В данной публикации мы рассмотрим формулы, с помощью которых можно найти координаты вектора, заданного координатами его начальной и конечной точек, а также разберем примеры решения задач по этой теме.
- Нахождение координат вектора
- Примеры задач
Нахождение координат вектора
Для того, чтобы найти координаты вектора AB, нужно из координат его конечной точки (B) вычесть соответствующие координаты начальной точки (A).
Формулы для определения координат вектора
Для плоских задач | AB = {Bx – Ax; By – Ay} |
Для трехмерных задач | AB = {Bx – Ax; By – Ay; Bz – Az} |
Для n-мерных векторов | AB = {B1 – A1; B2 – A2; … Bn – An} |
Примеры задач
Задание 1
Найдем координаты вектора AB, если у его точек следующие координаты: A = (2; 8), B = (5; 12).
Решение:
AB = {5 – 2; 12 – 8} = {3; 4}.
Задание 2
Определим координаты точки B вектора AB = {6; 14}, если координаты точки A = (2; 5).
Решение:
Координаты точки B можно вывести из формулы для расчета координат вектора:
Bx = ABx + Ax = 6 + 2 = 8.
By = ABy + Ay = 14 + 5 = 19.
Таким образом, B = (8; 19).
Вспомним, что при умножении вектора на число
k≠0
мы получаем два коллинеарных (параллельных) вектора, которые или сонаправлены, если
k>0
, или противоположно направлены, если
k<0
. Длины векторов различаются (k) раз.
Справедливо и обратное суждение.
Если ненулевые векторы коллинеарны, то обязательно можно найти число
k≠0
так, что
b→=k⋅a→
.
Для неколлинеарных векторов справедливо суждение, что каждый вектор на плоскости можно представить в виде
c→=k⋅a→+m⋅b→
. Говорят, что вектор
c→
разложен по векторам
a→
и
b→
, а числа (k) и (m) называют коэффициентами разложения.
Это справедливо для любого вектора на плоскости, причём коэффициенты определяются единственным образом.
Выберем два не коллинеарных вектора на осях системы координат. Пусть длина каждого из них будет равна единичному отрезку в этой системе координат. Эти векторы называют координатными векторами и обозначают
i→
и
j→
.
Если от начала координат отложить вектор
a→
, то его можно разложить по векторам
i→
и
j→
следующим образом:
a→=3⋅i→+2⋅j→
.
В этом разложении коэффициенты координатных векторов называют координатами вектора
a→
.
Это записывают как
a→3;2
.
Любой вектор, который равен с вектором
a→
, можно переместить и отложить от начала координат. Следовательно, можем сделать вывод.
Равные векторы имеют равные координаты.
Но в то же время в координатной системе можно переместить векторы
i→
и
j→
, таким образом определить координаты векторов независимо от их места расположения в координатной системе.
Легко понять, что разница между абсциссами (координатами x) конечной и начальной точки вектора и есть абсцисса вектора, а разница между ординатами (координатами y) конечной и начальной точки вектора есть ордината вектора.
Связь между координатами противоположных векторов следует из того, что, если умножить вектор на (-1), результатом будет противоположный вектор.
У противоположных векторов противоположные координаты.
Важно понять ещё несколько интересных связей между координатами векторов одинаковой длины.
План урока:
Взаимосвязь координат векторов и его начала и конца
Определение координат середины отрезка
Вычисление длины вектора и отрезка
Простейшие задачи с использованием координатного метода
Использование признака коллинеарности векторов
Деление отрезка в заданном отношении
Введение прямоугольной системы координат
Взаимосвязь координат векторов и его начала и конца
На координатной плоскости любые две точки можно соединить друг с другом. В результате получается отрезок. Если же дополнительно указано, какая из этих точек – начало отрезка, а какая – конец, то в итоге мы уже имеем вектор. Попробуем определить, есть ли связь между координатами вектора и координатами (можно использовать сокращение коор-ты) его граничных точек.
