MAA5.2 Koe ja ratkaisut välivaiheineen (PDF)
Transcription
MAA5.2 Koe ja ratkaisut välivaiheineen (PDF)
MAA5.2 Loppukoe 24.9.2013 Jussi Tyni Valitse 6 tehtävää – Muista merkitä vastauspaperiin oma nimesi ja tee etusivulle pisteytysruudukko Kaikkiin tehtävien ratkaisuihin välivaiheet näkyviin! A-osio. Tehdään ilman laskinta ja taulukkokirjaa! Valitse tehtävistä A1-A3 kaksi ja vastaa niihin. Maksimissaan tunti aikaa suorittaa A-osiota. A1. Olkoon vektorit a a) Laske 4 j 3k ja b 2i 2 j k a ja b b) Määritä vektori c , kun tiedetään että c 5a 2b c) Määritä vektori a suuntainen yksikkövektori a 0 6p A2. Olkoon vektorit d 2i 4 j 7k ja e 5i 6 j 2k a) Määritä pistetulo de b) Määritä vektoreiden (4p) d ja e välinen kulma. (2p) 6p A3. a) Määritä komponenttimuodossa sellainen vektori a i 2 j 2k b , joka on vastakkaissuuntainen vektorin kanssa ja jonka pituus on 27. b) Jatkoa a) -kohtaan: Jos edellisen tehtävän vektorin vektorin päätepisteen koordinaatit. b alkupiste on (-104, 49, 14), määritä 6p B-osio. Saa käyttää laskinta ja taulukkokirjaa. Valitse tehtävistä B1-B5 neljä ja vastaa niihin. B1. Suora kulkee pisteen A (1, 2, 3) kautta ja sillä on suuntavektori v = 4 i 3 j k . Mikä suoran piste on lähinnä pistettä P (8, 6, – 9)? Laske pisteen P etäisyys suorasta. 6p B2. Suunnikkaassa ABCD piste E jakaa sivun DC suhteessa 5: 3 ja piste F sivun BC suhteessa 1: 4. Missä suhteessa janojen AE ja FD leikkauspiste G jakaa nämä janat? 6p B3. Määritä tasoa vasten kohtisuorassa oleva yksikkövektori, jos tiedetään, että pisteet (0,0,12), (0,4,0) ja (6,0,0) ovat tasossa. 6p B4. Taso T sisältää pisteen A=(3, -1,1) ja tasolla on suuntavektorit u i j k ja v 2i j 2k . Onko piste B=(8,-11,12) tasossa T? 6p B5. Lentokone lentää suoraviivaista nousulentoa vektorin 6i 5 j 3k suunnassa. Laske nousukulma, kun valitussa koordinaatistossa lentokenttää edustaa xy-taso. Mistä lentokentän pisteestä nousu alkoi, kun eräällä hetkellä nousun aikana koneen havaittiin sijaitsevan pisteessä (94, –75, 51)? 6p xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Bonuspähkinä +2p, Vektoreiden a ja b summa on vektori 4i j tiedetään, että vektori vihjeiden avulla. ja niiden pistetulo a b 4 . Lisäksi b on yhdensuuntainen vektorin i kanssa. Määritä vektorit a ja b Ota tämä paperi mukaan, merkkaa siihen omat vastauksesi ja tarkista oikeat vastaukset klo 11:30 jälkeen osoitteesta http://jussityni.wordpress.com/ ! Ratkaisut: A1: Ratkaisu a) a (4)2 32 25 5 b 22 (2) 2 (1) 2 9 3 b) c 5(4 j 3k ) 2(2i 2 j k ) 20 j 15k 4i 4 j 2k 4i 16 j 17k c) Koska vektori a:n pituus oli 5, niin a:ta pitää kertoa 1/5 :lla, jotta se lyhenee yhden mittaiseksi. 