A,B M! v V ; A + v = B, (1.3) AB = v. (1.4)



Podobne dokumenty
Geometria analityczna - przykłady

Prosta i płaszczyzna w przestrzeni

Geometria analityczna

Elementy geometrii analitycznej w R 3

Geometria w R 3. Iloczyn skalarny wektorów

cx cx 1,cx 2,cx 3,...,cx n. Przykład 4, 5

Algebra liniowa z geometrią

GEOMETRIA ANALITYCZNA W PRZESTRZENI

Ekoenergetyka Matematyka 1. Wykład 6.

M10. Własności funkcji liniowej

R n jako przestrzeń afiniczna

Wektor, prosta, płaszczyzna; liniowa niezależność, rząd macierzy

Geometria Analityczna w Przestrzeni

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

Co to jest wektor? Jest to obiekt posiadający: moduł (długość), kierunek wraz ze zwrotem.

Przestrzeń unitarna. Jacek Kłopotowski. 23 października Katedra Matematyki i Ekonomii Matematycznej SGH

Wykład 16. P 2 (x 2, y 2 ) P 1 (x 1, y 1 ) OX. Odległość tych punktów wyraża się wzorem: P 1 P 2 = (x 1 x 2 ) 2 + (y 1 y 2 ) 2

Funkcje wymierne. Funkcja homograficzna. Równania i nierówności wymierne.

Funkcja liniowa i prosta podsumowanie

Przestrzenie wektorowe

Baza w jądrze i baza obrazu ( )

Przestrzenie liniowe

Zajmijmy się najpierw pierwszym równaniem. Zapiszmy je w postaci trygonometrycznej, podstawiając z = r(cos ϕ + i sin ϕ).

Dwie proste mogą być względem siebie prostopadłe, równoległe albo przecinać się pod kątem innym niż prosty..

Zadania egzaminacyjne

i = [ 0] j = [ 1] k = [ 0]

Rachunek wektorowy - wprowadzenie. dr inż. Romuald Kędzierski

KLASA II TECHNIKUM POZIOM PODSTAWOWY PROPOZYCJA POZIOMÓW WYMAGAŃ

1. Liczby zespolone. Jacek Jędrzejewski 2011/2012

Zadanie. Oczywiście masa sklejonych ciał jest sumą poszczególnych mas. Zasada zachowania pędu: pozwala obliczyć prędkość po zderzeniu

Propozycje rozwiązań zadań otwartych z próbnej matury rozszerzonej przygotowanej przez OPERON.

PRZEDMIOTOWY SYSTEM OCENIANIA PROSTO DO MATURY KLASA 1 ZAKRES PODSTAWOWY I ROZSZERZONY

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

φ(x 1,..., x n ) = a i x 2 i +

Geometria analityczna

Skrypt z Algebry Liniowej 2

Układy współrzędnych

FUNKCJA LINIOWA - WYKRES

GEOMETRIA ANALITYCZNA. Poziom podstawowy

R n = {(x 1, x 2,..., x n ): x i R, i {1,2,...,n} },

dr Mariusz Grządziel 15,29 kwietnia 2014 Przestrzeń R k R k = R R... R k razy Elementy R k wektory;

Poniżej przedstawiony został podział wymagań na poszczególne oceny szkolne:

Aby opisać strukturę krystaliczną, konieczne jest określenie jej części składowych: sieci przestrzennej oraz bazy atomowej.

PLAN WYNIKOWY PROSTO DO MATURY KLASA 1 ZAKRES PODSTAWOWY

PRZEDMIOTOWY SYSTEM OCENIANIA PROSTO DO MATURY KLASA 1 ZAKRES PODSTAWOWY

PODSTAWY RACHUNKU WEKTOROWEGO

GEOMETRIA ANALITYCZNA W PRZESTRZENI

Akwizycja i przetwarzanie sygnałów cyfrowych

2.Piszemy równanie prostej przechodzącej przez dwa punkty P i S

Wektory. Algebra. Aleksander Denisiuk. Polsko-Japońska Wyższa Szkoła Technik Komputerowych Wydział Informatyki w Gdańsku ul. Brzegi Gdańsk

Egzamin ustny z matematyki semestr II Zakres wymaganych wiadomości i umiejętności

1) 2) 3) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) 13) 14) 15) 16) 17) 18) 19) 20) 21) 22) 23) 24) 25)

GRAFIKA KOMPUTEROWA podstawy matematyczne. dr inż. Hojny Marcin pokój 406, pawilon B5 Tel.

