Приступим к решению типового примера.
Даны векторы (1; 2; 3), (-1; 0; 3), (2; 1; -1) и (3; 2; 2) в некотором базисе. Показать, что векторы , и образуют базис и найти координаты вектора в этом базисе.
Решение. Векторы образуют базис, если они линейно независимы, другими словами, если уравнения, входящие в систему:
– линейно независимы.
Тогда
. (1)
Это условие выполняется, если определитель матрицы системы отличен от нуля.
В самом деле, .
Запишем уравнение (1) в виде системы .
Для решения этой системы воспользуемся методом Крамера.
D1 =
;
D2 =
D3 =
Итак, координаты вектора в базисе , , : =( -1/4, 7/4, 5/2).
Ответ: =( -1/4, 7/4, 5/2).
Задача 3.
Для решения задачи 3 к уже имеющемуся материалу, добавим следующие теоретические моменты.
Уравнение поверхности в пространстве.
Определение. Любое уравнение, связывающее координаты x, y, z любой точки поверхности является уравнением этой поверхности.
I. Определение. Плоскостьюназывается поверхность, все точки которой удовлетворяют общему уравнению:
Ax + By + Cz + D = 0,
где А, В, С – координаты вектора -вектор нормали к плоскости.
Возможны следующие частные случаи:
А = 0 – плоскость параллельна оси Ох
В = 0 – плоскость параллельна оси Оу
С = 0 – плоскость параллельна оси Оz
D = 0 – плоскость проходит через начало координат
А = В = 0 – плоскость параллельна плоскости хОу
А = С = 0 – плоскость параллельна плоскости хОz
В = С = 0 – плоскость параллельна плоскости yOz
А = D = 0 – плоскость проходит через ось Ох
В = D = 0 – плоскость проходит через ось Оу
С = D = 0 – плоскость проходит через ось Oz
А = В = D = 0 – плоскость совпадает с плоскостью хОу
А = С = D = 0 – плоскость совпадает с плоскостью xOz
В = С = D = 0 – плоскость совпадает с плоскостью yOz
II. Пусть даны точки М1(x1, y1, z1), M2(x2, y2, z2), M3(x3, y3, z3) в декартовой системе координат.
Уравнение плоскости, проходящей через три точки:
.
III. Пусть заданы точки М1(x1, y1, z1), M2(x2, y2, z2) и вектор .
Уравнение плоскости, проходящей через данные точки М1 и М2, параллельно вектору .
IV. Пусть заданы два вектора и , коллинеарные плоскости, точка М1(x1, y1, z1), принадлежащая плоскости. Тогда уравнение плоскости:
V. Уравнение плоскости проходящей через точку М0(х0, у0, z0), перпендикулярно вектору нормали (A, B, C) имеет вид:
A(x – x0) + B(y – y0) + C(z – z0) =0.
VI. Если в общем уравнении Ах + Ву + Сz + D = 0 поделить обе части на (-D), получим уравнение плоскости в отрезках:
,
где . Числа a, b, c являются точками пересечения плоскости соответственно с осями х, у, z.
VII. Уравнение плоскости в векторной форме.
где
- радиус- вектор текущей точки М(х, у, z),
- единичный вектор, имеющий направление, перпендикуляра, опущенного на плоскость из начала координат.
a, b и g - углы, образованные этим вектором с осями х, у, z.
p – длина этого перпендикуляра.
В координатах это уравнение имеет вид:
xcosa + ycosb + zcosg - p = 0.
Расстояние от точки до плоскости.
Расстояние от произвольной точки М0(х0, у0, z0) до плоскости Ах+Ву+Сz+D=0 равно:
Аналитическая геометрия.
Уравнение линии на плоскости.
Как известно, любая точка на плоскости определяется двумя координатами в какой- либо системе координат. Системы координат могут быть различными в зависимости от выбора базиса и начала координат.
Определение. Уравнением линииназывается соотношение y = f(x) между координатами точек, составляющих эту линию.
Отметим, что уравнение линии может быть выражено параметрическим способом, то есть каждая координата каждой точки выражается через некоторый независимый параметр t.
Характерный пример – траектория движущейся точки. В этом случае роль параметра играет время.
Уравнение прямой на плоскости.
Определение. Любая прямая на плоскости может быть задана уравнением первого порядка
Ах + Ву + С = 0,
причем постоянные А, В не равны нулю одновременно, т.е. А2 + В2 ¹ 0. Это уравнение первого порядка называют общим уравнением прямой.
В зависимости от значений постоянных А,В и С возможны следующие частные случаи:
- C = 0, А ¹ 0, В ¹ 0 – прямая проходит через начало координат
- А = 0, В ¹ 0, С ¹ 0 { By + C = 0}- прямая параллельна оси Ох
- В = 0, А ¹ 0, С ¹ 0 { Ax + C = 0} – прямая параллельна оси Оу
- В = С = 0, А ¹ 0 – прямая совпадает с осью Оу
- А = С = 0, В ¹ 0 – прямая совпадает с осью Ох
Уравнение прямой может быть представлено в различном виде в зависимости от каких – либо заданных начальных условий.
