Задача 7. Векторы и образуют угол . Известно, что , , а скалярное произведение векторов . Найти
К а ф е д р а «Высшая математика и
прикладная информатика»
ЛИНЕЙНАЯ АЛГЕБРА,
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ГЕОМЕТРИЯ,
НАЧАЛА МАТЕМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
(для заочного факультета)
Учебно-методическое пособие
по специальным разделам высшей математики
Самара 2008
УДК 517.531, 519.2
Линейная алгебра, аналитическая геометрия, начала математического анализа (для заочного факультета):Учеб.-метод. пособ. по специальным разделам высшей математики/ Л.В. Лиманова, Л.А. Муратова; Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2008. 33 с.
Представлены задачи и их решения из следующих разделов курса высшей математики: «Линейная алгебра», «Аналитическая геометрия», «Математический анализ».
Для студентов заочного факультета СамГТУ.
Ил.2. Библиогр.: 6 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета СамГТУ
В соответствии с программой курса высшей математики в 1 семестре на заочном факультете СамГТУ данная работа включает такие разделы, как линейная алгебра, аналитическая геометрия, теория пределов, дифференциальное исчисление.
Работа состоит из набора типовых задач из указанных разделов с подробными решениями и необходимым теоретическим материалом. Кроме того, в приложении 1 представлен тренировочный тест с ответами для самоконтроля знаний.
Материал данной работы рекомендуется использовать для подготовки к контрольной работе и экзамену по высшей математике на заочном факультете.
ЗАДАЧИ И РЕШЕНИЯ
Задача 1. Вычислить определитель .
Решение. Определитель второго порядка равен разности между произведениями элементов главной диагонали (a1 и b2) и побочной (b1 и a2), то есть
.
Поэтому .
Задача 2. Вычислить определитель .
Решение. Определитель третьего порядка можно вычислить по формуле
При этом полезна следующая схема. Первые три слагаемых – это произведения элементов, попавших на главную диагональ и в вершины двух треугольников (рис.1). Три слагаемых в скобках – это произведения элементов, попавших на побочную диагональ и в вершины двух других треугольников (рис.2).
Рис. 1 Рис. 2
Получаем
.
Задача 3. Умножить матрицу на матрицу и найти сумму элементов третьей строки результирующей матрицы.
Решение. Известно, что матрицу A размера (m − число строк, n − число столбцов) можно умножить на матрицу B размера , если n = p, причем в результате получится матрица размера . Элемент cij (расположен на пересечении i-й строки и j-го столбца) результирующей матрицы C вычисляется по формуле
,
то есть равен сумме произведений элементов строки i матрицы A на соответствующие элементы столбца j матрицы B.
В данной задаче матрицы A и B имеют размер и соответственно, и, значит, перемножаемы (n=p=2), а результирующая матрица C будет иметь размер .
Найдем c11, для чего умножим поэлементно первую строку матрицы A на первый столбец матрицы B и результаты сложим:
.
Вычислим c12, умножив первую строку матрицы A на второй столбец матрицы B и сложив результаты:
.
Аналогично, находим остальные элементы
, , , ,
, ,
, ,
, .
Итак,
.
При этом сумма элементов третьей строки матрицы C равна
.
Задача 4. Решить систему уравнений, приняв в качестве базисных переменных y и z:
Решение. Решаем систему методом Гаусса. Запишем расширенную матрицу системы – матрицу из коэффициентов при неизвестных и свободных членов.
|
Среди коэффициентов при неизвестных в первом уравнении есть удобная для дальнейших вычислений 1, ей соответствует переменная z. Назовем z базисной переменной. Исключим базисную переменную z из 2-го уравнения, для чего умножим 1-е уравнение на 2 и сложим со вторым. Получим эквивалентную исходной систему уравнений с матрицей
~
Учитывая тот факт, что в каждом уравнении выбирается одна базисная единица и по условию задачи другой базисной переменной должен быть y, получим базисную единицу во 2-м уравнении, разделив его на (-2):
|
Исключим y из первого уравнения. Для этого умножим второе уравнение на 3 и сложим с первым:
Запишем систему уравнений, соответствующую последней матрице
Выразив базисные переменные у и z через свободную переменную х, получим общее решение системы уравнений
Задача 5. Найти длину вектора .
