的总结课中再次测量。最后三道题检查本单元默认已从关于矩阵的单元和课程 I 中掌握的内容。这份自测不计分数:它的作用是让人知道自己掌握了什么、该在哪里停下来细看。

入门测评

开始本单元之前,先测一测你的起点。这是一次简短的自我测评:不计分,结果只保存在你的浏览器中。

  1. 第 1 题计算点 P=(1,−2,3)P = (1, -2, 3) 与点 Q=(3,1,9)Q = (3, 1, 9) 之间的距离。

  2. 第 2 题向量 u⃗=(1,1,0)\vec{u} = \left( 1, 1, 0 \right) 与 v⃗=(1,0,1)\vec{v} = \left( 1, 0, 1 \right) 的夹角是多少?

  3. 第 3 题计算 (1,2,0)×(0,1,3)\left( 1, 2, 0 \right) \times \left( 0, 1, 3 \right)。

  4. 第 4 题计算顶点为 O=(0,0,0)O = (0, 0, 0)、A=(1,2,0)A = (1, 2, 0)、B=(0,1,3)B = (0, 1, 3) 和 C=(2,0,1)C = (2, 0, 1) 的四面体的体积。

  5. 第 5 题过 A=(1,0,0)A = (1, 0, 0)、B=(0,2,0)B = (0, 2, 0) 和 C=(0,0,2)C = (0, 0, 2) 的平面的方程是什么?

  6. 第 6 题直线 (1,0,0)+t(1,1,0)\left( 1, 0, 0 \right) + t \left( 1, 1, 0 \right) 与 (0,1,1)+s(1,−1,0)\left( 0, 1, 1 \right) + s \left( 1, -1, 0 \right) 的位置关系是什么?

  7. 第 7 题计算点 P=(1,2,3)P = (1, 2, 3) 到平面 2x−y+2z=12x - y + 2z = 1 的距离。

  8. 第 8 题方向向量为 (1,0,1)\left( 1, 0, 1 \right) 的直线与平面 x+y=0x + y = 0 所成的角是多少?

  9. 第 9 题一架无人机从公园中的点 O=(0,0,0)O = (0, 0, 0) 起飞,沿向量 (2,2,1)\left( 2, 2, 1 \right) 的方向直线上升,距离以米为单位。地面上的点 P=(12,6,0)P = (12, 6, 0) 处坐着一个人。无人机飞过时离这个人的最小距离是多少米?

  10. 第 10 题来自前面的单元计算以 (1,2,0)\left( 1, 2, 0 \right)、(3,1,2)\left( 3, 1, 2 \right) 和 (0,1,1)\left( 0, 1, 1 \right) 为行的矩阵的行列式。

  11. 第 11 题来自前面的单元一个含两个未知数的三个线性方程组成的方程组,其系数矩阵的秩为 22,增广矩阵的秩为 33。它有多少个解?

  12. 第 12 题来自前面的单元当 kk 取何值时,平面向量 (3,−1)\left( 3, -1 \right) 与 (2,k)\left( 2, k \right) 垂直?