null
Transcription
null
-1- חדו"א 2שיעור 3 הגדרה וקטור גיאומטרי במישור R 2או במרחב R 3הוא קטע מכוון אותו ניתן להציג בצורה אלגברית על ידי זוג או שלשה של ערכים ממשיים דוגמאות a 2,5 2iˆ 5 ˆj R 2 כאשר iˆ 1,0, ˆj 0,1הם וקטורי היחידה היוצרים בסיס אורתונורמאלי למישור R 2 b 9,3,5 9iˆ 3 ˆj 5kˆ R3 0 0,0,0 0iˆ 0 ˆj 0kˆ R3 כאשר iˆ 1,0,0, ˆj 0,1,0, kˆ 0,0,1הם וקטורי היחידה היוצרים בסיס אורתונורמאלי למרחב R 3 הגדרת וקטור עפ"י נקודות מוצאו וסופו Aax , ay , az , Bbx , by , bz ax , by a y , bz az דוגמאות נתונות נקודות A3,1,8, B4,2,3אזי וקטורים ______ BA 4 3,2 1,3 8 1,3, 11 AB b ______ x ______ AB 3 4,1 2, 8 3 1,3,11 פעולות על ובין וקטורים .1הכפלה בסקלר ,חיבור ,צירוף ליניארי ותלות ליניארי ההגדרות וחוקים זהים למה שהוגדר באלגברה ליניארית הגדרה א) שני וקטורים במישור Rאו במרחב Rתלויים ליניארית נקראים קוליניאריים (מקבילים או מתלכדים עם אתו ישר ) ב) שלושה וקטורים במרחב R 3תלויים ליניארית נקראים קופלנריים (מקבילים או מתלכדים עם אתו מישור) 3 2 .2מכפלה סקלרית הגדרה מכפלתם הסקלרית a bשל שני וקטורים במישור R 2או במרחב R 3היא הסקלר השווה לאורך וקטור ראשון כפול אורך וקטור שני כפול קוסינוס הזוית בין הווקטרוים a b a b cosa , b משפט a b a x bx a y by כאשר a ax , ay , b bx , by a b a x bx a y by a z bz כאשר a ax , ay , az , b bx , by , bz -2- a x bx a y by a z bz a b מסקנה 1 a b a x2 a y2 a z2 bx2 by2 bz2 cos a , b מסקנה 2היטלו של וקטור aעל וקטור bשווה לb - a b 2 b b b projb a a cos a , b תרגיל חשב את , a bמצא את הזוית בין שני הוקטורים ואת projb aכאשר א) a 1,2,2, b 3,0,4ב) a 4,2,3, b 3,0,4 1 1 תשובה א) a b 5, arccos , projb a 3,0,4 5 3 ב) , projb a 0,0,0 2 a b 0, משפט הזוית בין שני וקטורים חדה אם ורק אם מכפלתם הסקלרית חיובית קהה אם ורק אם מכפלתם הסקלרית שלילית ישרה אם ורק אם מכפלתם הסקלרית שווה לאפס .3מכפלה וקטורית הגדרה 3 מכפלתם הוקטורית a bשל שני וקטורים במרחב Rמהווה וקטור המאונך לשניהם, אורכו שווה לa b a b sin a , b - וכוונו מוגדר על ידי "כלל הבורג " או כלל "יד ימין"("למה מה") משפט kˆ a z a y bz a z by , a z bx a x bz , a x by a y bx bz כאשר a ax , ay , az , b bx , by , bz ˆj ay by ˆ k a b det a x b x תכונות של מכפלה וקטורית לכל 2וקטורים 1) b a a b לכל 2וקטורים קוליניאריים 2) a b 0 בפרט a a 0 לכל 2וקטורים וסקלר 3) t a b ta b a tb לכל 3וקטורים 4) a b c a c b c שטח מקבילית שצלעותיה הצמודות הן 2וקטורים 5) a b 1 שטח ממשולש ששני צלעותיו הן וקטורים a b 2 )6 -3- .4מכפלה מעורבת הגדרה 3 מכפלתם המעורבת של שלושה וקטורים במרחב Rהיא סקלר a b c משפט az bz c z ax a b c det bx c x ay by cy כאשר a ax , ay , az , b bx , by , bz , c cx , cy , cz תכונות של