Научная работа "применение векторов к решению задач". Свойство средней линии треугольника

Треугольник - это одна из самых распространенных геометрических фигур, с которой мы знакомимся уже в начальной школе. С вопросом, как найти площадь треугольника, сталкивается каждый школьник на уроках геометрии. Так, какие же особенности нахождения площади данной фигуры можно выделить? В данной статье мы рассмотрим основные формулы, необходимые для выполнения такого задания, а также разберем виды треугольников.

Виды треугольников

Найти площадь треугольника можно абсолютно разными способами, потому что в геометрии выделяется не один вид фигур, содержащих три угла. К таким видам относятся:

• Тупоугольный.
• Равносторонний (правильный).
• Прямоугольный треугольник.
• Равнобедренный.

Рассмотрим подробнее каждый из существующих типов треугольников.

Такая геометрическая фигура считается наиболее распространенной при решении геометрических задач. Когда возникает необходимость начертить произвольный треугольник, на помощь приходит именно этот вариант.

В остроугольном треугольнике, как понятно по названию, все углы острые и в сумме составляют 180°.

Такой треугольник также очень распространен, однако встречается несколько реже остроугольного. Например, при решении треугольников (т. е. известно несколько его сторон и углов и нужно найти оставшиеся элементы) иногда требуется определить, является угол тупым или нет. Косинус - это отрицательное число.

В величина одного из углов превышает 90°, поэтому оставшиеся два угла могут принимать маленькие значения (например, 15° или вовсе 3°).

Чтобы найти площадь треугольника данного типа, необходимо знать некоторые нюансы, о которых мы поговорим дальше.

Правильный и равнобедренный треугольники

Правильным многоугольником называется фигура, включающаяся в себя n углов, у которой все стороны и углы равны. Таким и является правильный треугольник. Так как сумма всех углов треугольника составляет 180°, то каждый из трех углов равен 60°.

Правильный треугольник, благодаря его свойству, также называют равносторонней фигурой.

Стоит также отметить, что в правильный треугольник можно вписать только одну окружность и около него можно описать только одну окружность, причем их центры расположены в одной точке.

Помимо равностороннего типа, можно также выделить равнобедренный треугольник, несильно от него отличающийся. В таком треугольнике две стороны и два угла равны между собой, а третья сторона (к которой прилегают равные углы) является основанием.

На рисунке показан равнобедренный треугольник DEF, углы D и F которого равны, а DF является основанием.

Прямоугольный треугольник

Прямоугольный треугольник назван так потому, что один из его углов прямой, то есть равен 90°. Другие же два угла в сумме составляют 90°.

Самая большая сторона такого треугольника, лежащая против угла в 90° является гипотенузой, остальные же две его стороны - это катеты. Для данного типа треугольников применима теорема Пифагора:

Сумма квадратов длин катетов равна квадрату длины гипотенузы.

На рисунке изображен прямоугольный треугольник BAC с гипотенузой AC и катетами AB и BC.

Чтобы найти площадь треугольника с прямым углом, нужно знать числовые значения его катетов.

Перейдем к формулам нахождения площади данной фигуры.

Основные формулы нахождения площади

В геометрии можно выделить две формулы, которые подходят для нахождения площади большинства видов треугольников, а именно для остроугольного, тупоугольного, правильного и равнобедренного треугольников. Разберем каждую из них.

По стороне и высоте

Данная формула является универсальной для нахождения площади, рассматриваемой нами фигуры. Для этого достаточно знать длину стороны и длину проведенной к ней высоты. Сама формула (половина произведения основания на высоту) выглядит следующим образом:

где A - сторона данного треугольника, а H - высота треугольника.

Например, чтобы найти площадь остроугольного треугольника ACB, нужно умножить его сторону AB на высоту CD и разделить получившееся значение на два.

Однако не всегда бывает легко найти площадь треугольника таким способом. Например, чтобы воспользоваться этой формулой для тупоугольного треугольника, необходимо продолжить одну из его сторон и только после этого провести к ней высоту.

На практике данная формула применяется чаще остальных.

По двум сторонам и углу

Данная формула, как и предыдущая подходит для большинства треугольников и по своему смыслу является следствием формулы нахождения площади по стороне и высоте треугольника. То есть рассматриваемую формулу можно легко вывести из предыдущей. Ее формулировка выглядит так:

S = ½*sinO*A*B,

где A и B - это стороны треугольника, а O - угол между сторонами A и B.

Напомним, что синус угла можно посмотреть в специальной таблице, названной в честь выдающегося советского математика В. М. Брадиса.

