Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

k_Fomin

.pdf
Скачиваний:
13
Добавлен:
20.03.2016
Размер:
1.26 Mб
Скачать

 

r

r

 

 

 

 

(3b)(8c) = −504 ;

 

 

г)

r

2; 7},

r

{1;

3; 2}

b ={1;

c =

11 23 72 br|| cr ; rr

bc = 21 (см. п. в) ); rr r r bc = 21 0 b c ;

д)

r

r

r

rrr

;

 

 

 

 

(5a)(4b)(3c) = 60abc

 

 

 

 

 

rrr

 

(см. п. а) )

 

 

 

 

 

 

abc =18

 

 

r

r

 

 

r

r

r

 

 

векторы

не компланарны.

 

(5a)(4b)(3c) =1080 0

5a ,

4b , 3c

Задача 2.3 решена.

2.4. ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГЕОМЕТРИИ В ПРОСТРАНСТВЕ

Пусть в пространствеrзадана ДПСК и α − некоторая плоскость.

Нормальный вектор n плоскости α :: = любой ненулевой вектор, перпендикулярный к этой плоскости.

Пусть плоскость α проходит через данную точку M0 (x0 , y0 , z0 ) и имеет заданный нормальный вектор n ={A, B,C}

(рис. 29).

Рис. 29

Найдем уравнение плоскости α .

 

 

 

r uuuuuur

r uuuuuur

 

 

 

 

 

 

Пусть M (x, y, z) − переменная точка с текущими координатами x , y , z . Тогда M α n M0 M

n M0 M

= 0 ;

r

 

uuuuur

x0 , y y0 , z z0};

 

 

 

n ={A, B,C};

M0 M ={x

 

 

 

r

uuuuuur

 

 

 

 

 

n

M0 M = A(x x0 ) + B( y y0 ) +C(z z0 ) .

 

 

 

r uuuuuur

 

 

 

 

 

 

Соотношение n M0 M = 0 принимает вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A(x x0 ) + B( y y0 ) +C(z z0 ) = 0 .

(58)

Итак, уравнение плоскости α , проходящей через данную точку

M0 (x0 , y0 , z0 ) и имеющий заданный нормальный вектор

r

 

 

 

 

 

 

n ={A, B,C} задается соотношением (58).

 

 

 

 

 

 

Уравнение (58) можно записать в виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ax + By +Cz + D = 0 ,

 

(59)

где D = −Ax0 By0 Cz0 .

 

 

 

 

 

 

Уравнение (59) называется общим уравнением плоскости. Коэффициенты при x , y , z

в этом уравнении являются ко-

ординатами нормального вектора данной плоскости.

 

 

 

 

 

Выведем уравнение плоскости α , проходящей через три данные точки M1(x1, y1, z1 ) ,

M2 (x2 , y2 , z2 ) , M3 (x3 , y3 , z3 ) , не

лежащие на одной прямой (рис. 30).

 

 

 

 

 

 

Рис. 30

uuuur uuuuuur

Пусть M (x, y, z) − переменная точка с текущими координатами x , y , z . Тогда M α векторы M1M , M1M2 , uuuuuuur

M1M3 компланарны

 

 

 

 

 

uuuur

uuuuuuur

uuuuuuur

 

 

Имеем:

 

 

 

 

M1M

M1M2

M1M3

= 0 .

(60)

uuuuur

 

 

z z1};

 

 

 

 

 

 

, y y1,

 

 

 

 

 

M1M ={x x1

 

 

 

 

 

uuuuuuur

={x2

x1

, y2 y1

, z2 z1};

 

 

 

 

 

M1M2

 

 

 

 

 

uuuuuuur

={x3

x1

, y3 y1

, z3 z1};

 

 

 

 

 

M1M3

 

 

 

 

uuuuur uuuuuuur uuuuuuur

 

x x1

 

M1M M1M2 M1M3

=

x2 x1

 

 

x3 x1

Соотношение (60) принимает вид

y y1 y2 y1 y2 y1

z z1 z2 z1 . z3 z1

x x1 x2 x1 x3 x1

y y1 y2 y1 y3 y1

z z1

z2 z1 = 0 . (61) z3 z1

Итак, уравнение искомой плоскости α имеет вид (61).

Определитель в левой части (61) нужно раскрывать по элементам первой строки. В результате уравнение (61) сведется к виду (59).