Пусть в прямоугольной системе координат отмечены точки А (хА;уА) и В(хB;уB).Тогда можно задать вектор АВ. Также построим ещё два вспомогательных вектора ОА и ОВ, начинающиеся в точке О – начале коор-т:
Вектора ОВ и ОА – это радиус-векторы (так как их начало находится в начале координат), поэтому их коор-ты ОВ и ОА совпадают с коор-тами их концов (В и А соответственно):
Итак, зная коор-ты граничных точек вектора, можно найти и координаты данного вектора:
Например, если вектор начинается в точке А (2; 1), а заканчивается в точке В (6; 3), то коор-ты вектора АВ можно определить так:
Задание. Начало вектора находится в точке М, а конец – в точке К. Определите его коор-ты, если:
а) М(2; 7) и К(6; 8);
б) М(5; 1) и К(2; 10);
в) М(0; 8) и К(9; -5).
Решение. Из коор-т К мы просто вычитаем соответствующие коор-ты М, и в итоге определяем коор-ты вектора:
Задание. От точки H (8; 15) отложили вектор m{5; – 6}. Каковы координаты конца этого вектора?
Решение. Обозначим интересующие нас коор-ты как (хк; ук). Для вектора, начинающегося в точке (8; 15) и заканчивающегося в точке (хк; ук), коор-ты можно вычислить так:
x = xk – 8
y = yk – 15
Однако нам даны координаты вектора, то есть величины х и у, поэтому мы можем записать:
5 = xk – 8
-6 = yk – 15
Оба равенства представляет собой уравнения, которые можно решить:
5 = xk – 8
xk = 5 + 8 = 13
-6 = yk – 15
yk = -6 + 15 = 9
В итоге получили, что конец вектора находится в точке (13; 9).
Ответ:(13; 9).
Определение координат середины отрезка
Пусть построен вектор АВ, причем известны коор-ты его начала А (хА; уА) и его конца B (хB; уB). Обозначим буквой С середину отрезка АВ и попытаемся вычислить коор-ты С, которые мы обозначим как (хC; уC):
Рассмотрим вектора АС и СВ. Они имеют одинаковую длину, потому что С разбивает АВ пополам. Также АС и СВ коллинеарны, так как они лежат на одной прямой АВ. При этом они и сонаправлены, а значит, эти вектора равны:
Нам удалось выразить коор-ты С через координаты А и В. В итоге можно сформулировать правило:
Например, пусть необходимо найти координаты середины отрезка HK, при этом известны коор-ты его концов: Н(5; – 2) и К(3; 4). Сначала найдем полусумму коор-т х и получим эту же коор-ту у середины:
Итак, точка середины отрезка имеет коор-ты (4; 1). Для наглядности построим отрезок ОК и продемонстрируем, что его середина действительно находится в точке (4; 1):
Вычисление длины вектора и отрезка
Пусть есть произвольный вектор с коор-тами {x; у}. Отложим его от точки начала координат, после чего из его конца опустим перпендикуляры ОВ и ОС на координатные оси:
Для простоты рассмотрим случай, когда х и у – положительные числа, то есть точка А находится в первой четверти. Тогда длина ОВ будет равна х:
OB = x
Так как ОСАВ – прямоугольник, то стороны ОС и АВ одинаковы, причем ОС имеет длину, равную коор-те у:
AB = OC = y
Теперь изучим ∆ОВА. Он прямоугольный, и ОА в нем – гипотенуза, поэтому можно записать теорему Пифагора:
OA2 = OB2 + AB2
Теперь заменим отрезки ОВ и АВ на х и у:
OA2 = x2 + y2
Осталось извлечь квадратный корень:
Мы вывели формулу для вычисления длины вектора по его координатам. Можно рассмотреть и остальные случаи, когда точка А лежит в другой четверти координатной плоскости или на координатных осях, однако во всех случаях будет получаться одинаковая формула.