Krzywe stożkowe Lekcja II: Okrąg i jego opis w różnych układach współrzędnych

Rozdział 2. Krzywe stożkowe. 2.1 Elipsa. Krzywe stożkowe są zadane ogólnym równaniem kwadratowym na płaszczyźnie

FUNKCJA LINIOWA - WYKRES. y = ax + b. a i b to współczynniki funkcji, które mają wartości liczbowe

= i Ponieważ pierwiastkami stopnia 3 z 1 są (jak łatwo wyliczyć) liczby 1, 1+i 3

PRÓBNA MATURA ZADANIA PRZYKŁADOWE

Zagadnienia do małej matury z matematyki klasa II Poziom podstawowy i rozszerzony

PRÓBNA MATURA ZADANIA PRZYKŁADOWE

Funkcja liniowa - podsumowanie

Prosta, płaszczyzna, powierzchnie drugiego. stopnia. stopnia. JJ, IMiF UTP

ROZKŁAD MATERIAŁU NAUCZANIA KLASA 1, ZAKRES PODSTAWOWY

Informatyka Stosowana. a b c d a a b c d b b d a c c c a d b d d c b a

Liczby zespolone. Magdalena Nowak. 23 marca Uniwersytet Śląski

? 14. Dana jest funkcja. Naszkicuj jej wykres. Dla jakich argumentów funkcja przyjmuje wartości dodatnie? 15. Dana jest funkcja f x 2 a x

Arkusz maturalny nr 2 poziom podstawowy ZADANIA ZAMKNIĘTE. Rozwiązania. Wartość bezwzględna jest odległością na osi liczbowej.

W naukach technicznych większość rozpatrywanych wielkości możemy zapisać w jednej z trzech postaci: skalara, wektora oraz tensora.

[ A i ' ]=[ D ][ A i ] (2.3)

1 Geometria analityczna

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c,

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c = a

2) R stosuje w obliczeniach wzór na logarytm potęgi oraz wzór na zamianę podstawy logarytmu.

Kurs Start plus - matematyka poziom podstawowy, materiały dla prowadzących, Marcin Kościelecki. Zajęcia 1.

FUNKCJA LINIOWA. A) B) C) D) Wskaż, dla którego funkcja liniowa określona wzorem jest stała. A) B) C) D)

Algebra z geometrią analityczną zadania z odpowiedziami

1 Rozwiązywanie układów równań. Wyznaczniki. 2 Wektory kilka faktów użytkowych

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

Funkcje - monotoniczność, różnowartościowość, funkcje parzyste, nieparzyste, okresowe. Funkcja liniowa.

Algebra z geometrią analityczną zadania z odpowiedziami

Geometria Lista 0 Zadanie 1

3. FUNKCJA LINIOWA. gdzie ; ół,.

2 1 3 c c1. e 1, e 2,..., e n A= e 1 e 2...e n [ ] M. Przybycień Matematyczne Metody Fizyki I

Rozdział 3. Tensory. 3.1 Krzywoliniowe układy współrzędnych

1 Przestrzeń liniowa. α 1 x α k x k = 0

FUNKCJE ELEMENTARNE I ICH WŁASNOŚCI

Dr inż. Janusz Dębiński Mechanika ogólna Wykład 2 Podstawowe wiadomości z matematyki Kalisz

KLASA III LO Poziom podstawowy (wrzesień/październik)

Elementy grafiki komputerowej. Elementy geometrii afinicznej

Przekształcenia geometryczne. Mirosław Głowacki Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej

FIGURY I PRZEKSZTAŁCENIA GEOMETRYCZNE

FUNKCJE I RÓWNANIA KWADRATOWE. Lekcja 78. Pojęcie i wykres funkcji kwadratowej str

FUNKCJA KWADRATOWA. 1. Definicje i przydatne wzory. lub trójmianem kwadratowym nazywamy funkcję postaci: f(x) = ax 2 + bx + c

ALGEBRA z GEOMETRIA, ANALITYCZNA,

Wymagania edukacyjne, kontrola i ocena. w nauczaniu matematyki w zakresie. podstawowym dla uczniów technikum. część II

Odległośc w układzie współrzędnych. Środek odcinka.