А теперь перейдем к другим формулам, подходящим только для исключительных видов треугольников.

Площадь прямоугольного треугольника

Помимо универсальной формулы, включающей в себя необходимость проводить высоту в треугольнике, площадь треугольника, содержащего прямой угол, можно найти по его катетам.

Так, площадь треугольника, содержащего прямой угол, - это половина произведения его катетов, или:

где a и b - катеты прямоугольного треугольника.

Правильный треугольник

Данный вид геометрических фигур отличается тем, что его площадь можно найти при указанной величине лишь одной его стороны (так как все стороны правильного треугольника равны). Итак, встретившись с задачей «найти площадь треугольника, когда стороны равны», нужно воспользоваться следующей формулой:

S = A 2 *√3 / 4,

где A - это сторона равностороннего треугольника.

Формула Герона

Последний вариант для нахождения площади треугольника - это формула Герона. Для того чтобы ею воспользоваться, необходимо знать длины трех сторон фигуры. Формула Герона выглядит так:

S = √p·(p - a)·(p - b)·(p - c),

где a, b и c - это стороны данного треугольника.

Иногда в задаче дано: «площадь правильного треугольника - найти длину его стороны». В данном случае нужно воспользоваться уже известной нам формулой нахождения площади правильного треугольника и вывести из нее значение стороны (или ее квадрата):

A 2 = 4S / √3.

Экзаменационные задачи

В задачах ГИА по математике встречаются множество формул. Помимо этого, достаточно часто необходимо найти площадь треугольника на клетчатой бумаге.

В данном случае удобнее всего провести высоту к одной из сторон фигуры, определить по клеткам ее длину и воспользоваться универсальной формулой для нахождения площади:

Итак, после изучения представленных в статье формул, у вас не возникнут проблемы при нахождении площади треугольника любого вида.

Формул для вычисления площади треугольника в интернете можно найти свыше 10. Немало из них применяется в задачах с известными сторонами и углами треугольника. Однако есть ряд сложных примеров где по условию задания известны только одна сторона и углы треугольника, или радиус описанной или вписанной окружности и еще одна характеристика. В таких случаях простую формулу применить не удастся.

Приведенные ниже формулы позволят решить 95 процентов задач в которых требуется найти площадь треугольника.
Перейдем к рассмотрению распространенных формул площади.
Рассмотрим треугольник изображен на рисунке ниже

На рисунке и далее в формулах введены классические обозначения всех его характеристик
a,b,c – стороны треугольника,
R – радиус описанной окружности,
r – радиус вписанной окружности,
h[b],h[a],h[c] – высоты, проведенные в соответствии со сторонами a,b,c.
alpha, beta,hamma – углы возле вершин.

Основные формулы площади треугольника

1. Площадь равна половине произведения стороны треугольника на высоту опущенной к этой стороне. На языке формул это определение можно записать так

Таким образом, если известна сторона и высота - то площадь найдет каждый школьник.
Кстати, из этой формулы можно вывести одну полезную зависимость между высотами

2. Если учесть, что высота треугольника через соседнюю сторону выражается зависимостью

То с первой формулы площади следуют однотипные вторые

Внимательно посмотрите на формулы - их легко запомнить, поскольку в произведении фигурирует две стороны и угол между ними. Если правильно обозначить стороны и углы треугольника (как на рисунке выше) то получим две стороны a,b и угол связан с третьей С (hamma).

3. Для углов треугольника справедливо соотношение

Зависимость позволяет применять в вычислениях следующие формулы площади треугольника

Примеры на эту зависимость встречаются крайне редко, но помнить что есть такая формула Вы должны.

4. Если известна сторона и два прилегающих угла то площадь находится по формуле

5. Формула площади через сторону и котангенс прилегающих углов следующая

Перестановкой индексов можете получить зависимости для других сторон.

6. Приведенная ниже формула площади используется в задачах когда вершины треугольника заданы на плоскости координатами . В этом случае площадь равна половине определителя взятого по модулю.

7. Формула Герона применяют в примерах с известными сторонами треугольника.
Сначала находят полупериметр треугольника

А затем определяют площадь по формуле

или

Ее довольно часто используют в коде программ калькуляторов.

8. Если известны все высоты треугольника то площадь определяют по формуле

Она сложна для вычисления на калькуляторе, однако в пакетах MathCad, Mathematica, Maple площадь находится на «раз два ».

9. Следующие формулы используют известны радиусы вписанных и описанных окружностей.