Задание. Определите длину вектора с коор-тами:
Решение. Во всех случаях просто возводим каждую коор-ту в квадрат, потом складываем полученные числа и извлекаем из полученной суммы квадратный корень:
Теперь предположим, что имеется две точки с коор-тами (х1; у1) и (х2; у2). Требуется найти длину отрезка, их соединяющего, то есть расстояние между этими двумя точками. Если принять одну из этих точек, например первую, за начало вектора, а вторую за его конец, то задача сведется к вычислению длины этого вектора. Его коор-ты можно будет высчитать так:
x = x2 – x1
y = y2 – y1
Тогда расстояние между точками (обозначим его как d) будет вычисляться по формуле:
Задание. Определите длину отрезка MP, если известны коор-ты его концов:
Простейшие задачи с использованием координатного метода
Выведенные нами формулы являются базовыми для расчетов, связанных с коор-тами. До этого мы решали лишь простейшие задачи на использование этих формул, однако в более сложных задачах надо использовать сразу несколько более сложных формул.
Задание. Известны коор-ты трех вершин параллелограмма АВСD: А(4; 1), В(1; 1), С(3; 5). Определите коор-ты четвертой вершины D.
Решение.
Сначала найдем коор-ты вектора ВС. Мы можем это сделать, так как нам известны коор-ты его начальной и конечной точки:
xBC = xC – xB = 3 – 1 = 2
yBC = yC – yB = 5 – 1 = 4
Так как в параллелограмме противоположные стороны имеют одинаковую длину и при этом параллельны, то вектора ВС и АD равны, то есть имеют одинаковые коор-ты:
Итак, D имеет коор-ты (6; 5).
Ответ (6; 5).
Задание. В – середина отрезка АС. Известны коор-ты точек: А(2; 4) и В(0; 18). Найдите коор-ты С.
Решение.
Для начала будем работать только с коор-той х. Так как В – середина АС, то их абсциссы (напомним, так называют координату х точек) связаны соотношением:
Задание. Отрезок MN имеет длину 13. Даны координаты концов отрезка: M(4; 6) и N (х; 1). Найдите величину переменной х.
Нам по условию известно это расстояние для точек M и N, а также известны 3 и 4 коор-т точек. Поэтому надо просто подставить все известные данные в формулу, получить уравнение и решить его:
Далее извлекаем корень из обеих частей, но при этом появляется два различных корня (так обычно и бывает при решении квадратных уравнений):
Ответ: – 8 или 16.
Задание. Расстояние от точки S(2x; – 2) до точки T (6; 4х) составляет 14. Определите величину х.
Решение. Задача во многом аналогично предыдущей, надо подставить в формулу расстояния между точками данные из условия и решить получившееся уравнение:
Решаем это квадратное уравнение через дискриминант:
Ответ: (– 2,6) или 3.
Задание. Найдите коор-ты точки M на рисунке, если точка А имеет коор-ты (4; 2).
Решение. По рисунку видно, что середина отрезка находится в точке О(0; 0). Коор-ты середины отрезка (то есть точки О) и его граничных точек связаны формулами:
Использование признака коллинеарности векторов
На прошлом уроке мы выяснили, что если вектора коллинеарны, то их коор-ты пропорциональны. Это позволяет определить, лежит ли та или иная точка на указанной прямой.
Задание. Даны точки А(1; 2), В(4; 7) и С (10; 17). Определите, лежит ли точка В на прямой АС.
Решение. Если А, В и С принадлежат одной прямой, то любые два вектора, проведенные через эти точки, окажутся коллинеарными друг другу. Если же они НЕ лежат на одной прямой, то наоборот, любые два таких вектора окажутся неколлинеарными. То есть надо составить два вектора, например, АВ и ВС, и проверить их коллинеарность.
Определим коор-ты АВ:
Напомним, что для проверки векторов на коллинеарность надо поделить их коор-ты друг на друга. Если получится одно и то же число, то вектора коллинеарны:
В обоих случаях получилось одинаковое число, значит, вектора коллинеарны.
Ответ: Да, точка B лежит на прямой AC.
Задание. Проверьте, лежат ли точки А(3; 7), В (8; 12) и С(6; 4) на одной прямой.
