Analüütiline
geomeetria ruumis, vektorid
Vektori
mõiste, moodul ja suund
Neid suurusi, mida
on võimalik iseloomustada ühe arvuga, nimetatakse
skalaarseteks
(temperatuur, mass, töö).
Suurusi, mille iseloomustamiseks on
vaja arvu ja suunda, nimetatakse vektoriaalseteks (jõud, kiirus,
kiirendus).
Definitsioon.
(Geomeetriliseks) vektoriks nimetatakse suunatud sirglõiku, lõiku,
millel tehakse vahet alguse ja lõpu vahel.
Kui vektori algus
on punktis
A
ja lõpp punktis
B,
siis tähistatakse ,
.
Vektor on kindla sihi, suuna ja
pikkusega lõik.
Siht on teda kandva sirge siht. Suund
on alguspunktist lõpp-punkti poole.
Definitsioon. Vektori mooduliks
nimetatakse tema pikkust, see on lõigu
AB
pikkust ja tähistatakse ,
.
Vektori moodul on skalaarne
mittenegatiivne suurus.
Definitsioon.
Nullvektoriks nimetatakse
vektorit , mille algus- ja lõpp-punkt
langevad kokku.
Nullvektori moodul on alati võrdne
nulliga, tema suund ei ole määratud.
Definitsioon. Ühikvektoriks nimetatakse vektorit, mille moodul (pikkus) on 1.
Definitsioon. Kollineaarseteks vektoriteks nimetatakse vektoreid, mis asuvad ühel
sirgel või paralleelsetel sirgetel.
Kollineaarseid
vektoreid tähistatakse .
Kollineaarsed vektorid võivad olla suunatud samapidi
või vastupidi .
Definitsioon. Vastandvektoriteks
nimetatakse kahte vastassuunalist ühepikkust vektorit: .
Definitsioon. Võrdseteks
nimetatakse kahte vektorit, kui nad on kollineaarsed, samasuunalised
ja ühepikkused (ei pea olema rakendatud
samast punktist).
Definitsioon. Komplanaarseteks
vektoriteks nimetatakse vektoreid, mis asuvad ühel tasandil või
paralleelsetel tasanditel.
Definitsioon. Kohavektoriteks
nimetatakse vektoreid, mille algus ja lõpp on ette antud (on seotud
kindla kohaga).
Definitsioon. Libisevateks vektoriteks
nimetatakse vektoreid, mille alguspunkti võib suvaliselt nihutada
teda kandval sirgel. Näiteks jäigale kehale rakendatud jõud.
Definitsioon. Vabadeks vektoriteks
nimetatakse vektoreid, mis võivad olla rakendatud suvalisest ruumi
punktist,
igat vektorit võib üle kanda paralleelselt
iseendaga suvalisse ruumi punkti.
Siin
vaatleme just viimaseid.
Lineaarteheteks vektoritega on
vektorite liitmine, vektorite lahutamine, vektori
korrutamine arvuga.
Definitsioon. Vektorite
ja
summaks nimetatakse vektorit ,
mille alguspunkt langeb kokku vektori
alguspunktiga ja lõpp-punkt vektori
lõpp-
punktiga eeldusel , et vektor
on rakendatud vektori
lõpp-punkti.
Kahe vektori korral kehtib
rööpküliku reegel.
Seda definitsiooni on võimalik
üldistada suvalise lõpliku arvu vektorite jaoks.
Definitsioon. Vektorite
ja
vaheks nimetatakse vektorit ,
mis on võrdne summaga .
Definitsioon. Vektori
korrutiseks arvuga
nimetatakse vektorit ,
mis on vektoriga
samasuunaline, kui
ja temaga vastassuunaline, kui .
Moodul: .
Lineaartehete omadused:
,
kommutatiivsus ,
assotsiatiivsus
Definitsioon. Punkti
A
projektsiooniks sirgele
l
nimetatakse punkti
A1, milles sirge
l lõikub tasandiga, mis läbib punkti
A
ja on risti
sirgega l.
Olgu
suvaline vektor.
Tähistame
A1
-ga vektori
alguspunkti
A projektsiooni teljel
l
.
Tähistame
B1
-ga vektori
lõpp-punkti
B
projektsiooni teljel
l
.
Vektori
komponendiks teljel
l nimetatakse
vektorit ,
mille alguspunkt langeb ühte vektori
alguspunkti projektsiooniga teljel
l
ja lõpp-punkt vektori
lõpp-punkti projektsiooniga samal teljel.
Vektori
projektsiooniks teljel l
nimetatakse
arvu .
Vektori projektsioon tuleb varustada
plussmärgiga, kui komponentvektori suund langeb ühte telje suunaga
ja miinusmärgiga, kui vektori komponent teljel on teljega
vastassuunaline.