Угол между двумя плоскостями определяется как угол между нормальными векторами этих плоскостей: пусть

α : A1x + B1 y +C1z + D1 = 0 ; : A2 x + B2 y +C2 z + D2 = 0 ,

ψ − угол между плоскостями α и β , тогда

ruu

cos ψ = uurn1 nuur2 , n1 n2

 

uur

={A1, B1,C1};

uur

={A2 , B2 ,C2}. Следовательно,

 

 

 

 

где

n1

n2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ruu

 

 

 

 

 

n1 n2

 

 

 

 

ψ = arccos

uur

 

uur

.

 

 

 

 

 

n1

 

n2

 

Пусть в пространстве дана некоторая прямая d . Рассмотрим две различные плоскости α и β , пересекающиеся по пря-

мой d (рис. 31).

Пусть α и β заданы уравнениями

α : A1x + B1 y +C1z + D1 = 0 ; β : A2 x + B2 y +C2 z + D2 = 0 .

Рис. 31

Тогда прямую d можно задать системой двух уравнений

 

 

A x + B y +C z + D = 0 ;

(62)

 

 

1

1

1

1

0 .

 

 

A2 x + B2 y +C2 z + D2 =

 

Уравнения (62) называются общими уравнениями прямой d .

 

 

 

 

 

Направляющий вектор

r

прямой d :: = любой ненулевой вектор, параллельный данной прямой.

 

a

 

Выведем уравнения прямой d , проходящей через данную точку M0 (x0 , y0 , z0 )

и имеющей заданный направляющий

r

 

 

 

 

 

 

 

вектор a ={l, m, n} (рис. 32).

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 32

Пусть M (x, y, z) − переменная точка с текущими координатами x , y , z . Тогда

 

 

M d M0M ||

ar .

(63)

 

uuuuuur

={x x0 , y y0 , z z0}. В силу первого признака коллинеарности векторов

 

 

 

 

Заметим, что

M0 M

 

 

 

 

 

 

M0M || ar

x x0

=

y y0

=

z z0

.

(64)

 

 

l

m

 

 

 

 

 

 

n

 

В силу (63), (64) уравнения прямой d , проходящий через данную точку M0 (x0 , y0 , z0 ) и имеющей заданный направ-

r

 

 

 

 

 

 

ляющий вектор a ={l, m, n}, записываются в виде

 

 

 

 

 

 

 

x x0

=

y y0

=

z z0

.

(65)

 

l

m

 

 

 

 

n

 

Уравнения (65) называются каноническими уравнениями прямой d .

 

 

 

 

 

 

Найдем уравнения прямой d , проходящей через две данные точки M1(x1, y1, z1 ) и M2 (x2 , y2 , z2 )

(рис. 33).

Рис. 33

В качестве направляющего вектора прямой d

можно взять вектор

uuuuuur

={x

 

x , y

 

y , z

 

z

}:

r

uuuuuur

. Тогда,

M

M

2

 

2

2

a

= M

M

2

 

 

1

 

 

 

2

 

 

1

 

 

 

 

1

 

1

 

 

1

 

 

беря в качестве M0 точку M1 и используя (65), получаем уравнения прямой d :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x x1

=

 

y y1

 

=

 

z z1

.

 

 

 

 

 

 

(66)

 

 

 

x x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

2

y

 

 

z

2

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнения (66) называются каноническими уравнениями прямой, проходящей через две данные точки M1(x1, y1, z1 ) и

M2 (x2 , y2 , z2 ) .

Задача 2.4. По координатам вершин пирамиды A1 A2 A3 A4 найти:

а) длины ребер A1 A2 и A1 A3 ;

б) угол между ребрами A1 A2 и A1 A3 ;

в) площадь грани A1 A2 A3 ; г) объем пирамиды;

д) уравнения прямых A1 A2 и A1 A3 ;

е) уравнения плоскостей A1 A2 A3 и A1 A2 A4 ;

ж)

угол между плоскостями A1 A2 A3

и A1 A2 A4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1(6;1; 4) ; A2 (2; 2; 5) ;

 

 

 

A3 (7;1; 3) ;

 

A4 (1; 3; 7) .