Решение. Снова вычисляем коор-ты векторов АВ и ВС:
Получились разные числа, следовательно, вектора АВ и ВС не коллинеарны, а потому точки А, В и С никак не могут лежать на одной прямой.
Ответ: Нет, точки A,B,C не лежат на одной прямой.
Задание. Проверьте, параллельны ли друг другу отрезки АВ и CD, если известны коор-ты: А(1; 1), В(5; 5), С(4; 2), D(6; 4).
Решение. Если отрезки параллельны, то и вектора АВ и CD должны быть коллинеарными. Проверим это также, как мы это делали в двух предыдущих задачах:
Итак, вектора коллинеарны. Означает ли это, что отрезки АВ и CD параллельны? Ещё нет. На самом деле возможно два случая:
1) АВ и CD действительно параллельны;
2) АВ и СD лежат на одной прямой, и тогда их параллельными считать нельзя.
Как же проверить, какой из двух случаев относится к этой задаче? Надо рассмотреть ещё один ВС. Если реализуется второй случай, то он окажется коллинеарен вектору АВ. В первом же случае он будет ему не коллинеарен.
Получили различные числа, значит, АВ и ВС не коллинеарны. Теперь мы можем точно утверждать, что АВ и СD параллельны.
Ответ: Да, отрезки AB и CD параллельны.
Деление отрезка в заданном отношении
Мы уже научились находить коор-ты середины отрезка. Можно сказать, что середина – это точка, которая разбивает отрезок в отношении 1:1, то есть на равные отрезки. А что делать в более сложном случае, если нужно найти точку, разбивающую отрезок в другом отношении, например, в отношении 2:1? Выведем для такого случая формулу.
Пусть точка С разбивает отрезок АВ в некотором отношении так, что отрезок АС в k больше отрезка СВ:
(Примечание. Если отрезок АС меньше СВ, то число k будет меньше единицы.)
Как и обычно, для обозначения коор-т точек используем индексы, совпадающие с обозначением точек: А(xА; уА), В(xВ; уВ) и С(xС; уС).
Нам также потребуются вектора АС{xАС; уАС} и СВ{xСВ; уСВ}. Так как эти вектора сонаправлены, и АС в k раз длиннее, то
Абсолютно аналогичные образования приведут к такому же выражению для коор-ты у:
Рассмотрим на примерах использование этой формулы.
Задание. На отрезке РM отложена точка K так, что она разбивает РM на отрезки РK и KM в отношении РK:KM = 2:1. Даны коор-ты точек: Р(6; 3) и К (18; 12). Вычислите коор-ты K.
Решение.
Отношение РК:КМ = 2:1 означает, что отрезок РК в 2 раза длиннее, чем КМ. Это означает, что в формуле
Задание. Точки B (5; – 16) и H(29; 24) соединены отрезком. Точка M на отрезке ВН отмечена так, что ВМ:МН = 3:5. Определите коор-ты точки М.
Решение. Из отношения ВМ:МН = 3:5 вытекает, что ВМ длиннее МН в
3/5 = 0,6 раз
то есть фактически ВМ короче МН. То есть при использовании формулы
Рассмотрим ещё несколько более усложненных задач с использованием коор-т.
Задание. Точка K лежит на оси Ох, при этом она равноудалена от точек Е(2; 2) и F(6; 10). Найдите коор-ты К.
Решение. У любой точки, лежащей на оси Ох, коор-та у будет равна нулю, в том числе и у точки К:
yk = 0
Будем обозначать неизвестную коор-ту К как х:
xk = x
Напомним расстояние между точками можно рассчитать, используя формулу:
Получили иррациональное уравнение. В данном случае можно просто приравнять подкоренные выражения, однако после получения корней надо проверить, нет ли среди них посторонних:
Проверяем, не является ли корень посторонним. Для этого просто подставляем его в уравнение:
Корень действительно подошел, поэтому коор-та х точки К равна 16.
Ответ: (16; 0).
