- •Глава 3
- •4. Умножение вектора на число
- •5. Проекции вектора на оси координат
- •4.Деление отрезка в данном отношении
- •5. Разложение вектора на компоненты
- •1.Скалярное произведение векторов и его основные свойства
- •5. Векторное произведение в координатной форме
- •2. Скалярное произведение векторов в координатной форме
- •3.Проекция вектора на ось
- •4. Векторное произведение векторов
- •6. Смешанное произведение трёх векторов
- •7. Смешанное произведение в координатной форме
- •8. Уравнение поверхности и уравнение линии в пространстве
6. Смешанное произведение трёх векторов
Пусть
даны векторы
![]()
и
не лежащие на одной плоскости. Вектор
векторно умножим на вектор
и полученный результат скалярно умножим
на вектор
получим число
Это число называетсявекторно-скалярным
или смешанным
произведением
трех векторов
![]()
![]()
Векторы![]()
![]()
называются компланарными, если они
лежат в одной плоскости или параллельных
плоскостях. Если с заданием трёх векторов
указано, какой из них считается первым,
какой вторым и какой третьим, то говорят,
что заданаупорядоченная
тройка
векторов. В тексте будем записывать в
порядке нумерации. Например, если пишем
![]()
![]()
,
то значит
- первый вектор,
- второй,
- третий.
Свойства смешанного произведения
а)
смешанное произведение векторов
равно объему параллелепипеда, построенного
на векторах![]()
![]()
.
Знак произведения будет положительным,
если векторы![]()
![]()
образуют правую тройку векторов, знак
будет отрицательным, если тройка векторов![]()
![]()
-
левая. Легко увидеть, что![]()
,
поэтому смешанное произведение обозначают
символом:
.
б)
Смешанное произведение векторов
![]()
![]()
равно нулю в том и только в том случае,
когда эти векторы компланарны.
7. Смешанное произведение в координатной форме
Пусть
заданы векторы
,
,
,
тогда
.
Смешанное произведение трёх векторов
,
(а в с)=
(3.27)
Пример: Даны точки А(1;1;1), В(4;4;4), С(3;5;5) и D(2;4;7). Найти объём тетраэдра АВСD.
Решение:
Объём тетраэдра V
равен одной шестой объёма параллелепипеда
V
т.е: V
=
V![]()
Решение:
На основании первого свойства V
=![]()
Найдём
векторы
,
,
:![]()
,![]()
![]()
![]()
![]()
Тогда
по формуле (7.1) получим: V
=
=
18.
Тогда
объёма тетраэдра: V
=
18=3.
8. Уравнение поверхности и уравнение линии в пространстве
Уравнение поверхности
Будем рассматривать поверхность, как геометрическое место точек. Обозначим через х,у,z координаты точек произвольной точки данной поверхности. Следовательно уравнение F(х;у;z)=0, которому удовлетворяют координаты точек поверхности будет уравнением этой поверхности. Уравнения поверхности составляются на основании определения или свойств, присущих этой поверхности.
Пример: Составить уравнение поверхности все точки которой, равноудалены от одной точки О(а;в;с). В декартовых координатах это уравнение имеет вид:
(х-а)
+(у-а)
+(z-с)
=R![]()
(3.28)
где R – расстояние от точки О до произвольной точки поверхности. (3.28) – уравнение сферы.
Уравнение плоскости.
Составим
уравнение плоскости. Положение плоскости
в
пространстве будет вполне определено,
если зададим на ней некоторую фиксированную
точку М
и вектор
нормальной к плоскости, уравнение
которой необходимо составить. Пусть
М
-
произвольная точка, лежащая на плоскости
.
Составим вектор
и он перпендикулярен векторуN.
Иначе говоря, точка М, лежащая на плоскости
характеризуется условием:
![]()
![]()
![]()
В
этом случае
отсюда имеем:
А
(
(3.29)
Это
есть искомое уравнение плоскости
,
т.к ему удовлетворяют координаты точек
М. Раскрывая (3.29) получим: Ах+Ву+Сz-
Ах
-Ву
-Сz
=0
или Ах+Ву+Сz+D=0,
где D=-
Ах
-Ву
-Сz
(3.30)
Уравнение (3.30) называется общим уравнением плоскости.
В уравнении плоскости переменных х,у,z, входят в первой степени.
Следовательно, в декартовых координатах каждое уравнение первой степени определяет плоскость.
Пример:
Составим уравнение плоскости, которая
проходит через точку М
перпендикулярно векторуB(1;2;3).
Решение: Согласно уравнению (3.29) искомое уравнение имеет вид:
1(х-1)+2(у-2)+3(2-1)=0 или х+2у+3z-8=0.
Неполные уравнения плоскостей
Рассмотрим некоторые частные случаи уравнения первой степени.
а) Пусть D=0, тогда уравнение плоскости имеет вид Ах+Ву+Сz=0 и определяет плоскость которая проходит через начало координат.
б) Пусть С=0, уравнение плоскости имеет вид Ах+Ву+D=0. Эта плоскость проходит параллельно оси Оz.
в) Пусть В=0, С=0, тогда уравнение плоскости имеет вид Ах+D=0 и определяет плоскость, параллельную координатной плоскости Оуz.