Решение. Длину вектора , или его модуль можно вычислить по формуле
.
Имеем .
Задача 6. Векторы и образуют угол . Зная, что , , найти скалярное произведение векторов .
Решение. Согласно определению скалярное произведение векторов и равно
.
Поэтому получим
.
Задача 7. Векторы и образуют угол . Известно, что , , а скалярное произведение векторов . Найти .
Решение. Выразим из формулы скалярного произведения (см. задачу 6)
.
Задача 8. Вычислить скалярное произведение векторов и .
Решение. Используем формулу скалярного произведения векторов и , согласно которой
.
Так как , , то
.
Задача 9. Вычислить скалярное произведение , если известно, что , , .
Решение. Найдем векторы и :
,
.
Согласно формуле скалярного произведения (см. задачу 8) получим
.
Задача 10. Найти , при котором ортогональны векторы и .
Решение. Условием ортогональности векторов и является равенство нулю их скалярного произведения
.
Имеем ,
или , откуда .
Задача 11. Найти векторное произведение векторов .
Решение. Вычисляем векторное произведение векторов и по формуле
.
Получаем
.
Задача 12. Векторы и образуют угол . Зная, что , ,найти модуль векторного произведения векторов .
Решение. В соответствии с определением векторного произведения имеет место формула
.
Подставляя исходные данные, получим
.
Задача 13. Известно, что , и векторы и образуют угол . Найти .
Решение. Используя формулу модуля векторного произведения (см. задачу 12), найдем
.
Поэтому
.
Задача 14. Даны три вектора , , . Найти:
1) смешанное произведение векторов ;
2) объем параллелепипеда, построенного на векторах , , ;
3) объем треугольной пирамиды, построенной на векторах , , .
Решение. 1) Смешанное произведение векторов , , вычисляется по формуле
.
Поэтому получаем
.
2) Объем параллелепипеда, построенного на векторах , , , выражается через смешанное произведение и равен
3) Объем треугольной пирамиды, построенной на векторах , , , составляет 1/6 объема параллелепипеда, построенного на тех же векторах, т.е.
Задача 15. Определить , при котором компланарны векторы , , .
Решение. Векторы называются компланарными, если они параллельны одной плоскости. Условием компланарности трех векторов является равенство нулю их смешанного произведения:
.
Приравнивая к нулю смешанное произведение векторов (см. задачу 14), получим уравнение для определения
.
Отсюда , значит .
Задача 16. Составить уравнение плоскости, проходящей через три заданные точки А(1; 1; 1), В(1; 2; 3), С(2; 1; −1).
Решение. Воспользуемся уравнением плоскости, проходящей через три точки :
.
Получим
,
,
,
,
.
Задача 17. Составить уравнение плоскости, проходящей через точку
М(4; −1; 0) перпендикулярно вектору .
Решение. Уравнение плоскости, проходящей через точку перпендикулярно вектору имеет вид
.
Подставив заданные значения, получим
,
или
.
Задача 18. Составить уравнение плоскости, проходящей через точку М(2; 0; −3) параллельно плоскости .
Решение. В уравнении плоскости вида
- координаты нормального вектора – вектора, перпендикулярного к плоскости.
Таким образом, плоскость имеет нормаль .
Поскольку эта плоскость параллельна искомой, вектор будет нормалью и к искомой плоскости. Осталось воспользоваться уравнением плоскости, проходящей через данную точку перпендикулярно данному вектору (см. задачу 17). Получим
,
или
.
Задача 19. Найти А и В, при которых плоскость параллельна плоскости .