Vektori projektsiooni omadused: - võrdsete vektorite projektsioonid samale teljele on võrdsed;
- vektori korrutamisel arvuga korrutub sama arvuga ka tema projektsioon;
- vektorite summa projektsioon mingile teljele võrdub liidetavate vektorite projektsioonide summaga samal teljel;
- vektori projektsioon teljel võrdub selle vektori pikkuse ning vektori ja telje vahelise nurga koosinuse korrutisega, .
Olgu meil antud koordinaadid
3-mõõtmelises ruumis.
Punkti
P
kohavektoriks nimetatakse vektorit ,
mille projektsioonid koordinaattelgedel võrduvad punkti
P
koordinaatidega.
Definitsioon. Vektori
koordinaatideks nimetatakse vektori projektsioone
koordinaattelgedele.
Võtame
kohavektori .
Vektori
komponendid ruumilise teljestiku
telgede sihtidest.
Toome sisse koordinaattelgede
suunalised ühikvektorid:
VEKTORITE
ANALÜÜTILINE ESITUS KOORDINAATIDE KAUDU
Analüütiline geomeetria on
matemaatika haru, mis uurib geomeetria objekte algebra vahenditega,
kasutades koordinaatide meetodit.
On erinevaid
koordinaatsüsteeme, enamasti kasutame ristkoordinaadistikku. Antud
koordinaatsüsteem
määrab järjestatud arvupaaride või –kolmikute näol punkti
koordinaadid (geomeetrilise asukoha) ehk punkti analüütilise
esituse.
Punktide koordinaatide kaudu on
võimalik iseloomustada jooni ja pindu võrranditega
(võrrandi-süsteemidega).
Punkt kuulub antud joonele parajasti siis, kui punkti koordinaadid rahuldavad joone võrrandit.
Analüütilises geomeetrias
käsitletakse jooni ja pindu kui punktide hulka, mis rahuldavad
teatud tingimusi (
võrrandeid ).
Seejärel taandatakse joonte ja
pindade
uurimine vastavate võrrandite (võrrandisüsteemide)
uurimisele.
Teoreem:
Iga vektorit
võib ühesel viisil esitada kujul: .
Tõestus: Olgu
suvaline vektor 3-mõõtmelises ruumis ja
x,
y, z tema projektsioonid
koordinaattelgedel.
Kuna vaatleme vabu
vektoreid, siis võime rakendada vektori punktis
0.
Saame kohavektori ,
mille koordinaadid on samuti
x, y , z.Vastavalt vektorite liitmise reeglile
võime kirjutada:
Avaldame vektori
komponendid tema projektsioonide ja telgede ühikvektorite kaudu:
Saame: .
M.o.t.t.Kui vektor on
rakendatud koordinaatide alguspunkti, siis tema projektsioonid
koordinaattelgedele
x, y, z langevad kokku lõpp-punkti
M
koordinaatidega.
Kuna
koordinaatteljed on omavahel risti, siis vektori
pikkus võrdub vektoritele
ehitatud risttahuka diagonaali pikkusega: .
Asetsegu vektori
alguspunkt punktis
A
ja lõpp-punkt punktis
B.
lineaartehted
vektoritega koordinaatkujul
Olgu antud vektorid:
- Kahte vektorit loetakse võrdseks, kui nende vastavad koordinaadid on võrdsed: .
- Vektorite summa ja vahe: .
- Vektori korrutamine skalaariga: .
Olgu antud
vektorid .
Definitsioon. Vektorite
ja
skalaarkorrutiseks nimetatakse arvu, mis võrdub nende vektorite
pikkuste ja nendevahelise nurga koosinuse korrutisega: .
Et leida skalaarkorrutist
koordinaatkujul, leiame ühikvektorite skalaarkorrutised.
Skalaarkorrutise omadused:
kommutatiivsus:distributiivsus:
Et
on paarikaupa risti, siis
Leiame korrutise:
ehk .
VEKTORITE
RISTSEISU JA KOLLINEAARSUSE TINGIMUSED
Vektorid on
risti,
kui nende skalaarkorrutis on 0:
Kui vektorid on
kollineaarsed,
siis nad on paralleelsed sama sirgega ja võib kirjutada:
,
kus
k on
mingi arv ehk koordinaatides: .
Vektorite võrdsusest saame:
Kahe vektori
kollineaarsuseks on tarvilik ja piisav nende vastavate koordinaatide
võrdelisus:
kahe
vektori vaheline nurk
Lähtume
skalaarkorrutise
definitsioonist : .
Avaldame :
suunakoosinused
Definitsioon.