Введение прямоугольной системы координат
Даже если в формулировке задачи коор-ты и вектора прямо не упоминаются, может быть полезным самостоятельно добавить в нее прямоугольную систему координат. Это позволит использовать формулы, используемые в методе коор-т, для решения задачи.
Задание. Докажите, что если в параллелограмме сложить квадраты всех его сторон, то получится то же число, что и при сложении квадратов диагоналей этого параллелограмма.
Решение. Расположим систему коор-т таким образом, одна из сторон параллелограмма находилась на оси Ох, причем одна ее вершина совпадала с началом коор-т, а другая имела положительную коор-ту х:
Пусть вершина А находится в начале коор-т, и тогда она имеет коор-ты (0; 0). Вершина D лежит на Ох, тогда ее ордината равна нулю, а абсциссу обозначим буквой а. Точка В имеет произвольные коор-ты (b; с), коор-ты же точки С можно рассчитать. Сначала заметим, что вектор коор-ты вектора АВ совпадают с коор-тами точки В, так как он является радиус-вектором:
Вектора АВ и DC равны, потому что они лежат на параллельных прямых и имеют одинаковую длину:
Итак, коор-ты С – это (а + b; с).
Теперь мы должны длину каждой стороны параллелограмма и возвести ее в квадрат. Обратите внимание, что если расстояние между точками рассчитывается по формуле
Равенство доказано.
Задание. В равнобедренном треугольнике длина основания составляет 80 см, а опущенная на нее медиана имеет длину 160 см. Вычислите длины двух других медиан.
Решение. Пусть АВС – рассматриваемый в задаче треугольник, причем АВ – его основание. Расположим систему коор-т так, чтобы ее начало совпадало с точкой, в которой медиана пересекается с основанием:
В этом случае вершина, из которой опущена медиана, будет иметь коор-ты (0; 160), а две другие вершины будут иметь коор-ты (– 40; 0) и (40; 0).
Нам надо найти длину двух других медиан АM и BN. Они одинаковы по длине, поэтому достаточно найти длину только одной из них, например, АМ. Для этого сначала найдем коор-ты М, которая является серединой ВС:
Сегодня мы познакомились с важнейшими формулами, используемыми в методе коор-т, и научились решать некоторые простейшие задачи. В будущем мы узнаем о более сложных задачах, в которых будут фигурировать не только отрезки и многоугольники, но и окружности.
Ранее
вы уже сталкивались с координатами, но указывали их для точек. При этом
работали в прямоугольной координатной плоскости, для задания которой необходимо
было провести две взаимно перпендикулярные прямые с выбранными на них
направлениями (их называют координатными осями) и выбрать единицу измерения на
каждой из осей.
Это
и позволяло определить координаты любой точки.
На
этом уроке нам предстоит выяснить, что называют координатами вектора.
С
прошлых занятий вам известно, что любой вектор на плоскости можно разложить по
двум неколлинеарным векторам.
От
точки О начала координат отложим векторы ,
длины которых равны единице (в дальнейшем будем называть такие векторы
единичными), так, чтобы направление вектора совпадало с
направлением оси x, а направление вектора совпадало
с направлением оси y.
Тогда
векторы будем
называть координатными векторами. Понятно, что любой вектор можно разложить по
векторам .
Причём коэффициенты разложения, числа x
и y, определяются единственным образом.
Так
вот коэффициенты разложения вектора по координатным
векторам называют координатами вектора в данной системе
координат.
Координаты
вектора будем записывать в фигурных скобках через точку с
запятой. При этом первым будем записывать коэффициент разложения x,
а вторым — y.
На
одном из прошлых занятий мы разлаживали векторы, изображённые в координатной
плоскости по векторам .
Пользуясь
этими разложениями, запишем координаты данных векторов.
Итак,
вектор имеет
координаты .
Вектор имеет
координаты .
Координатами
вектора являются
числа ..
Ну,
а координатами вектора будут
числа .
Обратите
внимание, что такие координаты данные векторы будут иметь только в конкретной
системе координат и при конкретных координатных векторах .