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

Используя формулу для вычисления расстояния между двумя точками A(x1, y1, z1)

и B(x2 , y2 , z2 ) пространства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

AB

 

= (x x

 

)2

 

 

+(y

2

 

y

)2

+(z

2

z )2

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

получаем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A A

 

 

=

 

 

(2 6)2 +(2 1)2

+(5 4)2

=

 

16 +9 +81 =

 

106 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A A

 

= (7 6)2 +(11)2 +(3 4)2 = 1+ 0 +1 = 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Итак,

 

A1 A2

 

=

106 ,

 

 

A1 A3

 

= 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uuuur

uuuur

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Угол ϕ между ребрами A1 A2 и A1 A3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

равен углу между векторами A1 A2 и

A1 A3 , следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uuuur

 

uuuuur

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos ϕ =

 

A1 A2

 

A1 A3

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uuuuur

 

 

 

 

uuuuur

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1 A2

 

 

 

 

 

A1 A3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uuuuur

{2 6; 2 1; 5 4},

 

 

 

uuuuur

={4; 3; 9};

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Имеем:

 

 

 

A1 A2 =

 

 

 

A1 A2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uuuuur

={7 6;11;3 4},

 

 

uuuur

 

 

 

 

1};

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1 A3

 

 

A1 A3 ={1;0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uuuuur

 

 

 

uuuuur

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1 A2

A1 A3

= −4 1+ (3)

0 + (9) (1) = −4 + 0 +9 = 5 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uuuur

 

uuuuur

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1 A2

 

A1 A3

= 5 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uuuuur

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uuuuur

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1 A2

 

 

=

A1 A2

=

 

106 ,

 

 

 

A1 A3

 

 

 

=

 

A1 A3

=

 

 

2

(см. п. а) );

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos ϕ =

 

 

 

 

5

 

 

 

 

=

 

 

5

 

 

 

 

=

5

53

 

,

 

 

 

cos ϕ =

5

53

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

106

2

 

 

2

 

 

53

 

 

106

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

106

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ = arccos

5

53

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

106

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в)

Площадь грани A1 A2 A3 равна площади A1 A2 A3 , а площадь A1 A2 A3

− это площадь треугольника, построенного на

 

 

 

uuuuur

uuuuur

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

векторах A1 A2

, A1 A3

 

. Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

uuuuur

 

 

uuuuur

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

A A A

 

 

=

 

 

 

 

 

A A

 

 

× A A

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

 

 

2

 

 

 

1

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uuuuur

 

 

 

 

 

uuuur

={1;0; 1} (см. п. б) );

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Имеем:

 

 

 

A1 A2 ={4; 3; 9}, A1 A3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

r

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uuuuur

 

 

 

uuuuur

=

i

 

 

 

j

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

r

 

 

3

 

9

 

 

r

 

4

9

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A A

× A A

 

4 3 9

= i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

1

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

0

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

4

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

+

 

 

 

r

=

{3;

13;3},

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+k

 

1

 

 

 

 

0

 

 

= 3i 13 j

3k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uuuur

 

 

 

uuuuur

 

 

 

{3; 13;3};

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1 A2

× A1 A3

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uuuuur

uuuuur

=

32 +(13)2 +32

=

 

 

 

9 +169 +9 =

 

187 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A A × A A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

1

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uuuuur

 

 

 

uuuuur

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1 A2

× A1 A3

 

=

187 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SA A A

 

 

=

187

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

3

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г)

Объем пирамиды A1 A2 A3 A4

– это объем пирамиды, построенной на векторах A1 A2 ,

A1 A3 , A1 A4 , следовательно,

1 uuuuur uuuuur uuuuur

Vпир = 6 A1 A2 A1 A3 A1 A4 .

 

uuuuur

={4; 3; 9},

uuuuur

={1;0; 1},

uuuuur

={5; 4;3};

Имеем:

A1 A2

A1 A3

A1 A4

+1 (4) (9) (9) 0 (5) (3) 1 3 (1) (4) (4) =

= 0 15 +36 0 +9 +16 = 46 ,

 

 

uuuuur

uuuuur

uuuuur

 

 

 

uuuuur

uuuuur

uuuuur

 

 

 

 

A1 A2

A1 A3

A1 A4

= 46 ;

A1 A2

A1 A3

A1 A4

=

46

= 46 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vпир = 16 46 = 233 = 7 23 ,

Vпир = 7 23 .