Vektori suunakoosinusteks
nimetatakse nende nurkade koosinusi,
mis vektor moodustab koordinaattelgede positiivsete suundadega.
Tähistame .
Analoogiliselt:
Tõstame ruutu ja liidame kokku:
Et ,
siis
Olgu vektor
vektoriga
kollineaarne
ühikvektor : ,
Näide 1: On
antud vektor .
Leida vektori pikkus ja ühikvektor, mis on samasuunaline vektoriga
.
Näide 2: Kontrollida,
millised vektoritest
on kollineaarsed, millised asetsevad risti.
Olgu antud
vektorid
ja .
Definitsioon.
Vektorite
ja
vektorkorrutiseks nimetatakse niisugust
vektorit
=
x ,
mis on sihilt risti nii vektoriga
kui ,
suund on määratud kruvireegliga (parema käe kolmik) ja
pikkuselt võrdne vektoritele
ja
ehitatud rööpküliku pindalaga: ||=S.
Joonis:
Koordinaatkujul avaldub see
järgmiselt:
või .
Vektorkorrutise omadused: - vektorkorrutise vektori pikkus on arvuliselt võrdne vektoritele ja ehitatud rööpküliku pindalaga: ;
- vektorkorrutis ei ole kommutatiivne, tulemus sõltub tegurite järjekorrast: ;
- vektorkorrutis on võrdne nulliga, kui üks vektoritest on nullvektor või vektorid on kollineaarsed;
- ;
- ;
- .
Näide 1:
Leida
ja neile ehitatud rööpküliku pindala.
Näide 2:
Leida
k,
mille korral .
Kui kombineerime
skalaar- ja vektorkorrutise saame veel ühe korrutise: segakorrutise.
Vektorite ,
segakorrutiseks
nimetatakse arvu .
Koordinaatkujul
avaldub see determinandi kaudu: .
Segakorrutise absoluutväärtus on
arvuliselt võrdne neile vektoritele ehitatud
rööptahuka ruumalaga.
Kui kolme vektori
segakorrutis on 0, siis need vektorid asetsevad samal tasandil (ehk
on komplanaarsed).
Segakorrutise
omadus: .
Näide 1: Olgu
antud vektorid .
Leida neile ehitatud rööptahuka
ruumala.
V
= 12
mõningaid analüütilise geomeetria ülesandeid
Kahe punkti vaheline kaugus:Kolmnurga ABC pindala:Vektorkorrutise
pikkus annab rööpküliku pindala.
Kolmnurk on pool rööpkülikust.
Tetraeedri ruumala:Tetraeedri ruumala on 1/3 samale
põhjale ehitatud kolmnurkse põhjaga prisma ruumalast, see omakorda
pool rööptahuka ruumalast.
VEKTORITE
LINEAARNE SÕLTUMATUS
Definitsioon. Vektoreid
nimetatakse
lineaarselt sõltuvateks,
kui leiduvad reaalarvud ,
millest vähemalt üks on nullist erinev, nii et . (1)
Vastasel korral, kui niisuguseid arve
ei leidu, siis nimetatakse vektoreid lineaarselt sõltumatuteks.
Nii saab defineerida ka maatriksi
astakut:
astak on maksimaalne lineaarselt sõltumatute ridade
(veergude) arv. Sõltumatute ridade korral ei saa neid arvuga
korrutades ja üksteisele liites ühtki rida nulliks teisendada.
Teiste sõnadega, vektorid on
lineaarselt sõltumatud, kui võrdus (1) kehtib ainult siis, kui
Kui üks
vektoritest, näiteks
on nullvektor, siis süsteem
on lineaarselt sõltuv, sest (1) kehtib juhul, kui võtta näiteks .
Lause 1.
Et
vektorid oleksid lineaarselt sõltuvad, on tarvilik ja piisav, et
vähemalt üks vektor avalduks lineaarse kombinatsioonina
ülejäänutest.
Tasandi
võrrand
Olgu
t
suvaline tasand ruumis.
Definitsioon. Tasapinna normaalvektoriks (normaaliks) nimetatakse iga tasandiga
t
risti olevat nullist erinevat vektorit.
Kui on teada
tasapinna mingi punkt
ja üks temaga ristiolev vektor ,
siis sellega on tasand täielikult määratud.
Võtame suvalise
punkti tasandil .
Siis
ja skalaarkorrutis on 0.
(1)
See on tasandi
võrrand, mis läbib punkti
ja on risti vektoriga .
Näide:
Koostada tasandi võrrand, mis läbib
punkti
ja mille normaalvektoriks on .
TASANDI
VÕRRAND LÄBI KOLME PUNKTIOlgu antud kolm
punkti, mis ei asu ühel sirgel: .