מכפלה מעורבת לכל 3וקטורים 1) a b c c a b b c a b a c a c b c b a שטח מקבילון שצלעותיו הצמודות הן 3וקטורים 2) a b c 1 שטח פירמידה שצלעותיה הצמודות הן 3וקטורים a b c 6 3וקטורים קופלנריים אם ורק אם 4) a b c 0 )3 בפרט a b a 0 .5מישור במרחב הגדרה מישר במרחב הוא אוסף הנקודות x, y, z המוגדר על ידי משוואה ליניארית לא טריוויאלית ולא מנוונת ax by cz dכאשר a 2 b 2 c 2 0 משפט וקטור n a, b, c מאונך לכל וקטור החל במישור ax by cz d הוכחה -כל וקטור uשחל במישור ax by cz dמחבר בין 2נקודות במישור x1, y1, z1 ו x2 , y2 , z2 -ולכן . u x2 x1 , y2 y1 , z1 z2 הנקודות חייבות לקיים ax1 by1 cz1 dו ax2 by2 cz 2 d -ולכן אם נחסר בין המשוואות נקבל ax2 x1 b y2 y1 cz1 z2 0 כלומר n u 0לכן שני הווקטורים מאונכים זה לזה מסקנה משוואת המישור המאונך לווקטור n a, b, c ועובר דרך נקודה Px0 , y0 , z0 ax x0 b y y0 cz z0 0 הגדרה כל ווקטור n 0המאונך למישור נקרא אנך למישור תרגיל מצא את משוואת המישור עפ "י אנך n 4,5,2ונקודה P2, 0, 6שחלה במישור תשובה 4x 2 5 y 0 2z 6 0או 4 x 5 y 2 z 4 -4- בעיות נפוצות הקשורות למישור .1מציאת משוואת מישור עפ"י 3נקודות שרירותיות שאינן חלות בישר משותף Ax1, y1, z1 , Bx2 , y2 , z2 , C x3 , y3 , z3 נסמן נקודה כללית במ ישור על יד r x, y, z אזי ניתן להגדיר אנך למישור על ידי ______ ______ ( n AB ACשני הוקטורים אינן קוליניאריים ) ואת משוואת המישור על ידי מכפלה מעורבת z2 z1 z3 z1 0 z z1 y2 y1 y3 y1 y y1 x2 x1 ______ ______ n Ar AB AC x x1 , y y1 , z z1 det x3 x1 xx 1 תרגיל מצא את משוואת המישור עפ "י 3נקודה A1, 0, 1, B1,1, 1, C2,1, 3שחלו בו .2זווית בין שני מישורים (הקטנה משתים) זווית בין שני מישורים שווה לזווית בין שני האנכים n1, n2למישורים או משלימה את n1 n2 הזווית ל . -כלומר n1 n2 cos ומכוון שזווית לא יכולה להיות קהה נקבל n1 n2 n1 n2 cos הערות cos 0אם ורק אם הישרים מאונכים cos 1אם ורק אם הישרים מקבילים תרגיל מצא זווית בין שני מישורים ובדוק האם המישורים מקבילים או מאונכים א) x y z 7ו5x 3 y 2 z 1 - ב ) x y z 7ו3 x 3 y 3 z 0 - ג ) x y z 7וx 2 y 3 z 4 - תשובה א) מאונכים ב) מקבילים -5- .6ישר במרחב הצגתו הפרמטרית של הישר העובר דרך נקודה Px0 , y0 , z0 ומקביל לווקטור ( v a, b, c או מכיל אותו ) -פרישה ליניארית מוזזת ____ r OP tv x, y, z x0 , y0 , z0 t a, b, c x x0 at y y0 bt z z ct 0 הצגתו הקנונית של הישר העובר דרך נקודה Px0 , y0 , z0 ומקביל לווקטור v a, b, c (או מכיל אותו ) כאשר a 0, b 0, c 0 x x0 y y0 z z0 a b c תרגיל – מצאו את הצגתו הפרמטרית ואת הצגתו הקנונית של הישר א) העובר דרך נקודה P3,2,5ומקביל לווקטור v 1,1,3 ב) העובר דרך נקודה P0,1,3ומקביל לווקטור v 2,0,3 בעיות נפוצות הקשורות למישור וישר .1מציאת מרחק בין נקודה Px0 , y0 , z0 למישור