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 15

1. PODSTAWY TEORETYCZNE

FUNKCJA LINIOWA. Zadanie 1. (1 pkt) Na rysunku przedstawiony jest fragment wykresu pewnej funkcji liniowej y = ax + b.

Arkusz 6. Elementy geometrii analitycznej w przestrzeni

Transkrypt:

Rozdział 1 Prosta i płaszczyzna 1.1 Przestrzeń afiniczna Przestrzeń afiniczna to matematyczny model przestrzeni jednorodnej, bez wyróżnionego punktu. Można w niej przesuwać punkty równolegle do zadanego kierunku. Formalna definicja jest następująca. Przestrzeń afiniczna to trójka (M,V,+), gdzie M jest dowolnym zbiorem, którego elementy nazywamy punktami, V jest przestrzenią wektorową, której elementy nazywamy wektorami, natomiast + jest działaniem przesuwającym równolegle punkty zbioru M przy pomocy wektorów z przestrzeni V, o własnościach (M,V ) M, A M, v V, A + v M (1.1) (A + v) + w = A + ( v + w) (1.2) A,B M! v V ; A + v = B, (1.3) gdzie symbol! oznacza dokładnie jeden. Pierwszy warunek określa składanie przesunięć mówiąc, że dwa kolejne przesunięcia są przesunięciem o wypadkowy wektor będący sumą wektorów kolejnych przesunięć. Natomiast drugi warunek mówi, że dwa dowolne punkty z M można jednoznacznie powiązać przesunięciem o pewien wektor. Możemy więc zdefiniować wektor zaczepiony w punkcie A o końcu w punkcie B poprzez warunek AB = v. (1.4) Przy pomocy takiej identyfikacji reguła składania przesunięć (1.2) wyraża prawo trójkąta dla dodawania wektorów zaczepionych AB + BC = AC, (1.5) 1

gdzie AC = v + w. Zwykle sam zbiór M nazywamy przestrzenią afiniczną, pamiętając o szczegółach definicji. Wymiar przestrzeni afinicznej n jest równy wymiarowy przestrzeni wektorowej V. 1.2 Iloczyn skalarny Jeżeli w przestrzeni wektorowej V jest wyróżniony iloczyn skalarny g to iloczyn skalarny wektorów AB = v i CD = w wynosi AB CD g( v, w). (1.6) Dla ustalonej bazy { e 1, e 2,..., e n } w przestrzeni V iloczyn skalarny można zapisać przy pomocy współrzędnych wektorów w tej bazie v = v 1 e 1 + v 2 e 2 +... + v n e n, w = w 1 e 1 + w 2 e 2 +... + w n e n. (1.7) Otrzymujemy g( v, w) = n n g ij v i w j, g ij = g( e i, e j ). (1.8) i=1 j=1 W bazie ortonormalnej g ij = δ ij i wtedy g( v, w) = n v i w i (1.9) i=1 Dla dodatnio określonego iloczynu skalarnego g można określić kąt φ między wektorami z relacji AB CD = AB CD cosφ (1.10) gdzie φ jest kątem między wektorami, a... oznacza długość wektora, na przykład AB = g( v, v). (1.11) Wzór (1.10) wyprowadzimy wychodząc z warunku dodatniej określoności iloczynu skalarnego dla wektora v + λ w, gdzie λ jest dowolną liczbą rzeczywistą g( v + λ w, v + λ w) > 0. (1.12) Korzystając z własności liniowości iloczynu skalarnego, otrzymujemy λ 2 g( w, w) + 2λg( v, w) + g( v, v) > 0. (1.13) 2

