Элементы векторной алгебры и аналитической геометрии в пространстве

Векторные величины (векторы) – это такие величины, которые характеризуются не только своими числовыми значениями, но и направлением.

Для изображения векторных величин служат геометрические векторы. Геометрический вектор – это направленный отрезок.

Координатами вектора в прямоугольной системе координат называются проекции вектора на оси координат. Запись означает, что вектор имеет координаты .

Модуль вектора (его длина) вычисляется по формуле

.

Чтобы найти координаты вектора, заданного координатами точек его начала и конца надо найти разности соответствующих координат его конца и начала, т.е. если задан вектор , где , то

.

Тогда модуль вектора находится по формуле

.

Скалярным произведением двух векторов называется число, равное произведению их модулей на косинус угла между ними.

Обозначают: ( ) или . По определению

, где .

Пусть векторы заданы аналитически:

.

Выражение скалярного произведения через координаты перемноженных векторов:

.

Косинус угла между двумя векторами можно найти по формуле

.

Векторным произведением вектора на вектор называется вектор, обозначаемый символом или , определяемый условиями:

1) модуль этого вектора равен произведению модулей перемножаемых векторов на синус угла между ними, т.е.

;

2) этот вектор перпендикулярен каждому из перемножаемых векторов, т.е. плоскости, определяемой этими векторами;

3) направлен по перпендикуляру к этой плоскости так, что векторы и составляют правую тройку (т.е. если при наблюдении с конца вектора кратчайший поворот от вектора к вектору происходит против часовой стрелки.)

Модуль векторного произведения численно равен площади параллелограмма, построенного на векторах сомножителях – в этом состоит геометрический смысл модуля векторного произведения:

.

Пусть даны два вектора и . Выражение векторного произведения через координаты перемножаемых векторов:

.

Смешанным произведениемтрех векторов называется число, равное скалярному произведению вектора на вектор , т.е. .

Если векторы заданы своими прямоугольными координатами , то их смешанное произведение вычисляется по формуле

.

Геометрический смысл смешанного произведения: объем параллелепипеда, построенного на 3-х некомпланарных векторах, равен абсолютной величине их смешанного произведения

.

Тогда объем треугольной пирамиды, построенной на этих же векторах, находится по формуле

.

Три точки пространства, не лежащие на одной прямой, определяют единственную плоскость. Если , три данные точки, не лежащие на одной прямой, а произвольная точка плоскости, то уравнение плоскости, проходящей через три точки, имеет вид

.

Уравнение прямой, проходящей через две точки пространства имеет вид

.

Угол между прямой и плоскостью находится по формуле

,

где коэффициенты выбирают из канонических уравнений прямой

и общего уравнения плоскости

,

где - вектор нормали к плоскости.

Условие перпендикулярности прямой и плоскости:

.

Пример

Даны вершины треугольной пирамиды Найти:

1) угол между ребрами и ;

2) площадь грани ;

3) объем пирамиды ;

4) длину высоты, опущенной из вершины на грань ;

5) угол между ребром и гранью ;

6) уравнение высоты, опущенной из вершины на грань .

Решение

А4   А2   В А1 А3 Рис. 2

1) Угол между ребрами и находим с помощью скалярного произведения векторов по формуле , найдем координаты векторов тогда косинус угла между векторами .

2) Площадь грани находим с помощью векторного произведения векторов. Найдем координаты вектора , тогда площадь треугольника находим по формуле

.

Найдем векторное произведение векторов

модуль векторного произведения равен

,

откуда находим площадь треугольника

3) Объем пирамиды находим с помощью смешанного произведения векторов по формуле

,

так как выше найдены координаты векторов

,

подставим координаты векторов в формулу, получим

.

4) Для нахождения длины высоты h, опущенной из вершины на грань применим формулу

,

откуда находим

5) Общее уравнение плоскости :

,

нормальный вектор плоскости .

Уравнение высоты : .

Условие перпендикулярности прямой и плоскости: .

В нашем случае , тогда уравнение высоты имеет вид