д) Используя канонические уравнения прямой, проходящей через две данные точки M1(x1, y1, z1 ) и M2 (x2 , y2 , z2 ) :

x x1

=

y y1

=

z z1

,

 

 

 

x

x

 

y

2

y

 

z

2

z

 

2

1

 

 

1

 

 

1

 

получаем:

(A1 A2 ) : 2x 66 = y211 = z544 , (A1 A2 ) : x46 = y31 = z94 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(A A ) :

x 6

=

y 1

=

z 4

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

3

7

6

 

11

 

3 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 3 9

 

(A A ) :

x 6

=

y 1

=

z 4

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A A A A A A =

 

1

0 1

 

1

3

 

1

0

 

1

 

 

= −4 0 3 +(3) (1) (5) +

 

uuuuur

uuuuur

uuuuur

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

1

3

1

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

4 3

 

плоскости, проходящей через три данные точки M1(x1, y1, z1 ) ; M2 (x2 , y2 , z2 ) ; M3 (x3 , y3 , z3 ) :

 

 

е)

Используя

 

уравнение

 

 

 

 

 

x x1 x2 x1 x3 x1

получаем:

y y1 y2 y1 y3 y1

z z1

z2 z1 = 0 , z3 z1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(A1 A2 A3 ) :

 

x 6

y 1

z 4

 

= 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 6 2 1 5 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 6

11

3 4

 

 

x 6

y 1

z 4

 

= (x 6)

 

 

3

9

 

( y 1)

 

4 9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

3

9

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

1

 

 

 

 

0

1

 

 

 

1 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+(z 4)

 

4 3

 

 

 

= 3 (x 6) 13 ( y 1) +3 (z 4) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 3x 13y +3z 18 +13 12 = 3x 13y +3z 17 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(A1 A2 A3 ) : 3x 13y +3z 17 = 0 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(A1 A2 A4 ) :

 

x 6

y 1

z 4

 

= 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

3

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

4

3

 

 

 

 

x 6

y 1

z 4

 

= (x 6)

 

3

9

 

( y 1)

 

4

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

3

9

 

 

 

 

+

5

4

3

 

 

 

4

3

 

 

 

 

 

5

3

 

 

 

4

3

 

 

 

= −45(x 6) +57( y 1) +(z 4) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+(z 4)

 

 

 

 

 

 

 

5

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −45x +57 y + z + 270 57 4 = −45x +57 y + z + 209 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(A1 A2 A4 )

: 45x +57 y + z + 209 = 0 .

ж) Из уравнений плоскостей (A1 A2 A3 ) и (A1 A2 A4 ), найденных в п. е), следует, что нормальные векторы этих плоскостей имеют вид:

 

 

 

 

 

 

uur

 

 

 

 

 

ur

={45;57;1}.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n1 ={3; 13;3} и

n2

 

 

 

Тогда косинус угла ψ между плоскостями (A1 A2 A3 ) и (A1 A2 A4 ) находится по формуле

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ruu

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n1 n2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos ψ =

uur

 

 

uur

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n1

 

 

n2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ruu

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n1 n2 = 3

(45)

+ (13) 57 +3 1 = −135 741+3 = −873 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ruu

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uur

 

 

 

 

 

n1 n2 = −873 ;

 

uur

 

 

 

 

 

 

 

 

=

32

+(13)2 +32

=

 

187 ,

 

=

187 ;

 

 

 

 

 

n

 

 

n

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

uur

= (45)2

+572 +12 =

2025 +3249 +1 =

5275 = 5

211 ,

 

n

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uur

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n2

= 5

211 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

873

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

873

 

 

;

 

 

cos ψ =

 

 

 

 

ψ = arccos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

187

5 211

 

 

 

 

 

 

5

187

211

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

873

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ = π−arccos

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

187 5 211

 

 

 

 

Задача 2.4 решена.

Контрольная работа 3

ВВЕДЕНИЕ В АНАЛИЗ

3.1. ПОЛЯРНАЯ СИСТЕМА КООРДИНАТ

Говорят, что на плоскости определена полярная система координат, если заданы

1)точка O , называемая полюсом;

2)исходящий из точки O луч Oρ , называемый полярной осью;

3)единица измерения длин.

Пусть на плоскости дана полярная система координат и M − произвольная точка плоскости, отличная от полюса O

(рис. 34).

Рис. 34

Тогда положение точки M однозначно определяется двумя числами:

а)

углом наклона ϕ

вектора

uuuur

к полярной оси, называемым полярным углом точки M

(по определению

OM

0 ≤ ϕ < 2π );

uuuur

 

 

 

 

б)

длиной ρ вектора

(расстоянием от точки M до полюса), называемой полярным радиусом точки M .

OM

Числа ϕ и ρ называются полярными координатами точки M : M (ϕ,ρ).