Решение. Нормальные векторы заданных плоскостей (см. задачу 18) соответственно равны и . Так как плоскости параллельны, их нормали коллинеарны, а условием коллинеарности векторов и является пропорциональность их координат:
Поэтому получим
.
Отсюда следует, что А = 7,5, В = −4.
Задача 20. Составить канонические и параметрические уравнения прямой, проходящей через точку М(−2; 7; 0) параллельно вектору .
Решение. Канонические уравнения прямой, проходящей через точку параллельно вектору , имеют вид
.
Параметрические уравнения прямой можно получить, приравняв эти отношения к t
и выразив х, y и z через t:
.
Заметим, что вектор называют направляющим вектором прямой.
С учетом исходных данных задачи получаем канонические уравнения
и параметрические уравнения искомой прямой
.
Задача 21. Составить уравнения прямой, проходящей через точку М(4; 1; 5) параллельно прямой .
Решение. Прямая параллельна своему направляющему вектору . Но тогда вектор параллелен и искомой прямой. Воспользовавшись уравнением прямой, проходящей через данную точку параллельно данному вектору (см. задачу 20), получим
.
Задача 22. Найти А и В, при которых параллельны прямые
и .
Решение. Если прямые параллельны, то их направляющие векторы и коллинеарны, значит, координаты направляющих векторов пропорциональны (см. задачу 19):
.
Отсюда следует, что А = −0,5, В = −20.
Задача 23. Определить , при котором перпендикулярны две прямые и .
Решение. Так как прямые перпендикулярны, их направляющие векторы и также перпендикулярны, но тогда скалярное произведение этих векторов равно нулю (см. задачу 10)
,
откуда .
Задача 24. Составить уравнение прямой, проходящей через две точки М1(2; −5; 1) и М2(3; 4; −2).
Решение. Воспользуемся уравнением прямой, проходящей через две заданные точки и :
.
Получим
,
или
.
Задача 25. Составить уравнение плоскости, проходящей через точку М(1; −3; 0) перпендикулярно прямой .
Решение. Так как прямая перпендикулярна плоскости, направляющий вектор этой прямой также перпендикулярен плоскости.
Согласно уравнению плоскости, проходящей через точку М перпендикулярно вектору (см. задачу 17), получим
, или
.
Задача 26. Составить уравнение прямой, проходящей через точку М(2; 7; −1) перпендикулярно плоскости .
Решение. Так как прямая перпендикулярна плоскости, нормальный вектор этой плоскости параллелен прямой. В соответствии с уравнением прямой, проходящей через точку М параллельно данному вектору (см. задачу 20), имеем
.
Задача 27. Вычислить .
Решение. При числитель и знаменатель дроби неограниченно возрастают. В этом случае говорят, что имеет место неопределенность . Выносим за скобки в числителе и знаменателе переменную в старшей степени и после сокращения получаем:
.
При величины , , стремятся к 0, , весь числитель стремится к , а знаменатель . Поэтому вся дробь стремится к .
Таким образом,
Задача 28. Вычислить .
Решение. При числитель и знаменатель стремятся к . Это неопределенность вида . Раскрываем ее (см. задачу 27):
.
Задача 29. Вычислить .
Решение. Так как числитель и знаменатель при стремятся к , имеем неопределенность . Раскрываем ее (см. задачу 27):
.
Поскольку при числитель стремится к 3, а знаменатель − к , вся дробь стремится к 0 и
.
Задача 30. Вычислить .
Решение. При числитель и знаменатель дроби стремятся к 0. Это неопределенность вида . Разложив числитель и знаменатель на множители и выполнив сокращение на множитель (х − 7), получим
.
Задача 31. Вычислить .
Решение. Так как при выражение стремится к 1, а показатель степени − к бесконечности, имеем неопределенность . Раскрываем ее с помощью второго замечательного предела
.
Считая , достраиваем выражение до второго замечательного предела и получаем
.
