Elementy geometrii w przestrzeni R 3

Podobne dokumenty
Elementy geometrii analitycznej w przestrzeni

Wektory w przestrzeni

Arkusz 4. Elementy geometrii analitycznej w przestrzeni

Zadania z z matematyki dla studentów gospodarki przestrzennej UŠ. Marek Majewski Aktualizacja: 31 pa¹dziernika 2006

r = x x2 2 + x2 3.

WBiA Architektura i Urbanistyka. 1. Wykonaj dziaªania na macierzach: Które z iloczynów: A 2 B, AB 2, BA 2, B 2 3, B = 1 2 0

Rachunek caªkowy funkcji wielu zmiennych

Stereometria (geometria przestrzenna)

GEOMETRIA ANALITYCZNA W PRZESTRZENI

Krzywe i powierzchnie stopnia drugiego

Wektor. Uporz dkowany ukªad liczb (najcz ±ciej: dwóch - na pªaszczy¹nie, trzech - w przestrzeni 3D).

Elementy geometrii analitycznej w R 3

1. Przedstaw w postaci algebraicznej liczby zespolone: 2. Narysuj zbiory punktów na pªaszczy¹nie:

Wykªad 4. Funkcje wielu zmiennych.

Macierze. 1 Podstawowe denicje. 2 Rodzaje macierzy. Denicja

Macierze i Wyznaczniki

2. L(a u) = al( u) dla dowolnych u U i a R. Uwaga 1. Warunki 1., 2. mo»na zast pi jednym warunkiem: L(a u + b v) = al( u) + bl( v)

1 Przypomnienie wiadomo±ci ze szkoªy ±redniej. Rozwi zywanie prostych równa«i nierówno±ci

Arkusz 6. Elementy geometrii analitycznej w przestrzeni

Geometria. Šukasz Dawidowski. 25 kwietnia 2016r. Powtórki maturalne

Macierze i Wyznaczniki

Graka komputerowa Wykªad 3 Geometria pªaszczyzny

Zbiory i odwzorowania

Rozwi zanie równania ró»niczkowego metod operatorow (zastosowanie transformaty Laplace'a).

Ukªady równa«liniowych

Funkcje wielu zmiennych

1 a + b 1 = 1 a + 1 b 1. (a + b 1)(a + b ab) = ab, (a + b)(a + b ab 1) = 0, (a + b)[a(1 b) + (b 1)] = 0,

Kinematyka 2/15. Andrzej Kapanowski ufkapano/ Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagiello«ski, Kraków. A. Kapanowski Kinematyka

det A := a 11, ( 1) 1+j a 1j det A 1j, a 11 a 12 a 21 a 22 Wn. 1 (Wyznacznik macierzy stopnia 2:). = a 11a 22 a 33 +a 12 a 23 a 31 +a 13 a 21 a 32

XVII Warmi«sko-Mazurskie Zawody Matematyczne

Funkcje wielu zmiennych

Ekoenergetyka Matematyka 1. Wykład 6.

Pochodna funkcji jednej zmiennej

Informacje pomocnicze

1 Geometria analityczna

Arkusz maturalny. Šukasz Dawidowski. 25 kwietnia 2016r. Powtórki maturalne

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ALGEBR

Matematyka dla studentów kierunku Projetowanie Architektury Wn trz i Otoczenia. Jolanta Rosiak

WYK LAD 5: GEOMETRIA ANALITYCZNA W R 3, PROSTA I P LASZCZYZNA W PRZESTRZENI R 3

Iloczyn skalarny, wektorowy, mieszany. Ortogonalność wektorów. Metoda ortogonalizacji Grama-Schmidta. Małgorzata Kowaluk semestr X

Spis tre±ci. 1 Gradient. 1.1 Pochodna pola skalarnego. Plan

Skrypt z Algebry Liniowej 1

Funkcja kwadratowa, wielomiany oraz funkcje wymierne

Iloczyn wektorowy. Autorzy: Michał Góra

istnienie elementu neutralnego dodawania (zera): 0 K a K a + 0 = a, istnienie elementu neutralnego mno»enia (jedynki): 1 K a K a 1 = a,