В частности, если известно радиус и стороны треугольника, или его периметр то площадь вычисляется согласно формуле

10. В примерах где задано стороны и радиус или диаметр описанной окружности площадь находят по формуле

11. Следующая формула определяет площадь треугольника через сторону и углы треугольника.

Ну и напоследок - частные случаи:
Площадь прямоугольного треугольника с катетами a и b равна половине их произведения

Формула площади равностороннего (правильного) треугольника =

= одной четвертой произведения квадрату стороны на корень из тройки.

Шарандова Валентина

В работе представлены исторические аспекты векторного исчисления. Приведено решение задач с помощью понятия и свойств вектора.

Скачать:

Предварительный просмотр:

АДМИНИСТРАЦИЯ ГОРОДА НИЖНЕГО НОВГОРОДА

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 138

Научная работа по геометрии

Тема: Применение векторов к решению задач

Работу выполнила: Шарандова Валентина Александровна

ученица 9а класса

МБОУ СОШ №138

Научный руководитель: Седова Ирина Георгиевна

учитель математики

2013

Введение 3

Глава 1. Понятие вектора. 5

1.1.Исторические аспекты векторного исчисления 5

1. 2.Понятие вектора 7

Глава 2. Операции над векторами 11

2.1. Сумма двух векторов 11

2.2. Основные свойства сложения векторов 12

2.3. Сложение нескольких векторов 13

2.4. Вычитание векторов 14

2.5. Модули сумм и разностей векторов 16

2.6. Произведение вектора на число 16

Глава 3. Координаты вектора 20

3.1. Разложение вектора по координатным векторам 20

3.2. Координаты вектора 21

Глава 4. Примирение векторов к решению задач. 23

Заключение 27

Список литературы 28

ВВЕДЕНИЕ

Многие физические величины, например сила, перемещение материальной точки, скорости, характеризуются не только своим числовым значением, но и направлением в пространстве. Такие физические величины называются векторными величинами (или коротко векторами).

Вектор – одно из основных геометрических понятий. Вектор характеризуется числом (длиной) и направлением. Наглядно его можно представить себе в виде направленного отрезка, хотя, говоря о векторе, правильнее иметь в виде целый класс направленных отрезков, которые все параллельны между собой, имеют одинаковую длину и одинаковое направление. Примерами физических величин, которые имеют векторный характер, могут служить скоростью (поступательно движущегося тела), ускорение, сила и др.

Понятие векторы появилось в работах немецкого математика 19 в. Г. Грассмана и ирландского математика У. Гамильтона; затем оно было охотно воспринято многими математиками и физиками. В современной математике и ее приложениях это понятие играет важнейшую роль. Векторы применяются в классической механике Галилея – Ньютона (в ее современном изложении), в теории относительности, квантовой физике, в математической экономике и многих других разделах естествознания, не говоря уже о применении векторов в различных областях математике.

В современной математике и теперь не мало внимания уделяется векторам. С помощью векторного метода решаются сложные задачи. Увидеть использование векторов мы можем в физике, астрономии, биологии и других современных науках. Познакомившись с этой темой на уроках геометрии, мне захотелось рассмотреть её подробнее. Поэтому для себя определяю следующее:

Цель моей работы

1. Рассмотреть более подробно темы школьного курса геометрии за 8-9 классы, в которых рассказывается о векторах;
2. Привести примеры задач в решении которых применяются вектора.

Задачи :

1. Рассмотреть исторический материал по данной теме.
2. Выделить основные теоремы, свойства и правила.
3. Научиться решать задачи рассмотренным методом.

ГЛАВА 1. ПОНЯТИЕ ВЕКТОРА.

1.1. ИСТОРИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВЕКТОРНОГО ИСЧИСЛЕНИЯ

Многие историки считают «родителями векторного пространства» ирландского учёного XIX в. У. Гамильтона, а также его немецких коллег и современников Г. Грассмана. Даже сам термин «вектор» ввел также Гамильтон около 1845 г.

Между тем историю векторного исчисления, как историю и корни всякой крупной математической теории, можно проследить задолго до его выделения в самостоятельный раздел математики. Так еще Архимед в его всем известном законе присутствует величина, характеризующаяся не только численным значением, но и направлением. Более того: векторный характер сил, скоростей и перемещений в пространстве был знаком многим ученым Античного времени, а «правило параллелограмма» сложения векторов было известно еще в IV в. Р. Х. математикам школы Аристотеля. Вектор обычно изображался отрезком с указанным на нем направлением, т.е. направленным отрезком.