Olgu
tasandi suvaline punkt. Moodustame vektorid:
Need kolm vektorit on komplanaarsed,
mistõttu nende segakorrutis on null:
Või teisiti –
kuna ja
on paralleelsed antud tasandiga, siis nende vektorkorrutis on risti
tasandiga ja sobib tasandi normaaliks ning eelmise punkti valem annab
tasandi võrrandi.
kahe
tasapinna vastastikune asend
Nurgaks kahe tasandi vahel
nimetatakse nurka nende tasandite normaalide vahel.
Olgu antud kaks
tasandit oma
üldvõrranditega
Nende normaalvektorid:
Kaks tasandit on
paralleelsed ainult siis, kui nende
normaalvektorid on kollineaarsed.
Koordinaatides: .
Kui lisaks on
võrdelised ka vabaliikmed, siis need
tasandid ühtivad:
Kaks tasandit on
teineteisega risti,
kui on risti nende normaalvektorid:
Näide: Määrata tasandite
vastastikune asend:
Järelikult tasandid on omavahel
risti.
sirge
võrrand ruumis
Sirge on ruumis määratud, kui on
teada tema siht (
sihivektor ) ja üks punkt sirgel.
Tuletame võrrandi
sirgele, mis läbib punkti
ja mille suunavektor on .
Olgu sirge
suvaline punkt .
Vektor .
Punkt
M
kuulub sirgele parajasti siis, kui vektorid
ja
on kollineaarsed. Ehk
(*)
Võrrandeid (*) nimetatakse sirge
kanoonilisteks võrranditeks.
Sirge võrrand läbi etteantud punkti
antud suunavektoriga.
Vektor
ei saa olla nullvektor, küll aga võib olla mõni tema
koordinaatidest 0 ja on võimalik järgmine kirjaviis (mõistame nii,
et ka lugeja on 0):
Näide:
Koostada võrrandid
sirgele, mis on risti tasandiga
ja läbib selle tasandi ja 0
x
telje lõikepunkti.
Leiame antud
tasandi lõikepunkti 0
x
teljega:
Sirge on risti tasandiga, kui ta on
paralleelne tasandi normaalvektoriga ehk
sirge
võrrandid läbi kahe punkti
Olgu teada kaks
sirgel asuvat punkti:
ja .
Sellisel juhul
suunavektoriks on .
Võtame etteantud
punktiks :
sirge
kui tasandite lõikejoon
Sirget ruumis võib
vaadelda kui kahte mitteparalleelse tasandi
lõikejoont.
Sirge üldvõrrandid ruumis:
Näide: Koostada kanoonilised
võrrandid sirgele, mis on antud oma üldvõrranditega
Kaks lahendusviisi, kas sihivektori
ja ühe punkti kaudu või kahe punkti kaudu.
Kanooniliste
võrrandite
koostamiseks on vaja teada sirgel asuvat punkti, võtame
,
saame süsteemi, mille lahendamine annab ühe punkti koordinaadid:
Võtame ,
saame teise süsteemi:
Kokku saame võrrandi:
Näide 1:
Koostada tasandi võrrand, kui tasand
läbib punkte .
Normaalvektori saamiseks arvestame, et vektorid
asuvad tasandil, järelikult
on risti tasandiga ja sobib normaalvektoriks.
Näide 2:
Tasand läbib kahte punkti
ja on paralleelne vektoriga .
Koostada tasandi võrrand.
Vektor
asub tasandil ja
on tasandiga paralleelne. Tasandi normaalvektoriks võib võtta .
sirgete
vastastikune asend ruumis
Olgu antud kaks sirget:
Sihivektorid ja punktid sirgetel:
Moodustame
vektori:
1.
Kaks
vektorit on kiivad parajasti siis, kui
vektorid
on mittekomplanaarsed ehk nende segakorrutis ei võrdu nulliga:
2. Sirged asuvad samal tasandil siis ja ainult
siis, kui
on komplanaarsed:
3. Sirged
lõikuvad, kui
on komplanaarsed ja ei ole täidetud tingimus
4. Sirged on
paralleelsed, kui on täidetud tingimus
5. Sirged
ühtivad, kui
on kollineaarsed.
nurk
sirge ja tasandi vahel
Olgu antud sirge
ja tasand
Sirge sihivektor
.
Tasandi
normaal Loeme nurga
(nurk sirge ja tasandi vahel) teravnurgaks. Tähistame
nurk tasandi normaali ja
sirge sihivektori vahel.
Koostame sirge
võrrandi läbi punkti
A
ja paralleelse -ga
(risti tasandiga). Leiame lõikepunkti koordinaadid ning seejärel
otsitav on kahe punkti vaheline kaugus.
Tasandi võrrandisse:
Meid huvitab
12
Kõik kommentaarid