Для полюса ρ = 0 , а ϕ не определено.

Еще раз подчеркнем, что, по определению, 0 ≤ ϕ < 2π , ρ ≥ 0 . Замечание. В некоторых случаях удобно считать, что −π < ϕ ≤ π.

Пусть на плоскости задана полярная система координат. Введем на этой плоскости ДПСК, поместив ее начало в полюс и взяв полярную ось Oρ в качестве положительной полуоси Ox (единица измерения длин в ДПСК та же, что и в полярной

системе координат) (рис. 35).

Рис. 35

Тогда положение произвольной точки M этой плоскости можно задавать как полярными, так и декартовыми прямоугольными координатами: M (ϕ,ρ) или M (x, y).

Из прямоугольного треугольника OAM видно, что декартовы прямоугольные координаты точки выражаются через ее полярные координаты по формулам:

x = ρcos ϕ ; y = ρsin ϕ.

Из того же треугольника следуют формулы, выражающие полярные координаты точки через ее декартовы прямоугольные координаты:

ρ = x2 + y2 ;

 

 

 

 

 

cos ϕ =

x

; sin ϕ =

y

;

(67)

x2 + y2

x2 + y2

 

 

 

 

tg ϕ = xy .

Угол ϕ определяется из соотношений (67), при этом следует помнить, что, по определению, 0 ≤ ϕ < 2π .

Задача 3.1. Требуется:

а) построить по точкам график функции ρ = ρ(ϕ) в полярной системе координат (значения функции вычислять в точ-

ках ϕk = π8k );

б) найти уравнение кривой в прямоугольной системе координат, начало которой совмещено с полюсом, а положительная полуось Ox − с полярной осью;

в) определить вид кривой.

ρ = 3sin 2ϕ .

Решение.

а) Найдем область определения данной функции, исходя из того, что, по определению, ρ ≥ 0 , 0 ≤ ϕ < 2π :

 

3sin 2ϕ ≥ 0 ;

sin 2ϕ ≥ 0 ;

 

;

 

0 ≤ ϕ ≤

π

0 2ϕ ≤ π

 

 

 

2

 

2π ≤ 2ϕ ≤

3π

 

 

3π

 

 

 

 

.

 

 

π ≤ ϕ ≤

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

3π

Итак,

D(ρ) = 0;

 

 

 

π;

 

.

2

2

 

 

 

 

 

 

Заполним таблицу вида

ϕ

0

 

 

 

π

 

π

3π

π

π

π+

 

π

π+

π

π+

3π

 

 

 

3π

 

 

 

8

 

 

4

 

 

 

 

8

 

 

 

2

 

8

4

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

2ϕ

0

 

 

 

π

 

π

 

3π

 

 

π

2π

2π+

 

π

2π+

π

2π+

 

3π

 

 

3π

 

 

 

4

 

 

2

 

 

 

 

4

 

 

4

2

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin 2ϕ

0

 

 

 

2

 

 

1

 

 

 

 

2

 

 

0

0

 

 

2

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ

0

 

3

2

 

3

 

3

2

 

0

0

 

3

2

 

3

 

 

3

2

 

 

 

 

0

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отмечая полученные точки (ϕk ;ρk ) в полярной системе координат и соединяя их плавной линией, получаем график функции ρ = 3sin 2ϕ (рис. 36).

Рис. 36

б) Найдем уравнение кривой в прямоугольной системе координат:

ρ = 3sin 2ϕ .

Используя формулу для синуса двойного аргумента, получаем:

ρ = 6sin ϕcos ϕ .

 

 

Учитывая, что

 

 

 

 

ρ = x2 + y2 ; sin ϕ =

y

; cos ϕ =

x

,

x2 + y2

x2 + y2

 

 

 

имеем:

x2 + y2 =

6xy

x2 + y2

 

или

(x2 + y2 ) x2 + y2 6xy = 0 .

в) Кривая представляет собой двухлепестковую розу.

Задача 3.1 решена.

3.2. ПРЕДЕЛЫ

Пусть x0 R .

Дельта-окрестность Oδ (x0 ) точки x0 :: = интервал с центром в точке x0 радиуса δ : Oδ (x0 ) = (x0 −δ, x0 ) (рис. 37).

Рис. 37

Таким образом, Oδ (x0 ) ={x R : x x0 < δ}.

Проколотая дельта окрестность O&δ (x0 ) точки x0 :: = множество вида O&δ (x0 ) = Oδ (x0 ) \ {x0}, т.е. множество, полу-

чаемое из Oδ (x0 ) удалением точки x0 .