Параллельно с исследованиями комплексных чисел в работах многих математиков XVII-XVIII в.в., занимавшихся геометрическими проблемами, можно увидеть нарастание потребности в неком геометрическом исчислении, подобном численному (исчислению действительных чисел), но связанному с пространственной системой координат. Его в какой-то мере пытался создать еще Лейбниц, продумывая свою «универсальную арифметику», но, несмотря на гениальность и необычайную широту интересов, сделать это ему не удалось. Однако уже к концу XVIII в. отдельные идеи векторного исчисления, которое и стало тем исчислением, что искали геометры, смог сформулировать французский ученый Л. Карно. А в 30-х годах XIX в. у Гамильтона и Грассмана в работах по теории комплексных чисел и кватернионов эти идеи были сформулированы уже совершенно прозрачно, хотя, по существу, что удивительно, они имели дело только с некоторыми примерами тех конечномерных векторных пространств, которые теперь бы мы назвали – координатными.

Так называемые функциональные векторные пространства привлекли внимание математиков уже в начале нашего века рослее инновационных результатов в этой области итальянца С. Пинкерля и немецкого математика О. Теплица, который известен своими работами по теории матриц, и, в частности, тем, что придумал удачную общую модель векторного пространства – координатное векторное пространство. Именно Хевисайд ввел в 1891 г. одно из закрепившихся в научной литературе обозначающий вектора: а , автором двух других общепринятых ныне обозначений векторов: ā был Ж. Арган, а для обозначения свободного вектора предложил А. Мебиус. Термин «скалярный» в современном смысле впервые употребил У. Гамильтон в 1843 г.

Таким образом, векторное исчисление – это раздел математики, в котором изучаются свойства операций над векторами. Векторное исчисление подразделяют на векторную алгебру и векторный анализ. Возникновение векторного исчисления тесно связано с потребностями механики и физики.

1.2. ПОНЯТИЕ ВЕКТОРА

Многие геометрические и физические величины полностью определяются, если задана их числовая характеристика. Такими величинами являются длина линии, объем тела, масса, работа, температура и т. д. Число, характеризующее ту или иную величину, получается в результате сравнения ее с выбранным эталоном, принятым за единицу измерения. Такие величины в математике называются скалярными величинами или просто скалярами.

Однако иногда встречаются величины более сложной природы, которые не могут быть полностью охарактеризованы их числовым значением. К подобным величинам относятся сила, скорость, ускорение и т. д. Для полной характеристики указанных величин, кроме числового значения, необходимо указать их направление. Такие величины в математике называются векторными величинами или векторами.

Для графического изображения векторов пользуются направленными отрезками прямой. В элементарной геометрии, как известно, отрезком называется совокупность двух различных точек А и В вместе со всеми точками прямой, лежащими между ними. Точки А и В называются концами отрезка, при этом порядок, в котором они берутся, не существен. Однако если отрезок АВ используется для графического изображения векторной величины, то порядок, в котором указаны концы отрезка, становится существенным. Пары точек АВ и В А задают один и тот же отрезок, но различные векторные величины.

В геометрии вектором называется направленный отрезок, т. е. отрезок, для которого указано, какая из концевых его точек считается первой, какая - второй. Первая точка направленного отрезка называется началом вектора, а вторая точка - концом.

Направление вектора на чертеже отмечается стрелкой, обращенной острием к концу вектора.

В тексте вектор записывается двумя заглавными буквами латинского алфавита со стрелкой наверху. Так, на рисунке 1,а изображены векторы , , , , причем А, С, Е, G - соответственно начала, а В, D, F, Н - концы данных

векторов. В некоторых случаях вектор обозначается также - одной строчной буквой, например, , , (рис. 1,б)

1.2.1. НУЛЬ-ВЕКТОР

При определении вектора мы предполагали, что начало вектора не совпадает с его концом. Однако в целях общности будем рассматривать и такие «векторы», у которых начало совпадает с концом. Они называются нулевыми векторами или нуль-векторами и обозначаются символом 0. На чертеже нуль-вектор изображается одной точкой. Если эта точка обозначена, например, буквой К, то нуль-вектор может быть обозначен также через .

1.2.2. КОЛЛИНЕАРНЫЕ ВЕКТОРЫ

Два вектора АВ и CD называются коллинеарными, если они лежат на одной и той же прямой или на параллельных прямых.

Нуль-вектор считается коллинеарным любому вектору.

На рисунке 1,а векторы , , , попарно коллинеарны. На рисунке 2 векторы и коллинеарны, а и не коллинеарны.

Если ненулевые векторы и коллинеарны, то они могут иметь одно и то же или противоположные направления. В первом случае их называют сонаправленными, во втором случае - противоположно направленными.