Коэффициенты
разложения нулевого вектора по векторам равны
нулю. Тогда получаем, что нулевой вектор имеет координаты 0 0, причём в любой
системе координат и при любых координатных векторах.
Если
векторы равны, то их разложения по векторам также
будут равны, а значит, равны будут и коэффициенты разложения. Таким образом,
получаем, что координаты равных векторов соответственно равны.
Рассмотрим
ещё один особенный случай — противоположные векторы.
Их
разложения противоположны. Значит, противоположны будут и соответственные
координаты.
Можем
подытожить, что координаты равных векторов соответственно равны, а координаты
противоположных векторов соответственно противоположны.
Пользуясь
полученными выводами, для каждого из данных векторов запишем противоположный и
укажем его координаты.
; ; ; ; .
Задача. Разложить векторы по
координатным векторам и , указать их координаты.
Начнём
с вектора .
Его разложение .
Значит, его координатами будут числа 7 и 2.
Далее
запишем разложение вектора .
Коэффициенты разложения 6 и -1 являются его координатами.
Вектор
. Коэффициенты разложения
равны 0 и 3. Значит, вектор .
Следующим
рассмотрим вектор .
Значит, координаты вектора .
Далее обратим своё внимание на вектор . Тогда
координаты данного вектора .
Запишем разложение вектора . Значит, он
имеет координаты .
Последним рассмотрим вектор . Тогда
получаем, .
Видим, что для определения координат вектора достаточно его
разложения по координатным векторам. Поэтому при наличии разложения вектора
можно сразу назвать его координаты. Главное — помнить, что в качестве первой
координаты записывают коэффициент разложения при координатном векторе,
коллинеарном оси x (в данном случае — это вектор ), а в
качестве второй координаты — коэффициент разложения при координатном векторе,
коллинеарном оси y (в данном случае — это вектор ).
Запишем координаты векторов, пользуясь их разложениями по
координатным векторам .
Из разложения вектора видим, что он имеет координаты
.
, то ;
, то ;
, то ;
, то .
А
теперь, пользуясь только координатами данных векторов, построим их в
прямоугольной координатной плоскости, откладывая каждый вектор от точки О
начала координат.
Координатами
вектора являются
числа 8 и -1. Значит, чтобы переместиться из точки О на вектор , сначала нужно
переместиться на вектор ,
а затем на вектор .
Соединив точку О с конечной точкой, получим вектор .
Далее
изобразим вектор .
Для этого из точки О переместимся на вектор .
Тем самым получим искомый вектор .
Чтобы
из точки О переместиться на вектор сначала
переместимся на вектор ,,
а затем на вектор .
Проведём вектор из точки О в конечную точку. Так мы получили вектор .
Далее
построим вектор .
Последним
построим вектор .
Перемещение на этот вектор состоит из перемещений на вектор и на вектор . Перемещение из точки О
в конечную точку и задаёт вектор
Так
мы рассмотрели примеры построения вектора по его координатам.
Далее,
пользуясь приобретёнными знаниями о координатах вектора, получим правила
нахождения координат векторов, полученных уже известными вам действиями:
сложением, вычитанием и умножением вектора на число.
Сначала
рассмотрим сумму двух векторов , .
Пользуясь
их координатами, можем записать разложения данных векторов по координатным
векторам , .
Сложим
полученные равенства .
Пользуясь свойствами сложения векторов и произведения вектора на число,
получаем, что координаты вектора суммы векторов и равны , .
Можем
записать правило.
Каждая
координата суммы двух и более векторов равна сумме соответствующих координат
этих векторов.
Найдём
координаты векторов суммы, если вектор ,
, , .
Координаты
вектора суммы и
равны .
Координаты
вектора суммы ,
, равны .
Теперь
рассмотрим разность векторов –.
Из
разложения вектора вычтем
разложение вектора .
Получаем,
что координаты вектора разности равны .
Запишем
правило. Каждая координата разности двух векторов равна разности
соответствующих координат данных векторов.
Разность
векторов и
имеет координаты .
Разность
векторов и
имеет координаты .