ax by cz d נגדיר ישר העובר דרך Px0 , y0 , z0 ומאונך למישור ax by cz dבצורה פרמטרית ____ r OP tv x, y, z x0 , y0 , z0 t a, b, c נמצא את נקודת החיתוך בין הישר למישור ax by cz d ax0 ta b y0 tb cz0 tc d t a 2 b 2 c 2 d ax0 by0 cz 0 המרחק המבוקש שווה ל- d ax0 by0 cz 0 a 2 b2 c2 d ax0 by0 cz 0 a2 b2 c2 t ____ r OP tv t a 2 b 2 c 2 ניתן לרשום גם ax0 by0 cz 0 d a 2 b2 c2 תרגיל מצא מרחק בין נקודה P4,2,1למישור 2 x y 2 z 5 -6- .2מציאת הצגתו הפרמטרית של ישר החיתוך של שני מישורים a1 x b1 y c1 z d1 a1 b1 0 a x b y c z d a b 2 2 2 2 2 2 - Px0 , y0 , z0 פתרון פרטי שרירותי המשותף לשתי המשוואות v a1 , b1 , c1 a2 , b2 , c2 תרגיל מצאת את הצגתו הפרמטרית של ישר החיתוך של שני מישורים 2 x y 2 z 5וx y 3z 2 - .3מציאת מרחק בין נקודה P1 x1 , y1 , z1 לישר העובר דרך Px0 , y0 , z0 וכוונו v a, b, c שטח המקבילית שצלעותיה הצמודות הן PP1ו v -הנו PP1 v המרחק המבוקש שווה לגובה המקבילית (שטח חלקי אורך הבסיס ) PP1 v v x 1 3t תרגיל מצא מרחק בין נקודה P0,2,1לישר y 4 t z 2t .4מצבים הדדיים בין שני ישרים x, y, z x01, y01, z01 t a1, b1, c1 וx, y, z x02 , y02 , z02 sa2 , b2 , c2 - פותרים מערכת של 3משוואות בשני משתנים x01, y01, z01 t a1, b1, c1 x02 , y02, z02 sa2 , b2 , c2 )1למערכת יש פתרון יחיד – הישרים נחתכים )2למערכת יש אינסוף פתרונות – הישרים מתלכדים ( )3רוב הסיכויים) למערכת אין פתרון 3א) a1 , b1 , c1 a2 , b2 , c2 0, 0, 0הישרים מקבילים 3ב) (רוב הסיכויים) a1 , b1 , c1 a2 , b2 , c2 0, 0, 0הישרים מצטלבים – במקרה הזה לא קיים מישור המכיל את 2הישרים וקיימים 2מישורים מקבילים יחידים כך שכל אחד מכיל כל אחת מהישרים -7- תרגיל בדוק האם הישרים הבאים מתלכדים ,מקבילים ,נחתכים או מצטלבים x 1 6s x 4 3t x 1 2s x 4 3t א) y 1 tו y 4 3s -ב) y 1 tו y 4 2 s - z 1 2 s z t z 1 2 s z t x 8 6s x 4 3t x 1 2s x 4 3t ג) y 1 tו y 4 3s -ד) y 1 tו y 2 2 s - z 2 s z t z 1 2 s z 2 t תשובה א) נחתכים ב) מקבילים ג) מצטלבים ד) מתלכדים .5זווית בין שני ישרים (הקטנה משתים) זווית בין שני ישרים שווה לזווית בין שני וקטורי כיווניהם v1 , v2או משלימה את v1 v2 הזווית ל . -כלומר v1 v2 cos ומכוון שזווית לא יכולה להיות קהה נקבל v1 v2 v1 v2 cos הערות cos 0אם ורק אם הישרים מאונכים cos 1אם ורק אם הישרים מקבילים תרגיל מצא זווית בין 2ישרים x 1 6s x 4 3t x 1 2s x 4 3t א) y 1 tו y 4 7 s -ב) y 1 tו y 4 2 s - z 1 2 s z t z 1 s z t תשובה א) 2 ב) 0 .6זווית בין ישר למישור (הקטנה ביותר) זווית בין ישר לישר המאונך למישור ניתן לחשב על ידי והזווית המבוקשת תהיה 2 v n v n cos הערות cos 0אם ורק אם הישר מקביל למישור cos 1אם ורק אם הישר מאונך למישור x 4 t תרגיל מצא זווית בין ישר y 1 tלמישור x y z 2 z t 1 תשובה arccos 2 3