На рисунке 1,а векторы и сонаправлены, а и или и противоположно направлены. В дальнейшем мы будем пользоваться следующими обозначениями: запись || (или || и коллинеарны; запись (или ) будет означать, что векторы и сонаправлены, а запись - что они имеют противоположные направления. Например, для векторов, изображенных на рисунке 1, а, имеют место соотношения: , , , || , .

1.2.3. МОДУЛЬ ВЕКТОРА

Длиной или модулем ненулевого вектора называется длина отрезка, изображающего данный вектор. Длиной нулевого вектора называется число нуль. Длина вектора обозначается символом | |, или просто АВ (без стрелки наверху!). Длина вектора обозначается так: | | Очевидно, длина вектора равна нулю тогда и только тогда, когда - нулевой вектор. Вектор называется единичным, если его модуль равен единице.

1.2.4. РАВЕНСТВО ВЕКТОРОВ

Два вектора и называются равными, если выполнены следующие условия: а) модули векторов и равны; б) если векторы и ненулевые, то они сонаправлены.

Из этого определения следует, что два нулевых вектора всегда равны; если же один вектор нулевой, а другой отличен от нуля, то они не равны.

Равенство векторов и обозначается так: = .

Понятие равенства векторов обладает свойствами, которые аналогичны свойствам равенства чисел.

Теорема Равенство векторов удовлетворяет следующим условиям:

а) каждый вектор равен самому себе (условие рефлексивности);

б) если вектор равен вектору , то вектор равен вектору (условие симметричности);

в) если вектор равен вектору , а равен вектору , то равен (условие транзитивности).

1.2.5. ПЕРЕНОС ВЕКТОРА В ДАННУЮ ТОЧКУ

Пусть дан некоторый вектор = и произвольная точка А. Построим вектор равный вектору , так, чтобы его начало совпало с точкой А. Для этого достаточно провести через точку А прямую , параллельную прямой EF, и отложить на ней от точки А отрезок AВ, равный отрезку EF. При этом точку В на прямой следует выбрать так, чтобы векторы и были сонаправлены. Очевидно, есть искомый вектор .

ГЛАВА 2.ОПЕРАЦИИ НАД ВЕКТОРАМИ.

2.1. СУММА ДВУХ ВЕКТОРОВ

Суммой двух произвольных векторов и называется третий вектор , который получается следующим образом: от произвольной точки О откладывается вектор , от его конца А откладывается вектор . Получившийся в результате этого построения вектор есть вектор (рис. 3).

На рисунке 4 изображено построение суммы двух коллинеарных векторов: а) сонаправленных, б) противоположно направленных, в) векторов, из которых один нулевой, г) равных по модулю, но противоположно направленных (в этом случае, очевидно, сумма векторов равна нуль-вектору).

Легко видеть, что сумма двух векторов не зависит от выбора исходной точки О. В самом деле, если за исходную точку построения взять точку О", то, как видно из рисунка 3, построение по указанному выше правилу дает вектор , равный вектору .

Очевидно также, что если

Из правила треугольника для сложения двух векторов вытекает простое и очень полезное для решения задач правило: каковы бы ни были три точки A, В и С, имеет место соотношение: + = .

Если слагаемые векторы не коллинеарны, то

для получения их суммы можно пользоваться другим способом - правилом параллелограмма. На рисунке 5 дано построение суммы векторов и

по этому правилу.

2.2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СЛОЖЕНИЯ ВЕКТОРОВ

Теорема Понятие суммы векторов удовлетворяет следующим условиям:

а) для любых трех векторов , и имеет место соотношение:

(+ ) + + ( + ) (ассоциативный закон);

б) для любых двух векторов и имеет место соотношение: + = + , т. е. сумма двух векторов не зависит от порядка слагаемых (коммутативный закон);

в) для любого вектора , имеем: =

г) для каждого вектора существует противоположный вектор , т. е. вектор, удовлетворяющий условию: + = . Все векторы, противоположные данному, равны между собой.

Доказательство.

а) Пусть О - начало, а A -конец вектора

Перенесем вектор в точку A и от его конца В отложим вектор , конец которого обозначим через С (рис.6). Из нашего построения следует,

что (1).

Из правила треугольника имеем: = + и = + , поэтому =( + )+ . Подставив сюда значения слагаемых из (1), получаем:

= (+ ) +

С другой стороны, = + и = + , поэтому = + ( + ). Подставив сюда значения слагаемых из (1), получаем: = + ( + ).

Из этого следует, что векторы (+ ) + + ( + ) равны одному и тому же вектору , поэтому они равны между собой.