Geometria Analityczna w Przestrzeni

Funkcje wielu zmiennych

Materiaªy do Repetytorium z matematyki

AM II /2019 (gr. 2 i 3) zadania przygotowawcze do I kolokwium

Liczby zespolone. dr Krzysztof yjewski Mechatronika; S-I 0.in». 6 pa¹dziernika Oznaczenia. B dziemy u»ywali nast puj cych oznacze«:

Przeksztaªcenia liniowe

CAŠKA NIEOZNACZONA. Politechnika Lubelska. Z.Šagodowski. 18 lutego 2016

Liczby zespolone Pochodna Caªka nieoznaczona i oznaczona Podstawowe wielko±ci zyczne. Repetytorium z matematyki

ELEMENTARNA TEORIA LICZB. 1. Podzielno±

Matematyka wykªad 1. Macierze (1) Andrzej Torój. 17 wrze±nia Wy»sza Szkoªa Zarz dzania i Prawa im. H. Chodkowskiej

Metody dowodzenia twierdze«

ALGEBRA z GEOMETRIA, ANALITYCZNA,

Ekstremalnie fajne równania

Liniowe równania ró»niczkowe n tego rz du o staªych wspóªczynnikach

Prosta i płaszczyzna w przestrzeni

2 Liczby rzeczywiste - cz. 2

Indeksowane rodziny zbiorów

Równania ró»niczkowe I rz du (RRIR) Twierdzenie Picarda. Anna D browska. WFTiMS. 23 marca 2010

1 Rozwi zywanie ukªadów równa«. Wyznaczniki.

Geometria analityczna

Układy współrzędnych

A = n. 2. Ka»dy podzbiór zbioru sko«czonego jest zbiorem sko«czonym. Dowody tych twierdze«(elementarne, lecz nieco nu» ce) pominiemy.

Geometria analityczna

Dynamika Bryªy Sztywnej

a) f : R R R: f(x, y) = x 2 y 2 ; f(x, y) = 3xy; f(x, y) = max(xy, xy); b) g : R 2 R 2 R: g((x 1, y 1 ), (x 2, y 2 )) = 2x 1 y 1 x 2 y 2 ;

FUNKCJA LINIOWA, RÓWNANIA I UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

AUTORKA: ELŻBIETA SZUMIŃSKA NAUCZYCIELKA ZESPOŁU SZKÓŁ OGÓLNOKSZTAŁCĄCYCH SCHOLASTICUS W ŁODZI ZNANE RÓWNANIA PROSTEJ NA PŁASZCZYŹNIE I W PRZESTRZENI

Funkcje, wielomiany. Informacje pomocnicze

- Wydział Fizyki Zestaw nr 2. Krzywe stożkowe

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

Algebra liniowa z geometria. - zadania Rok akademicki 2010/2011

PRZYPOMNIENIE Ka»d przestrze«wektorow V, o wymiarze dim V = n < nad ciaªem F mo»na jednoznacznie odwzorowa na przestrze«f n n-ek uporz dkowanych:

Zadanie 1. (0-1 pkt) Liczba 30 to p% liczby 80, zatem A) p = 44,(4)% B) p > 44,(4)% C) p = 43,(4)% D) p < 43,(4)% C) 5 3 A) B) C) D)

Wektor, prosta, płaszczyzna; liniowa niezależność, rząd macierzy

Wykªad 7. Ekstrema lokalne funkcji dwóch zmiennych.