Otrzymaliśmy funkcję kwadratową w parametrze λ. Ze względu na jej dodatnią określoność, delta równania kwadratowa jest mniejsza lub równa zeru, = 4[g( v, w)] 2 4g( w, w)g( v, v) < 0. (1.14) Stąd 1 < g( v, w) g( v, v) g( w, w) < 1. (1.15) Ze względu na ten warunek, wyrażenie w środku jest cosinusem pewnego kąta φ, który nazywiemy kątem pomiędzy wektorami v i w, g( v, w) g( v, v) g( w, w) = cosφ. (1.16) Stąd wzór (1.10) po identyfikacji AB = v i CD = w. 1.3 Odległość Odległością AB pomiędzy punktami A i B nazywamy długość łączącego je wektora AB, AB AB (1.17) Jest ona zawsze większa lub równa zeru oraz spełnione są warunki ogólnej definicji odległości AA = 0 (1.18) AB = BA (1.19) AC < AB + BC. (1.20) Ostatni warunek to nierówność trójkąta. Wynika on w naszym przypadku z relacji (1.5) i dodatniości iloczynu skalarnego g w przestrzeni V, AC 2 = g( v + w, v + w) = g( v, v) + g( w, w) + 2g( v, w) = g( v, v) + g( w, w) + 2 g( v, v) g( w, w)cosφ < g( v, v) + g( w, w) + 2 g( v, v) g( w, w) ( ) 2 = g( v, v) + g( w, w) = ( AB + BC ) 2. (1.21) 3

1.4 Kartezjański układ współrzędnych Wprowadźmy bazę kanoniczną w przestrzeni afinicznej M poprzez wyróżnienie dowolnego punkt O M oraz dowolnego układu wektorów bazowych { e 1, e 2,..., e n } w przestrzeni wektorowej V, {O, e 1, e 2,..., e n }. (1.22) Wyróżnienie punktu O pozwala utożsamić każdy punkt A M z wektorem OA = v V, nazywanym wektorem wodzącym punktu A. Po rozłożeniu w wyróżnionej bazie, OA = x 1 e 1 + x 2 e 2 +... + x n e n, (1.23) otrzymujemy współrzędne dowolnego punktu A w bazie kanonicznej, A (x 1,x 2,...,x n ). (1.24) Baza kanoniczna pozwala więc na wprowadzenie układu współrzędnych, który jednoznacznie określa współrzędne dowolnego punktu przestrzeni afinicznej. Punkt O ma współrzędne (0,0,...,0) i z tego powodu nazywa się go początkiem układu współrzędnych. Wybierając bazę ortonormalną w przestrzeni V, e i e i = 1, e i e j = 0 gdy i j, (1.25) otrzymujemy kartezjański układ współrzędnych. Współrzędne (x 1,x 2,...,x n ) nazywamy wtedy współrzędnymi kartezjańskimi punktu A M. Zmiana punktu O na O prowadzi do zmiany układu współrzędnych. Z relacji O A = OA OO (1.26) wynika, że nowe współrzędne punktu A odniesione do punktu O to x i = x i y i, i = 1,2,...,n, (1.27) gdzie (y 1,y 2,...,y n ) to współrzędne punktu O względem punktu O. Odległość AB wyrażona przez współrzędne punktów A i B wynika ze wzoru AB = OB OA = (x 1 B xa 1 ) e 1 + (xb 2 x2 A ) e 2 +... + (xb n xn A ) e n (1.28) i wynosi dla dowolnego wyboru wektorów bazowych AB = AB AB = n i=1 n (xb i xi A )(xj B xj A ) e i e k. (1.29) j=1 4