Уравнение прямой по точке и вектору нормали.
Определение. В декартовой прямоугольной системе координат вектор с компонентами (А, В) перпендикулярен прямой , заданной уравнением Ах + Ву + С = 0.
Поэтому уравнение прямой, проходящей через точку M0(x0, y0, z0) и перпендикулярно вектору , имеет вид
.
Уравнение прямой, проходящей через две точки.
Пусть в пространстве заданы две точки M1(x1, y1, z1) и M2(x2, y2, z2), тогда уравнение прямой, проходящей через эти точки:
Если какой- либо из знаменателей равен нулю, следует приравнять нулю соответствующий числитель.
На плоскости записанное выше уравнение прямой упрощается:
если х1 ¹ х2 и х = х1, еслих1 = х2.
Дробь = k называется угловым коэффициентом прямой.
Уравнение прямой по точке и угловому коэффициенту.
Если общее уравнение прямой Ах + Ву + С = 0 привести к виду:
и обозначить , то полученное уравнение называется уравнением прямой с угловым коэффициентом k.
Уравнение прямой по точке и направляющему вектору.
Определение. Каждый ненулевой вектор (a1, a2), компоненты которого удовлетворяют условию Аa1 + Вa2 = 0 называется направляющим вектором прямой Ах + Ву + С = 0.
Поэтому уравнение прямой, проходящей через точку M0(x0, y0, z0) и перпендикулярно вектору , имеет вид
.
Уравнение прямой в отрезках.
Если в общем уравнении прямой Ах + Ву + С = 0 С ¹ 0, то, разделив на –С, получим: или
,
где
Геометрический смысл коэффициентов в том, что коэффициент а является координатой точки пересечения прямой с осью Ох, а b – координатой точки пересечения прямой с осью Оу.
Нормальное уравнение прямой.
Если обе части уравнения Ах + Ву + С = 0 разделить на число , которое называется нормирующем множителем, то получим нормальное уравнение прямой:
xcosj + ysinj - p=0 –
Знак ± нормирующего множителя надо выбирать так, чтобы m×С < 0.
р – длина перпендикуляра, опущенного из начала координат на прямую, а j - угол, образованный этим перпендикуляром с положительным направлением оси Ох.
Угол между прямыми на плоскости.
Определение. Если заданы две прямые y = k1x + b1, y = k2x + b2, то острый угол между этими прямыми будет определяться как
.
Две прямые параллельны, если k1 = k2.
Две прямые перпендикулярны, если k1 = -1/k2.
Теорема. Прямые Ах + Ву + С = 0 и А1х + В1у + С1 = 0 параллельны, когда пропорциональны коэффициенты А1 = lА, В1 = lВ. Если еще и С1 = lС, то прямые совпадают.
Координаты точки пересечения двух прямых находятся как решение системы уравнений этих прямых.
Уравнение прямой, проходящей через данную точку
перпендикулярно данной прямой.
Определение. Прямая, проходящая через точку М1(х1, у1) и перпендикулярная к прямой у = kx + b представляется уравнением:
Расстояние от точки до прямой.
Теорема. Если задана точка М(х0, у0), то расстояние до прямой Ах + Ву + С =0 определяется как
.
Аналитическая геометрия в пространстве.
Уравнение линии в пространстве.
Как на плоскости, так и в пространстве, любая линия может быть определена как совокупность точек, координаты которых в некоторой выбранной в пространстве системе координат удовлетворяют уравнению:F(x, y, z) = 0.
Это уравнение называется уравнением линии в пространстве.
Кроме того, линия в пространстве может быть определена и иначе. Ее можно рассматривать как линию пересечения двух поверхностей, каждая из которых задана каким- либо уравнением.
Пусть F(x, y, z) = 0 и Ф(x, y, z) = 0 – уравнения поверхностей, пересекающихся по линии L. Тогда пару уравнений
назовем уравнением линии в пространстве.
Уравнение прямой в пространстве по точке и направляющему вектору.
Возьмем произвольную точку М0(x0, y0, z0) и вектор (m, n, p), параллельный прямой. Вектор называется направляющим вектором прямой.
На прямой возьмем точку M(x, y, z).
z
M1
M0
0 y
x
Обозначим радиус- векторы этих точек как и , очевидно, что - = .
Т.к. векторы и коллинеарны, то верно соотношение = t, где t – некоторый параметр. Итого, можно записать: = + t.
Т.к. этому уравнению удовлетворяют координаты любой точки прямой, то полученное уравнение – параметрическое уравнение прямой.
Это векторное уравнение может быть представлено в координатной форме:
Преобразовав эту систему и приравняв значения параметра t, получаем канонические уравнения прямой в пространстве:
.
Определение. Направляющими косинусамипрямой называются направляющие косинусы вектора , которые могут быть вычислены по формулам:
; .
Числа m, n, p называются угловыми коэффициентами прямой.