Geometria analityczna - przykłady

1 Funkcje dwóch zmiennych podstawowe pojęcia

Arkusz maturalny. Šukasz Dawidowski. 25 kwietnia 2016r. Powtórki maturalne

DEFINICJE: Punkt, prosta, płaszczyzna i przestrzeń są pojęciami pierwotnymi przyjmowanymi bez definicji,

WYBRANE DZIAŁY ANALIZY MATEMATYCZNEJ. Wykład II

Projekt Era inżyniera pewna lokata na przyszłość jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Zadania z analizy matematycznej - sem. II Ekstrema funkcji wielu zmiennych, twierdzenia o funkcji odwrotnej i funkcji uwikªanej

Matematyka licea ogólnokształcące, technika

1 Granice funkcji wielu zmiennych.

Funkcja liniowa i prosta podsumowanie

Macierz A: macierz problemów liniowych (IIII); Macierz rozszerzona problemów liniowych (IIII): a 11 a 1m b 1 B = a n1 a nm b n

Projekt Era inżyniera pewna lokata na przyszłość jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Przekroje Dedekinda 1

Geometria w R 3. Iloczyn skalarny wektorów

Interpolacja funkcjami sklejanymi

Relacj binarn okre±lon w zbiorze X nazywamy podzbiór ϱ X X.

Zdzisªaw Dzedzej, Katedra Analizy Nieliniowej pok. 611 Kontakt:

Stereometria. Zimowe Powtórki Maturalne. 22 lutego 2016 r.

Statystyka matematyczna - ZSTA LMO

Zadania z analizy matematycznej - sem. II Rachunek ró»niczkowy funkcji wielu zmiennych

Transkrypt:

Elementy geometrii w przestrzeni R 3 Z.Šagodowski Politechnika Lubelska 29 maja 2016

Podstawowe denicje Wektorem nazywamy uporz dkowan par punktów (A,B) z których pierwszy nazywa si pocz tkiem a drugi ko«cem wektora. Wektor o pocz tku A i ko«cu B oznaczamy symbolem AB, a, u. Wektorem zerowym nazywamy wektor, w którym pocz tek pokrywa si z ko«cem wektora. Wektor zerowy oznaczamy symbolem 0. Dªugo±ci wektora AB nazywamy odlegªo± punktów A i B i oznaczamy przez AB

Podstawowe denicje Denicja Wektory u i v nazywamy równymi co zapisujemy u = v, je»eli wektory te s zerowe lub je»eli obydwa wektory u i v s niezerowe oraz s równolegªe, maj równe dªugo±ci i te same zwroty. Uwaga O wektorach których równo± zostaªa okre±lona w powy»szej denicji mówimy,»e s wektorami swobodnymi.

Podstawowe denicje Sum wektorów u i v oznaczon przez u + v nazywamy wektor o pocz tku w pocz tku wektora u i ko«cu w ko«cu wektora v, gdy pocz tek wektora v, pokrywa si z ko«cem wektora u. Denicja Iloczynem wektora przez liczb λ nazywamy wektor λ u, który jest równolegªy do wektora u ma dªugo± λ u ma ten sam zwrot co wektor u, gdy λ > 0; ma zwrot przeciwny do wektora u gdy λ < 0. Je»eli u = 0 lub λ = 0 to λ u, jest wektorem zerowym.

Podstawowe denicje Denicja Ukªadem wspóªrz dnych w przestrzeni R 3 nazywamy trzy ustalone proste x, y, z przecinaj ce si w jednym punkcie O, wzajemnie prostopadªe. Taki ukªad wspóªrz dnych nazywamy kartezja«skim i oznaczamy Oxyz. Proste Ox, Oy, Oz nazywamy osiami, a pªaszczyzny Oxy, Oyz, Oxz pªaszczyznami ukªadu wspóªrz dnych. P unktowi P R 3 przyporz dkowujemy uporz dkowan trójk liczb rzeczywistych (x,y,z) zwan wspóªrz dnymi tego punktu przy czym x, y, z, s wspóªrz dnymi rzutów prostok tnych punktu P na osie Ox, Oy, Oz. Niech dane b d w przestrzeni dwa punkty: A(x 1, y 1, z 1 ) i B(x 2, y 2, z 2 ). Wspóªrz dne wektora AB wyznaczamy : AB = [x 2 x 1, y 2 y 1, z 2 z 1 ].