г) Пусть = - данный вектор. Из правила треугольника следует, что + = = 0. Отсюда вытекает, что есть вектор, противоположный вектору . Все векторы, противоположные вектору = , равны вектору , так как если каждый из них перенести в точку А, то концы их должны совпадать с точкой О в силу того, что + = . Теорема доказана.

Вектор, противоположный вектору , обозначается .

Из Теоремы следует, что если 0, то и . Также очевидно, что для любого вектора имеем: -(- )= .

Пример 1

В треугольнике ABCD AB=3,BC=4,B=90 0 .

Найти: а); б).

Решение.

а) Имеем:, и, значит,=7.

б) Так как, то.

Теперь, применяя теорему Пифагора, находим

Т. е.

Понятие суммы векторов можно обобщить на случай любого конечного числа слагаемых векторов.

2.3. СЛОЖЕНИЕ НЕСКОЛЬКИХ ВЕКТОРОВ

Суммой трех векторов , и будем считать вектор = (+ ) + . На основании ассоциативного закона (теорема) сложения векторов + ( + ), поэтому при записи суммы трех векторов мы можем опустить скобки и записать ее в виде + + . Больше того, из теоремы следует, что сумма трех векторов не зависит от порядка слагаемых.

Пользуясь доказательством теоремы , можно указать следующий способ построения суммы трех векторов , и . Пусть О - начало вектора . Перенесем вектор в конечную точку вектора , а вектор - в конечную точку вектора . Если С - конечная точка вектора , то + + = ОС (рис. 8).

Обобщая правило, данное для построения суммы трех векторов, можно указать следующее общее правило сложения нескольких векторов. Чтобы построить сумму векторов ,… , достаточно вектор , затем вектор перенести в конечную точку вектора и т. д. Суммой данных векторов будет вектор, начало которого совпадает с началом вектора , а конец - с концом .

Сумма векторов ,… обозначается: …+ . На рисунке 9 дано построение суммы векторов , :

= .

Указанное выше правило построения суммы нескольких векторов называется правилом многоугольника.

2.4. ВЫЧИТАНИЕ ВЕКТОРОВ

Вычитание вводится как операция, обратная сложению. Разностью векторов и называется такой вектор , что + = .

Разность векторов и обозначается так: - .

Таким образом, выражение = - означает, что + = .

Вектор называется уменьшаемым, а вектор - вычитаемым.

Теорема Каковы бы ни были векторы и , всегда существует и единственным образом определяется разность - .

Доказательство. Возьмем произвольную точку О и перенесем векторы и , в эту точку. Если = и = , то вектор есть искомая разность, так как + = , или + = . Данное построение выполнимо при любых векторах и , поэтому разность - всегда существует.

Теперь докажем, что разность определяется единственным образом. Пусть + = и + = . К обеим частям этих равенств прибавим вектор

+ +()= +(),

+ +()= +().

Пользуясь теоремой , после элементарных преобразований получаем: = +(), = +(), поэтому = . Теорема доказана.

Следствия. 1°.Для построения разности двух векторов нужно эти векторы перенести в некоторую точку пространства. Тогда вектор, идущий от конца вычитаемого к концу уменьшаемого, есть искомый вектор.

2°. Для любых двух векторов и имеем: - = +(- т. е. разность двух векторов равна сумме уменьшаемого вектора и вектора, противоположного вычитаемому.

Пример 2

Сторона равнобедренного треугольника ABC равна. Найти : a),

Решение. a) Так как, а, то.

b) Так как, а, то.

2.5. МОДУЛИ СУММ И РАЗНОСТЕЙ ВЕКТОРОВ

Для произвольных векторов и имеют место следующие соотношения:

б) .

В соотношении а) знак равенства имеет место только в случае, если и нулевой.

В соотношении б) знак равенства имеет место только в случае, если или если хотя бы один из векторов и нулевой.

2.6. ПРОИЗВЕДЕНИЕ ВЕКТОРА НА ЧИСЛО.

Произведением вектора (обозначается или) на действительное число называется вектор, коллинеарный вектору, имеющий длину, равную, и то же направление, что и вектор, если 0, и направления, противоположное направлению вектора, если. Так, например, есть вектор, имеющий то же направление, что и вектор, а длину, вдвое большую, чем вектор (рис. 10)

В случае, когда или, произведение представляет собой нулевой вектор. Противоположный вектор можно рассматривать как результат умножения вектора на = -1 (рис. 10): . Очевидно, что.

Пример 3

Доказать, что если O, A, B, и C, - произвольные точки, то.