Далее
получим координаты произведения вектора на число k.
Получаем,
что координаты произведения равны .
Запишем
правило. Каждая координата произведения вектора на число равна произведению
соответствующей координаты вектора на это число.
Найдём
координаты вектора 4.
Они равны .
Координаты
вектора 2,5 равны
.
Вектор
3 имеет координаты .
Ну,
а вектор имеет
координаты .
Все
три правила, полученные нами, в дальнейшем помогут определять координаты любого
вектора, представленного в виде алгебраической суммы данных векторов с
известными координатами.
Задача.
Найти
координаты векторов и
по координатам
данных векторов ,
, , .
Представим
это выражение в виде суммы.
Вектор
имеет координаты , или .
Вектор
имеет
координаты ,
или .
Координаты
вектора . А вот координаты
вектора .
Координаты
вектора найдём
как суммы соответствующих координат полученных векторов. В результате получаем,
что имеет
координаты
Далее
найдём координаты вектора .
Запишем второй множитель в виде суммы. Координаты векторов и . Вектор имеет координаты , или . Вектор .
Сумма
полученных векторов будет иметь координаты .
Произведение
этого вектора на 3 имеет координаты .
Это и есть координаты вектора .
Подведём
итоги урока. Сегодня, пользуясь уже известным правилом разложения вектора по
двум неколлинеарным векторам, мы ввели понятие координатных векторов и дали
определение координатам вектора. А также получили правила нахождения координат
векторов суммы векторов, разности векторов и произведения вектора на число.
Этих правила позволяют определять координаты векторов, представленных в виде
алгебраической суммы данных векторов с известными координатами.
На
следующем уроке мы найдём связь между координатами вектора и координатами его
начала и конца.
Марина Николаевна Ковальчук
Эксперт по предмету «Геометрия»
Задать вопрос автору статьи
Прямоугольная система координат
Чтобы определить понятие координат точек, нам необходимо ввести систему координат, в которой мы и будем определять ее координаты. Одна и та же точка в разных системах координат может иметь различные координаты. Здесь мы будем рассматривать прямоугольную систему координат в пространстве.
Возьмем в пространстве точку $O$ и введем для нее координаты $(0,0,0)$. Назовем ее началом системы координат. Проведем через нее три взаимно перпендикулярные оси $Ox$, $Oy$ и $Oz$, как на рисунке 1. Эти оси будут называться осями абсцисс, ординат и аппликат, соответственно. Осталось только ввести масштаб на осях (единичный отрезок) – прямоугольная система координат в пространстве готова (рис. 1)
Рисунок 1. Прямоугольная система координат в пространстве. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Координаты точки
Теперь разберем, как определяют в такой системе координаты любой точки. Возьмем произвольную точку $M$ (рис. 2).
Рисунок 2. Произвольная точка. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Построим на координатных осях прямоугольный параллелепипед, так, что точки $O$ и $M$ противоположные его вершины (рис. 3).
Рисунок 3. Построение прямоугольного параллелепипеда. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
«Координаты точки и координаты вектора. Как найти координаты вектора» 👇
Тогда точка $M$ будет иметь координаты $(X,Y,Z)$, где $X$ – значение на числовой оси $Ox$, $Y$ – значение на числовой оси $Oy$, а $Z$ – значение на числовой оси $Oz$.
Пример 1
Необходимо найти решение следующей задачи: написать координаты вершин параллелепипеда, изображенного на рисунке 4.
Рисунок 4. Параллелепипед. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Решение.
Точка $O$ начало координат, следовательно, $O=(0,0,0)$.