Podstawowe denicje Denicja Wektory i = [1, 0, 0] j = [0, 1, 0] k = [0, 0, 1] nazywamy wersorami ukªadu wspóªrz dnych Oxyz. Wektor i jest wersorem osi Ox, Wektor j jest wersorem osi Oy a wektor k jest wersorem osi Oz. Denicja Dªugo±ci wektora u = [x, y, z] nazywamy liczb u = x 2 + y 2 + z 2

Podstawowe denicje Dziaªania na wektorach: Niech u = [x 1, y 1, z 1 ] v = [x 2, y 2, z 2 ] oraz λ R. u + v = [x1 + x 2 ; y 1 + y 2 ; z 1 + z 2 ]; λ u = [λx 1, λy 1, λz 1 ],

Iloczyn skalarny Denicja Niech u, v b d dowolnymi wektorami. Iloczyn skalarny wektorów u, v okre±lamy wzorem: u v = u v cosϕ, gdzie ϕ jest k tem mi dzy wektorami u i v. Iloczyn skalarny ma nast puj ce wªasno±ci: u v = v u ; u ( v + w ) = u v + u w ; (α u ) v = α( u v ); v v = v 2.

Iloczyn skalarny Twierdzenie Wektory niezerowe u i v s prostopadªe wtedy i tylko wtedy gdy u v = 0. Twierdzenie W ukªadzie Oxyz iloczyn skalarny wektorów u = [x 1, y 1, z 1 ] oraz v = [x2, y 2, z 2 ] wyra»a si wzorem: u v = x1 x 2 + y 1 y 2 + z 1 z 2.

Orientacja ukªadu wspóªrz dnych. Wyró»niamy dwie orientacje ukªadu wspóªrz dnych Oxyz: ukªad prawoskr tny i ukªad lewoskr tny. Orientacja ukªadu zale»y od wzajemnego poªo»enia osi ukªadu Ox,Oy,Oz. Nazwa orientacji ukªadu wspóªrz dnych jest efektem nast puj cej interpretacji : je»eli kr cimy ±rub prawoskr tn i jej ruch post puj cy jest zgodny ze zwrotem osi OZ to ukªad jest prawoskr tny w przeciwnym przypadku jest lewoskretny. W dalszej cz ±ci wykªadu b dziemy rozpatrywa wyª cznie ukªad prawoskr tny.

Iloczyn wektorowy Denicja Niech u i v b d niezerowymi i nierównolegªymi wektorami. Iloczynem wektorowym uporz dkowanej pary wektorów u i v nazywamy wektor w = u v który speªnia warunki: w jest prostopadªy do obu wektorów u i v ; dªugo± wektora w dana jest wzorem w = u v sin ϕ; gdzie ϕ jest k tem mi dzy wektorami u i v orientacja trójki wektorów u, v i w jest zgodna z orientacj ukªadu wspóªrz dnych Oxyz ( prawoskr tna ).

Iloczyn wektorowy Uwaga. Iloczyn wektorowy nie jest przemienny, wynika to wprost z z punktu 3 denicji. Je»eli jeden z wektorów u, v jest wektorem zerowym to przyjmujemy,ze u v = 0. Wªasno±ci iloczynu wektorowego: u v = v u ; (α u ) v = u (α v ) = α( u v ); ( u + v ) w = u w + v w ; u ( v + w ) = u v + u w.

Zastosowania iloczynu wektorowego Twierdzenie Wektory u i v sa równolegªe wtedy i tylko wtedy gdy u v = 0. Twierdzenie W ukªadzie Oxyz iloczyn wektorowy wektorów u = [x 1, y 1, z 1 ], v = [x2, y 2, z 2 ] wyra»a si wzorem u v = [y1 z 2 y 2 z 1 ; x 2 z 1 x 1 z 2 ; x 1 y 2 x 2 y 1 ] co mo»na zapisa symbolicznie w nast puj cy sposób: u v = i j k x 1 y 1 z 1 x 2 y 2 z 2 gdzie i, j, k sa wersorami odpowiednio na osiach Ox, Oy, Oz.,