Решение. Сумма векторов, вектор - противоположный вектору. Поэтому.

Пусть дан вектор. Рассмотрим единичный вектор 0 , коллинеарный вектору и одинаково с ним направленный. Из определения умножения вектора на число следует, что 0, т. е каждый вектор равен произведению его модуля на единичный вектор того же направления. Далее из того же определения следует, что если, где - ненулевой вектор, то векторы и коллинеарны. Очевидно, что и обратно, из коллинеарности вектор и следует, что.

Таким образом, два вектора и коллинеарны тогда и только тогда, когда имеет место равенство.

Умножения вектора на число обладает следующими свойствами:

1.= (сочетательный закон).

2.(первый распределительный закон).

3. (второй распределительный закон).

Рисунок 11 иллюстрирует сочетательный закон. На этом рисунке представлен случай, когда R=2, = 3.

Рисунок 12 иллюстрирует первый распределительный закон. На этом рисунке представлен случай, когда

R=3, =2.

Примечание.

Рассмотренные свойства действий над векторами позволяют в выражениях, содержащих сумму, разности векторов и произведения векторов на числа, выполнять преобразования по тем же правилам, что и в числовых выражениях. Например, выражение можно преобразить так: .

Пример 4 .Коллинеарны ли векторы и?

Решение. Имеем. Значит, данные векторы коллинеарны.

Пример 5. Дан треугольник ABC. Выразите через векторы и следующие векторы: а); б); в).

Решение.

а) Векторы и - противоположные, поэтому, или.

b) По правилу треугольника. Но, поэтому.

в).

Определение : Произведения нулевого вектора на число называется такой вектор, длина которого равна, причем вектор и сонаправлены при и противоположно направлены при. Произведением нулевого вектора на любое число считается нулевой вектор.

Произведение вектора на число обозначается так:.

Из определения произведения вектора на число непосредственно следует, что:

1. произведение любого вектора на число нуль есть нулевой вектор;
2. для любого числа и любого вектора векторы и коллинеарны.

Умножение вектора на число обладает следующим основными свойствами:

Для любых чисел, и любых векторов, справедливы равенства:

1 0 (сочетательный закон).

2 0 (первый распределительный закон).

3 0 (второй распределительный закон ).

ГЛАВА 3. КООРДИНАТЫ ВЕКТОРА.

3.1. РАЗЛОЖЕНИЕ ВЕКТОРА ПО ДВУМ НЕКОЛЛИНЕАРНЫМ ВЕКТОРАМ.

Лемма.

Если векторы и коллинеарны и, то существует число R, что .

Пусть и - два данных вектора. Если вектор представлен в виде, где и - некоторые числа, то говорят, что вектор разложен по векторам и. Числа и называются коэффициентами разложения. Докажем теорему о разложении вектора по двум неколлинеарным векторам.

Теорема.

Любой вектор можно разложить по двум данным неколлинеарным векторам, причем коэффиценты разложения определяются единственным образом.

Доказательство

Пусть и - данные неколлинеарные векторы. Докажем сначала, что любой вектор можно разложить по векторам и. Возможны два случая.

1. Вектор коллинеарен одному из векторов и, например вектору. В этом случае по лемме о коллинеарных векторах вектор можно представить в виде, где - некоторое число, и, следовательно, т.е. вектор разложен по векторам и.
2. Вектор не коллинеарен ни вектору, ни вектору. Отметим какую-нибудь точку и отложим от нее векторы, (рис.11). Через точку P проведем прямую, параллельную прямой, и обозначим через A 1 точку пересечения этой прямой с прямой OA. По правилу треугольника 11 . Но векторы 1 и 1 коллинеарны соответственно векторам и, поэтому существуют числа и? Такие, что 1= ,A 1 . Следовательно, т.е. вектор разложен по векторам и.

Докажем теперь,

Что

Коэффициенты

И разложения определяются единственным образом. Допустим, что наряду с разложением имеем место другое разложение х 1 у 1 . Вычитая второе равенство из первого и используя правила действий над векторами, получаем 1 ) 1 ). Это равенство можно выполнять только в том случае, когда коэффиценты 1 и 1 равны нулю. В самом деле, если предложить, например, что х-х 1 0, то из полученного равенства найдем, а значит, векторы и коллинеарны. Но это противоречие условию теоремы. Следовательно, х-х 1 =0 и у-у 1 =0, откуда х=х 1 и у=у 1 . Это и означает, что коэффиценты разложения вектора определяются единственным образом.

3.2. КООРДИНАТЫ ВЕКТОРА.