Задача 32. Вычислить .
Решение. Поскольку при числитель и знаменатель дроби стремятся к 0, имеем неопределенность . Воспользовавшись формулами таблицы эквивалентности [приложение 2] для бесконечно малой величины ( ):
получим при :
Заменяя числитель и знаменатель на эквивалентные бесконечно малые величины, найдем
.
Задача 33. Вычислить .
Решение. Имеем неопределенность . Согласно формулам таблицы эквивалентности [приложение 2] для бесконечно малой величины ( )
поэтому при : .
Тогда
.
Задача 34.Найти , если
.
Решение. Применяя формулы дифференцирования произведения и частного
,
имеем
и далее, с учетом формул дифференцирования элементарных функций [приложение 2]
получим
.
Подставим в производную х = 2:
.
Задача 35. Для функции найти .
Решение. Применим правило дифференцирования сложной функции:
если y = y(u), u = u(x), то .
В данном случае .
Поэтому [см. приложение 2]
.
Тогда
.
Задача 36. Для функции найти .
Решение. По правилу дифференцирования сложной функции y = y(u), где u = u(x), имеем .
Так как , то [см. приложение 2]
.
Окончательно,
.
Задача 37. Найти интервалы возрастания и убывания функции .
Решение. Функция y = f(x) возрастает, если , и убывает, если . Найдем :
.
Определим знаки производной и промежутки монотонности функции
x | −1 | ||||||
+ | − | + | − | ||||
y |
Итак, функция возрастает при и убывает при .
Задача 38. Найти интервалы выпуклости и вогнутости функции .
Решение. Функция выпукла, если и вогнута, если . Найдем :
,
.
Определим знаки и промежутки выпуклости и вогнутости функции
x | −2 | ||||||
− | + | − | + | ||||
y |
Таким образом, функция выпукла при и вогнута при .
Приложение 1
Тренировочный тест
№ | Задания | Варианты ответов | ||||||||||||
1. | Вычислить | -17 | -1 | |||||||||||
2. | Найти сумму элементов третьего столбца матрицы В. | -39 | -9 | |||||||||||
3. | Решить систему уравнений, приняв в качестве базисных переменных x и z: . | |||||||||||||
4. | Векторы и образуют угол . Зная, что , , , найти . | |||||||||||||
5. | Вычислить , если , , | -19 | -2 | |||||||||||
6. | Определить , при котором ортогональны векторы и . | -5 | ||||||||||||
7. | Вычислить | |||||||||||||
8. | Векторы и образуют угол . Найти , если , . | |||||||||||||
9. | Если плоскость Сx+10y+4z+7=0 параллельна плоскости 3x-By+6z-1=0 , то B+C= | -13 | -9 | |||||||||||
10. | Составить уравнение плоскости, проходящей через точку М(-1; 4; 5) перпендикулярно прямой | ||||||||||||
11. | Уравнение прямой, проходящей через точки А(2; -3; 5) и В(0; 4; -7), имеет вид | ||||||||||||
12. | Уравнение прямой, проходящей через точку М(2;4;-5) параллельно прямой | ||||||||||||
13. | Прямые и параллельны. Найти . | -9 | -18 | ||||||||||
14. | Определить, при каком перпендикулярны прямые , . | -1 | |||||||||||
15. | Вычислить | ||||||||||||
16. | Вычислить | ||||||||||||
17. | Вычислить | ||||||||||||
18. | Вычислить | ||||||||||||
19. | Вычислить , если | ||||||||||||
20. | Для функции найти | ||||||||||||
21. | Для функции найти . | ||||||||||||
22. | Найти интервалы убывания функции | ||||||||||||
23. | Найти интервалы вогнутости функции | ||||||||||||
Правильные ответы
№ задания | ||||||||||||
Ответ |
№ задания | |||||||||||
Ответ |
Приложение 2
Таблица эквивалентности
Бесконечно малых
(справедлива при )