0 1 1 4 3 => a (4 j 3k ) j k a 5 5 5 5 A2: Ratkaisu a) d e 2 5 (4) 6 (7) (2) 10 24 14 0 b) Pistetulo on nolla, joten vektoreiden välinen tulo on 90 astetta. A3: Ratkaisu a) a (1)2 22 (2)2 9 3 Koska vektori a:n pituus on 3, sitä pitää kertoa 9:llä, jotta saadaan vektori jonka pituus on 27 ja joka on a:n suuntainen (vektoria pidennetään). Lisäksi jotta saadaan vastakkaissuuntainen vektori, pitää kertoa -9:llä => b 9(i 2 j 2k ) 9i 18 j 18k b) Pisteestä (-104, 49, 14) kuljetaan vektorin b ”ajo-ohjeiden” mukaisesti 9 yksikköä x-akselilla, joten x=-104+9=-95 -18 yksikköä y-akselilla, joten y=49-18=31 18 yksikköä z-akselilla, joten z=14+18=32 Päätepiste on siis (-95, 31, 32) B1: Ratkaisu Merkitään kysytty piste X (x, y, z) PX = PA + t v ( x 8) i ( y 6) j ( z 9) k = 7 i 4 j 12 k + 4 t i 3 t j t k x – 8 = –7 + 4t y – 6 = –4 + 3t ⟺ ⟺ x = 4t + 1 y = 3t + 2 z + 9 = 12 – t PX v ⟺ ⟺ z = –t + 3 4 (x – 8) + 3 (y – 6) – (z + 9) = 0 ⟺ 4 (4 t + 1) + 3 (3 t + 2) + t – 3 = 59 ⟺ 26 t = 52 || : 26 4 x + 3 y – z = 59 ⟺ t=2 Sijoitetaan t :n pisteen X koordinaattien lausekkeisiin x = 4t + 1 = 9 | PX | = y = 3t + 2 = 8 z = –t + 3 = 1 (9 8) 2 (8 6) 2 (1 9) 2 = 105 Vastaus: X = (9, 8, 1) | PX | = 105 B2: Ratkaisu Ratkaisu Kuvion merkinnöillä AE = u + 5 4 v ja FD = u – v 8 5 1 FG = FB + BA + AG = – u – v + s AE 5 1 5 1 5s = – u – v + s u v = s u + 1 v 5 8 5 8 toisaalta 4 4t u tv FG = t FD = t u v = 5 5 Komponenttien kerroinlausekkeista saadaan yhtälöpari, josta ratkaistaan s ja t 1 4t = || · 5 5 5 ⟺ 5s – 4t = 1 5s 1 = – t || · 8 8 ⟺ 5s + 8t = 8 s Kun vähennetään edellinen yhtälö jälkimmäisestä, saadaan 12 t = 7 || : 12 Sijoitetaan t :n arvo ensimmäiseen yhtälöön: 5 s – 7 =1 3 ⟺ 5s = ⟺ 10 || : 5 3 t= 7 12 ⟺ s= 2 3 Vastaus: Piste G jakaa janan AE suhteessa 2 :1 ja janan FD suhteessa 7 : 5 B3: Ratkaisu Merkitään pisteitä, esim. A (0, 0, 3), B (0, – 4, 0) ja C (6, 0, 0) Merkitään a = CA = 6 i 3 k , b = CB = 6 i 4 j ja kysytty kohtisuora yksikkövektori v = ai b j ck Pistetulo on 0, jos vektorit kohtisuoria, joten: a ·v = –6a +3c = 0 ⟺ c = 2a 3 a 2 Lisäksi tiedetään, että vektori v on yhden mittainen: 2 2 2 2 2 2 2 2 2 9 2 a +b +c =1 ⟺ a + a + 4 a = 1 || · 4 ⟺ 4 a + 9 a + 16 a = 29 a = 4 || : 29 4 2 4 2 a = ⟺ a=± . Kohtisuora vektori voi lähteä kohtisuoraan tason alle tai päälle, 29 29 siksi kaksi ratkaisua. Valitaan vaikka tuo + ratkaisu ja muodostetaan siitä vektori v:n komponenttimuotoinen esitys: 3 4 2 Vastaus: v = ± i j k 29 29 29 b ·v = –6a –4b = 0 ⟺ b=– B4: Ratkaisu Jos piste B=(8, -11, 12) on tasossa, niin silloin voidaan vektori AB kulkea myös toista kautta tason suuntavektorien avulla, suuntavektoreita v ja u pidentämällä tai lyhentämällä tuntemattomilla kertoimilla. AB tv su AB 5i 10 j 11k 5i 10 j 11k t (2i j 2k ) s (i j k ) 5i 10 j 11k 2ti t j 2tk si s j sk 5i 10 j 11k (2t s )i (t s ) j (2t s )k Nyt vektoreiden yhtäsuuruuden takia komponenttien i, j jak määrien on täsmättävä molemmin puolin yhtälöä: 5 2t s 10 t s Ratkaistaan ekasta yhtälöstä mitä s on: s 2t 5 11 2t s 10 t (2t 5) 10 t 2t 5 Sijoitetaan s tokaan yhtälöön ja ratkaistaan mitä t on: 15 3t t 5 Nyt s 2t 5 joten s 2 5 5 5 Nyt alin yhtälö tuottaa tuloksen: 11 2 5 5 11 15 Mikä ei voi pitää paikkaansa, piste ei siis ole tasossa, koska sopivia kertoimia t ja s ei voi löytää jotta olisi AB tv su ! B5: Ratkaisu Lentokoneen nousun suuntavektori on v 6i 5 j 3k . Tämän kanssa linjassa ”maata”, eli xy-tasoa vasten kohtisuorassa oleva projektio on u 6i 5 j . Käytännössä sama vektori, ilman korkeutta, eli k-komponenttia. Lasketaan vektoreiden v ja u välinen kulma: v 62 (5) 2 32 70 u 62 (5) 2 61 u v 6 6 (5) (5) 3 0 61 cos u v vu cos 61 cos 1 70 61 21 Koneen nousu alkoi xy-tasosta, jolloin z-koordinaatti on nolla, eli kone oli pisteessä B=(x,y,0). Jos kone havaittiin pisteessä A=(94,-75,51) ja koneen liikkumisella on suuntavektori v, niin silloinhan suuntavektoria v pidentämällä tuntemattomalla kertoimella t täytyy olla AB=tv. AB ( x 94)i ( y (75)) j (0 51) k ( x 94)i ( y 75) j 51k ja nyt: AB tv ( x 94)i ( y 75) j 51k t (6i 5 j 3k ) ( x 94)i ( y 75) j 51k 6ti 5t j 3tk Vektoreiden yhdensuuruuden takia komponenttien määrän on täsmättävä yhtälön molemmin puolin, joten: x 94 6t y 75 5t 51 3t t 17 x 94 6 (17) x 102 94 x 8 y 75 5 (17) y 85 75 y 10 Koneen lähtöpiste on siis (-8,10,0) Bonuspähkinän ratkaisu: Määritellään tuntemattomat vektorit: a xi y j b zi koska b yhdensuuntainen vektori i : n kanssa Lisäksi tiedetään, että pistetulo näiden vektoreiden välillä on 4, joten: x z y 0 4 x z 4 Ja vielä viimeisenä niittinä xi y j zi 4i j ( x z )i y j 4i j Joten y = 1 tiedetään jo. Komponenteista x ja z jää kaksi yhtälöä jäljelle, x z 4 y 1 joista voidaan muodostaa yhtälöpari: Joten haetut vektorit ovat: xz 4 x z 4 x 4 z (4 z ) z 4 4 z z 2 4 z 2 4 z 4 0 2.asteen yht.ratkaisukaavalla : z 2 x 4 z x 42 2 a xi y j 2i 1 j b zi 2i