Из
последнего уравнения имеем:
обозначим
тогда получим: х=а
По аналогии с пунктами а), б), в) можем получить: Ах+Сz+D=0 уравнение плоскости параллельной оси Оу; Ву+Сz+D=0 уравнение плоскости параллельной оси Ох;
Уравнение
вида Ву+D=0
определяет плоскость, параллельную
плоскости Охz.
Уравнения Сz+D=0
определяет плоскость параллельную
координатной плоскости Оху. Последние
два уравнения можно переписать у=в, z=c,
где
![]()
.
Уравнения х=0, у=0,z=0
определяют координатные плоскости Оуz,
Охz,
Оху соответственно.
Уравнение плоскости «в отрезках»
(3.31)
Это есть уравнение плоскости «в отрезках». Числа а, в, с величины отрезков, которые отсекает данная плоскость на координатных осях.
Пример: Составим уравнение плоскости, зная, что она отсекается на осях координат отрезки, а=2, в=-3, с=4.
Решение:
На основании (8.4) получим:
или 6х-4у+3z-12=0
Нормальное уравнение плоскости
хсоs
уcos
zcos
=р
– нормальное уравнение плоскости.
Определим
расстояние от точки М
(
до плоскости![]()
х
соs
у
cos
z
cos
-р
(3.32)
Пусть
Ах+Ву+Сz+D=0
и х
соs
у
cos
z
cos
-р=0
определяют одну и ту же плоскость. Тогда
коэффициенты этих уравнений должны
быть пропорциональны, т.е
cos
cos
cos
cos![]()
(3.33)
Отсюда:
соs
cos
cos![]()
(3.34)
называется
нормирующим множителем уравнения
(3.32). Для определения знака
используем равенство (3.34). Так как
,
тогда знак нормирующего множителя
должен быть противоположен знакуD.
Пример: Даны плоскость 3х-4у+12z+14=0 и точка М(4;3;1). Найти расстояние от точки М до данной плоскости.
Решение:
Приведём данные уравнение к нормальному
виду. Из формулы (3.34) найдём нормирующий
множитель:
![]()
Нормальное
уравнение имеет вид:
![]()
![]()
Используем формулу (3.32) и найдём расстояние от точки до плоскости: d=(3*4-4*3+12*1+14)=2
Общее уравнение прямой в пространстве
В пространстве любая линия рассматривается как пересечение двух поверхностей. В частном случае прямая есть линия пересечения двух не параллельных плоскостей. Поэтому общее уравнение прямой в пространстве можно задать двумя уравнения:
![]()
(3.35)
Легко
убедится, что для не параллельных
плоскостей:
![]()
Совокупность плоскостей, проходящих через одну и ту же прямую, называется пучком плоскостей.
Уравнения
вида
(3.36)
называется уравнением пучка плоскостей.
Задавая различные значения
можно
определить все плоскости пучка.
Каноническое уравнение прямой в пространстве
Пусть
дана прямая в пространстве. Каждый не
равный нулю вектор, лежащий на данной
прямой или параллельный ей, называется
направляющим вектором этой прямой.
Обозначим направляющий вектор произвольной
прямой буквой
,
его координаты буквами1,
m,
n
т.е
.
Выведем
уравнение прямой, проходящей через
точку
и
имеющий направляющий вектор
.
Пусть
произвольная
точка прямой. Вектор
коллинеарен вектору
.
Следовательно, на основании условия
коллинеарности векторов имеем:
(3.37)
Уравнение (3.37) называется каноническим уравнением прямой в пространстве.
Условия параллельности и перпендикулярности двух плоскостей.
Пусть
даны плоскости:
![]()
![]()
Угол
между двумя плоскостями равен углу
между нормалями![]()
к этим плоскостям и определяется по
формуле:
(3.38)
Если
плоскости перпендикулярны то
Отсюда построим условия перпендикулярности:
(3.39)
Если плоскости параллельны, то:
или
![]()
![]()
![]()
что
равносильно равенству:
(3.40)
Условия перпендикулярности и параллельности плоскости и прямой
Пусть
даны плоскость Ах+Ву+Сz+D=0,
и прямая
![]()
Прямая
и плоскость параллельны, если направляющий
вектор прямой
и нормальный вектор к плоскости
перпендикулярны. Отсюда получаем условия
параллельности прямой и плоскости:
А1+Вm+Сn=0 (3.41)
Прямая и плоскость перпендикулярны, если направляющий вектор прямой и нормальный вектор плоскости коллинеарны. В этом случае условие перпендикулярности прямой и плоскости имеет вид:
(3.42)
Пример:
Составим уравнение плоскости, проходящей
через прямую 3х+2у+5z+0,
х+4у+3z+4=0,
параллельно прямой
.
Решение: Составим уравнение пучка плоскостей, проходящих через первую из данных прямых:
3х+2у+5z+6+
(х+4у+3z+4)=0
или
(3+
)х+(2+4
)у+(5+3
)z+6+4
=0
(*)
В
этом случае необходимо выбрать плоскость,
параллельную второй данной прямой
используя условие параллельности (8.14)
прямой и плоскости
3(3+
)+2(2+4*
)-3(5+3
)=0
Найдём
и
подставим в уравнение (*), тогда получим
искомое уравнение: 2х+3у+4z+5=0.