Точки $Q$, $N$ и $R$ лежат на осях $Ox$, $Oz$ и $Oy$, соответственно, значит
$Q=(2,0,0)$, $N=(0,0,1.5)$, $R=(0,2.5,0)$
Точки $S$, $L$ и $M$ лежат в плоскостях $Oxz$, $Oxy$ и $Oyz$, соответственно, значит
$S=(2,0,1.5)$, $L=(2,2.5,0)$, $R=(0,2.5,1.5)$
Точка $P$ имеет координаты $P=(2,2.5,1.5)$
Координаты вектора по двум точкам и формула нахождения
Чтобы узнать, как найти вектор по координатам двух точек, необходимо рассмотреть введенную нами ранее систему координат. В ней от точки $O$ по направлению оси $Ox$ отложим единичный вектор $overline{i}$, по направлению оси $Oy$ – единичный вектор $overline{j}$, а единичный вектор $overline{k}$ нужно направлять по оси $Oz$.
Для того чтобы ввести понятие координат вектора, введем следующую теорему (здесь ее доказательство мы рассматривать не будем).
Теорема 1
Произвольный вектор в пространстве может быть разложен по трем любым векторам, которые не лежат в одной плоскости, причем коэффициенты в таком разложении будут единственным образом определены.
Математически это выглядит следующим образом:
$overline{δ}=moverline{α}+noverline{β}+loverline{γ}$
Так как векторы $overline{i}$, $overline{j}$ и $overline{k}$ построены на координатных осях прямоугольной системы координат, то они, очевидно, не будут принадлежать одной плоскости. Значит любой вектор $overline{δ}$ в этой системе координат, по теореме 1, может принимать следующий вид
$overline{δ}=moverline{i}+noverline{j}+loverline{k}$ (1)
где $n,m,l∈R$.
Определение 1
Три вектора $overline{i}$, $overline{j}$ и $overline{k}$ будут называться координатными векторами.
Определение 2
Коэффициенты перед векторами $overline{i}$, $overline{j}$ и $overline{k}$ в разложении (1) будут называться координатами этого вектора в заданной нами системе координат, то есть
$overline{δ}=(m,n,l)$
Линейные операции над векторами
Теорема 2
Теорема о сумме: Координаты суммы любого числа векторов определяются суммой их соответствующих координат.
Доказательство.
Будем доказывать эту теорему для 2-х векторов. Для 3-х и более векторов доказательство строится аналогичным образом. Пусть $overline{α}=(α_1,α_2,α_3)$, $overline{β}=(β_1,β_2 ,β_3)$.
Эти вектора можно записать следующим образом
$overline{α}=α_1overline{i}+ α_2overline{j}+α_3overline{k}$, $overline{β}=β_1overline{i}+ β_2overline{j}+β_3overline{k}$
$overline{α}+overline{β}=α_1overline{i}+α_2overline{j}+α_3overline{k}+β_1overline{i}+ β_2overline{j}+β_3overline{k}=(α_1+β_1 )overline{i}+(α_2+β_2 )overline{j}+(α_3+β_3)overline{k}$
Следовательно
$overline{α}+overline{β}=(α_1+β_1,α_2+β_2,α_3+β_3)$
Теорема доказана.
Замечание 1
Замечание: Аналогично, находится решение разности нескольких векторов.
Теорема 3
Теорема о произведении на число: Координаты произведения произвольного вектора на действительное число определяется произведением координат на это число.
Доказательство.
Возьмем $overline{α}=(α_1,α_2,α_3)$, тогда $overline{α}=α_1overline{i}+α_2overline{j}+α_3overline{k}$, а
$loverline{α}=l(α_1overline{i}+ α_2overline{j}+α_3overline{k})=lα_1overline{i}+ lα_2overline{j}+lα_3overline{k}$
Значит
$koverline{α}=(lα_1,lα_2,lα_3)$
Теорема доказана.
Пример 2
Пусть $overline{α}=(3,0,4)$, $overline{β}=(2,-1,1)$. Найти $overline{α}+overline{β}$, $overline{α}-overline{β}$ и $3overline{α}$.
Решение.
$overline{α}+overline{β}=(3+2,0+(-1),4+1)=(5,-1,5)$
$overline{α}-overline{β}=(3-2,0-(-1),4-1)=(1,1,3)$
$3overline{α}=(3cdot 3,3cdot 0,3cdot 4)=(9,0,12)$
Находи статьи и создавай свой список литературы по ГОСТу
Поиск по теме