Zastosowania iloczynu wektorowego Iloczyn wektorowy mo»emy stosowa do: obliczenia pola równolegªoboku rozpi tego na wektorach u i v tzn. P r = u v, obliczenia pola trójkata rozpi tego na wektorach, u i v tzn. P t = 1 2 u v, sprawdzenia równolegªo±ci wektorów (niezerowych) u v = 0 u v

Iloczyn mieszany wektorów Denicja Iloczyn mieszany ( u, v, w ) wektorów u, v, w nazywamy liczb okre±lon wzorem: Wªasno±ci iloczynu mieszanego: ( u, v, w ) = u ( v w ). ( u, v, w ) = ( v, w, u ); ( u, v, w ) = ( v, u, w ); ( u + r, v, w ) = ( u, v, w ) + ( r, v, w ); α( u, v, w ) = (α u, v, w );

Iloczyn mieszany wektorów Twierdzenie Wektory u, v i w le» w jednej pªaszczy¹nie wtedy i tylko wtedy gdy ( u, v, w ) = 0 Twierdzenie W ukªadzie Oxyz iloczyn mieszamy wektorów u = [x 1, y 1, z 1 ], v = [x2, y 2, z 2 ] i w = [x 3, y 3, z 3 ] wyra»a si wzorem ( u, v, w ) = x 1 y 1 z 1 x 2 y 2 z 2 x 3 y 3 z 3.

Zastosowania iloczynu mieszanego wektorów Zatem iloczyn mieszany mo»emy stosowa do: obliczenia obj to±ci równolegªo±cianu rozpi tego na wektorach: u, v i w tzn. V r = u ( v w ), obliczenia obj to±ci czworo±cianu rozpi tego na wektorach: u, v i w tzn. V c = 1 6 u ( v w ), sprawdzenia wspóªpªaszczyznowo±ci wektorów (niezerowych) u ( v w ) = 0 u, v, w π

Równania pªaszczyzny w R 3 Niech dany b dzie punkt P(x 0, y 0, z 0 ) le» cy na pªaszczy¹nie π oraz niezerowy wektora n = [A, B, C] prostopadªy do tej pªaszczyzny. Wtedy dowolny punkt P(x,y,z)pªaszczyzny π speªnia równanie: n P0 P = 0 St d mo»emy sformuªowa równanie pªaszczyzny przechodz cej przez punkt P(x 0, y 0, z 0 ) i prostopadªej do wektora n = [A, B, C]: π : A(x x 0 ) + B(y y 0 ) + C(z z 0 ) = 0.

Równania pªaszczyzny w R 3 Podstawiaj c D = Ax 0 By 0 Cz 0 otrzymujemy równanie pªaszczyzny w postaci ogólnej: π : Ax + By + Cz + D = 0. Wektor n = [A, B, C] prostopadªy do π nazywamy wektorem normalnym. Je±li D 0 to równanie z postaci ogólnej mo»emy przeksztaªci do nast puj cej postaci odcinkowej: π : x a + y b + z c = 1 Pªaszczyzna opisana powy»szym wzorem przecina osie Ox, Oy oraz Oz ukªadu wspóªrz dnych Oxyz w punktach równych odpowiednio (a, 0, 0) ; (0, b, 0) i (0, 0, c).

Równania pªaszczyzny w R 3 Równanie pªaszczyzny π przechodz cej przez punkt P(x 0, y 0, z 0 ) i równolegªej do dwóch nierównolegªych wektorów v = [xv ; y v ; z v ], w = [x w ; y w ; z w ] ma posta : x = x 0 + tx v + sx w y = y 0 + ty v + sy w t, s R z = z 0 + tz v + sz w Powy»sze równanie nazywamy równaniem parametrycznym pªaszczyzny. Uwaga. W tym przypadku wektor normalny jest iloczynem wektorowym wektorów v, w