Таким образом, O&δ (x0 ) ={x R : 0 < x x0 < δ}. Рассмотрим некоторое множество M R .

Точка x0 R называется предельной точкой множества M , если в любой сколь угодно малой δ-окрестности точки x0 найдется хотя бы одна точка, принадлежащая множеству M , отличная от точки x0 :

Oδ (x0 ) x O&δ (x0 ) x M .

Пример. Пусть M =[2;5) (рис. 38).

Рис. 38

Из рисунка видно, что x0 = 2 , x1 = 3 , x2 = 5 − предельные точки множества M , при этом x0 , x1 M , а x2 M , т.е. предельная точка множества может принадлежать, но может и не принадлежать этому множеству.

Замечание. Если x0 − предельная точка множества M , то в любой сколь угодно малой δ-окрестности этой точки найдется бесконечное число точек, отличных от точки x0 , принадлежащих множеству M (рис. 39).

Рис. 39

Пусть функция y = f (x) задана на своей области определения D( y) и x0 − предельная точка множества D( y) .

Число А называется пределом функции f (x) в точке x0 (или при x стремящемся к x0 ), если для любого сколь угодно малого положительного числа ε найдется положительное число δ , определяемое в зависимости от взятого числа ε , такое, что для любого x D( y) , такого, что 0 < x x0 < δ , выполняется неравенство f (x) A < ε .

Обозначение:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim f (x) = A .

 

 

(68)

Таким образом, соотношение (68) означает, по определению, следующее:

 

xx0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε > 0 δ = δ(ε) > 0

 

x D( y) : 0 <

 

x x0

 

< δ

 

f (x) A

 

< ε .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Условие 0 <

 

x x

 

< δ означает, что x O&

(x ) . Аналогично, условие

 

f (x) A

 

< ε означает, что

f (x) O (A) . В свя-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

δ

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε

зи с этим можно дать геометрическое определение предела функции в точке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Точка

А

 

называется

пределом

 

 

функции

f (x)

 

в

 

точке

 

x0 ,

если

для

Oε (A)

O (x ), δ = δ(ε)

 

 

 

x D( y) : x O&

(x ) f (x) O (A) (рис. 40).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

δ

0

 

 

 

 

 

 

δ

0

 

 

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 40

При вычислении пределов функций применяют основную теорему о пределах:

Теорема.

Пусть функции u = u(x) , v = v(x) имеют в точке x0 конечные пределы. Тогда сумма, разность, произведе-

ние и частное этих функций тоже имеют конечные пределы в точке x0 и справедливы формулы:

1)

lim [u(x) +v(x)]= lim u(x) + lim v(x) ;

 

xx0

 

 

xx0

xx0

2)

lim [u(x) v(x)]= lim u(x) lim v(x) ;

 

xx0

 

 

xx0

xx0

3)

lim [u(x) v(x)]= lim u(x) lim v(x) ;

 

xx0

 

 

xx0

xx0

 

 

 

u(x)

 

lim u(x)

 

 

4)

lim

=

xx0

 

 

 

 

lim v(x)

 

 

 

xx0

v(x)

 

 

 

 

 

 

xx0

 

 

(в случае частного предполагается, что

lim v(x) 0 ).

 

 

 

 

 

 

 

xx0

Если f (x) C для x D( y)

и x0

− предельная точка множества D( y) , то

5)

lim C = C ,

 

 

 

 

 

xx0

 

 

 

 

 

 

т.е. предел постоянной равен этой постоянной.

Из свойств 3), 5) следует, что

 

 

6)

lim [Cu(x)]= C lim u(x) ,

 

 

 

xx0

 

 

xx0

 

 

т.е. постоянную можно выносить за знак предела.

В качестве предельной точки x0 множества D( y) может выступать бесконечно удаленная точка .

Число А называется пределом функции f (x) при x → ∞ , если для любого сколь угодно малого положительного числа ε найдется положительное число , определяемое в зависимости от взятого числа ε , такое, что для любого x D( y) , такого что x > ∆ , выполняется неравенство f (x) A < ε .

Обозначение:

 

lim f (x) = A .

 

 

 

 

x→∞

 

 

 

Многочлен n-й степени одной переменной x :: = выражение вида

 

 

 

P(x) = a xn + a xn1 +... + a

n1

x + a

,

0

1

 

n

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]