Dla kartezjańskiego układu współrzędnych odległość 1.5 Równanie prostej n AB = (xb i xi A )2 (1.30) i=1 Prosta w n wymiarowej przestrzeni afinicznej zadana przez punkt A 0 przez który przechodzi oraz wektor kierunku prostej n jest określona równaniem r = r 0 + λ n λ (, ), (1.31) gdzie r jest wektorem wodzącym punktów prostej, r 0 = OA 0 to wektor wodzący ustalonego punktu A 0, a λ jest parametrem. Jest to postać parametryczna prostej. Zapisując przy pomocy współrzędnych wektorów w bazie {O, e 1, e 2,..., e n }, otrzymujemy x i = x i 0 + λni, i = 1,2,...,n. (1.32) gdzie n i to współrzędne wektora kierunkowego n. W trzech wymiarach równanie (1.31) można również zapisać w formie niezależnej od parametru λ. Pamiętająć, że iloczyn wektorowy n n = 0, mamy ( r r 0 ) n = 0 (1.33) Rozpatrzmy dwuwymiarową przestrzeń afiniczną (płaszczyznę) z ortonormalną bazą kartezjańską {O, e x, e y }. Równania (1.32) dla składowych wektora wodzącego prostej to x = x 0 + λn x, y = y 0 + λn y. (1.34) Wyliczając λ z jednego z tych równań i podstawiając do drugiego otrzymujemy równanie n y (x x 0 ) n x (y y 0 ) = 0. (1.35) Jest to warunek prostopadłości wektora t = (n y, n x ) do wektora ( r r 0 ) n = (n x,n y ), t n = 0 => t n. (1.36) Tak więc w ogólnym równaniu prostej na płaszczyźnie, Ax + By + C = 0 (1.37) wektor t = (A,B) jest wektorem prostopadłym do tej prostej. 5

1.5.1 Odległość punktu od prostej Własność (1.36) wykorzystamy znajdując wzór na odległość dowolnego punktu płaszczyzny P = (x 0,y 0 ) od prostej zadanej równaniem (1.37). Równania parametryczne prostej prostopadłej do danej prostej i przechodzącej przez punkt P to A x = x 0 + λ A 2 + B, y = y B 2 0 + λ A 2 + B, (1.38) 2 gdzie dodatkowo unormowaliśmy wektor kierunkowy prostej t = (A, B). Zauważmy, że λ = 0 odpowiada punktowi P, natomiast wartość parametru λ odpowiadająca punktowi przecięcia prostej prostopadłej z daną prostą jest szukaną odległością d punktu od prostej (z dokładnością do znaku). Podstawiając równanie (1.38) do (1.37) dostajemy warunek na punkt przecięcia skąd wynika wzór na szukaną odległość Ax 0 + By 0 + C + λ A 2 + B 2 = 0, (1.39) d = λ = Ax 0 + By 0 + C A 2 + B 2. (1.40) 1.6 Równanie płaszczyzny Płaszczyzna w n wymiarowej przestrzeni afinicznej zadana przez punkt przez który przechodzi A 0 i wektor t, który jest do niej prostopadły jest określona równaniem ( r r 0 ) t = 0 (1.41) gdzie r jest wektorem wodzącym punktów płaszczyzny, natomiast r 0 jest wektorem wodzącym ustalonego punktu A 0. W trójwymiarowej przestrzeni afinicznej, po wybraniu kartezjańskiego układu współrzędnych, równanie (1.41) przyjmuje postać A(x x 0 ) + B(y y 0 ) + C(z z 0 ) = 0. (1.42) gdzie (x,y,z) to współrzędne punktów płaszczyzny, (x 0,y 0,z 0 ) to współrzędne punktu A 0, natomiast t = (A,B,C) to współrzędne wektora prostopadłego do płaszczyzny. Stąd ogólna postać równania płaszczyzny Ax + By + Cz + D = 0 (1.43) gdzie współczynnik D jest określony na podstawie współrzędnych punktu przez który ona przechodzi, D = (Ax 0 + By 0 + Cz 0 ). (1.44) 6

Ćwiczenie - Pokazać, że odległość d punktu P = (x 0,y 0,z 0 ) od prostej (1.43) jest dana wzorem d = Ax 0 + By 0 + Cz 0 + D A 2 + B 2 + C 2. (1.45) 7