Równania pªaszczyzny w R 3 Dane s punkty: P 0 (x 0, y 0, z 0 ), P 1 (x 1, y 1, z 1 ), P 2 (x 2, y 2, z 2 ). Trzy niewspóªliniowe punkty wyznaczaja jednoznacznie pªaszczyzn π. Punkt P(x, y, z) ró»ny od danych punktów tworzy w przestrzeni R 3, z punktami P 0, P 1, P 2 pewien czworo±cian, je»eli P π to czworo±cian "nie ma wysoko±ci" i jego obj to± wynosi 0, zatem korzystaj c z wªasno±ci iloczynu mieszanego dla wektorów: PP 0, PP 1, PP 2 otrzymujemy: x x 0 x 1 y 0 x 2 x 0 y y 0 y 1 y 0 y 2 y 0 z z 0 z 1 z 0 z 2 z 0 = 0. Powy»sze równanie nazywa si równaniem pªaszczyzny przechodz cej (wyznaczonej) przez trzy niewspóªliniowe punkty.

Wzajemne poªo»enie pªaszczyzn pªaszczyzny s równolegªe, je±li ich wektory normalne n 1, n 2 s równolegªe tzn. n 1 n 2 = 0 pªaszczyzny s przecinaj si, je±li ich wektory normalne n 1, n 2 nie s równolegªe tzn. n 1 n 2 0 pªaszczyzny s do siebie prostopadªe, je±li ich wektory normalne n 1, n 2 s prostopadªe tzn. n 1 n 2 = 0

Równania prostej w R 3 Niech prosta l przechodzi przez punkt P 0 (x 0, y 0, z 0 ) i niech b dzie równolegªa do niezerowego wektora v = [v x, v y, v z ] Wówczas ka»dy punkt P(x, y, z) le» cy na tej prostej speªnia równanie: P 0 P = t v, t R. St d otrzymujemy równanie prostej w postaci parametryczne: x = x 0 + tv x y = y 0 + tv y t R z = z 0 + tv z

Równania prostej w R 3 Je±li v x 0, v y 0, v z 0, to przeksztaªcaj c ukªad równa«otrzymujemy St d x x 0 v x = t, y y 0 v y = t, z z 0 v z x x 0 v x = y y 0 v y = z z 0 v z. = t, t R Równanie powy»sze nazywamy równaniem prostej w postaci kierunkowej, wektor v nazywamy wektorem kierunkowym prostej. Uwaga. Aby nie ogranicza ogólno±ci zapisu przyj to,»e w mianowniku mog symbolicznie wyst pi zera wtedy równie» wyst puj zera w liczniku i równanie nie jest sprzeczne.

Równania prostej w R 3 Prost l mo»na zada jako cz ± wspóln dwóch nierównolegªych pªaszczyzn π 1 : A 1 x +B 1 y +C 1 z +D 1 = 0; π 2 : A 2 x +B 2 y +C 2 z +D 2 = 0 tj { A 1 x + B 1 y + C 1 z + D 1 = 0; A 2 x + B 2 y + C 2 z + D 2 = 0. Jest to równanie prostej w postaci kraw dziowej Uwaga. Wektor kierunkowy prostej przedstawionej równaniem w postaci kraw dziowej jest iloczynem wektorowym wektorów normalnych pªaszczyzn wyznaczaj cych t prost v = [A1, B 1, C 1 ] [A 2, B 2, C 2 ].

Wzajemne poªo»enie prostych Dane s dwie proste l i k w postaci kierunkowej: l : x x 1 v x = y y 1 v y = z z 1 v z, k : x x 2 u x = y y 2 u y = z z 2 u z Wektory kierunkowe tych prostych to odpowiednio: v = [vx, v y, v z ], u = [u x, u y, u z ] Okre±lamy wyznacznik: W = x 1 x 2 v x u x y 1 y 2 v y u y z 1 z 2 v z u z i przy jego pomocy omówimy wzajemne poªo»enie prostych w przestrzeni trójwymiarowej..

Wzajemne poªo»enie prostych proste s sko±ne (nie maja punktów wspólnych i nie le» w jednej pªaszczy¹nie), je±li W 0, proste s równolegªe, nie maj punktów wspólnych (nie pokrywaj si ), je±li W = 0, v u = 0, proste przecinaj si (maja jeden punkt wspólny), je±li W = 0, v u 0 proste przecinaj si pod k tem prostym, je±li W = 0, v u = 0,