Отложим от начала координат O единичные векторы (т.е. векторы, длины которых равны единице) и так, чтобы направления вектора совпало с направление вектора - с направлением оси Oу. Векторы и назовем координатными векторами.

Координатные вектора не коллинеарны, поэтому любой вектор можно разложить по координатным векторам, т.е. представить в виде, причем коэффициенты разложения (числа и у) определяются единственным образом. Коэффициенты разложения вектора по координатам вектора называются координатами вектора в данной системе координат.

Обозначается: .

Правило.

1 0 . Каждая координата суммы двух или более векторов равна сумме соответствующих координат этих векторов.

2 0 . Каждая координата разности двух векторов равна разность соответствующих координат этих векторов.

3 0 . Каждая координата разности двух векторов равна разности соответствующей координаты вектора на это число.

Пример 6

Разложите векторы, по единичным векторам и и найдите их координаты (рис.14)

Решение:

; ;;

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ ВЕКТОРОВ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ.

Задача 1.

Даны точки : A(2;-1), B(5;-3), C(-2;11), D(-5;13). Докажите, что они являются вершинами параллелограмма

Доказательство : Воспользуемся признаком параллелограмма: если в четырехугольнике две стороны равны и параллельны, то этот четырехугольник является параллелограммом. В силу этого признака достаточно показать, что: a); b) точки A, B и D не лежат на одной прямой.

1. Так как A(2;-1), B(5;-3), то; так как C(-2;11), D(-5;13),

то. Итак, .

1. Точки A, B и D лежат на одной прямой, если координаты векторов и пропорциональны. Так как и, то координаты векторов и не пропорциональны, поэтому эти векторы не коллинеарны и, следовательно, точки A,B и D не лежат на одной прямой. Итак, четырехугольник ABCD – параллелограмм, что и требовалось доказать.

Задача 2.

Дано: В трапеции ABCD (рис.15), AD║ BC, ABC =120 0

AD=6 см, AB=3см ,

Найти :.

Решение : По правилу треугольника: , следовательно, . Длина вектора - это длина отрезка BD .

Так как AD║ BC,то 0 - 0 .

Проведем высоту BH трапеции. В прямоугольном треугольнике ABH имеем: (см).

(см).

Из треугольника BHD по теореме Пифагора получаем: BD 2= BH 2 + (AD+AH) 2 =(см) 2 , откуда BD=3см.

Ответ : 3см.

Задача 3.

Пусть M – середина отрезка AB, O – произвольная точка.

Докажите, что.

Решение: Сложив почленно равенства.

Получим: 2

Следовательно,

Задача 4.

Докажите, что если диагонали четырехугольника ABCD перпендикулярны, то и диагонали любого другого четырехугольника с такими же длинами сторон перпендикулярны.

Решение:

Пусть a =, b = , c = и d = . Достаточно проверить, что AC┴BD тогда и только тогда, когда a 2 + c 2 = b 2 + d 2 .

Ясно, что d 2 = |a+b+c| 2 = a 2 + b 2 + c 2 + 2[(a,b) + (b,c) + (c,a)].

Поэтому условие AC ┴ BD, т. е. 0 = (a+b, b+c) = b 2 + (b,c) + (a,c) + (a,b), эквивалентно тому, что d 2 = a 2 + b 2 + c 2 - 2b 2 .

Задача 5.

Пусть M – точка пересечения треугольника ABC. На перпендикулярах, опущенных из M на стороны BC,AC и AB, взяты точки A 1 , B 1 и С 1 соответственно,

причем A 1 B 1 ┴ MC и A 1 C 1 ┴MB.

Докажите, что точка M является точкой пересечением медиан и в треугольнике A 1 B 1 C 1 .

Решение:

Обозначим 1 =,=, 1 =. Пусть A 2 ,B 2 ,C 2 середины сторон BC,AC и AB соответственно. Тогда 2,

B 11 =,

2 =,C 11 =.

По условию задачи, следующие скалярные произведения равны 0:

B 11 B 11,

1111,

1111→

→.

Поскольку и то, 0=.

Аналогично, 0=.

Докажем, что (отсюда будет следовать, что точка пересечения медиан треугольника A 1 B 1 C 1 ).

Действительно, а т.к. векторы и неколлинеарны, то,

а т.к. и неколлинеарны, то

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Перечисленные выше свойства векторных операций во многом похожи на свойства сложения и умножения чисел. В этом состоит удобство векторных операций: вычисления с векторами выполняются по хорошо знакомым правилам. В то же время вектор – геометрический объект, и в определении векторных операций используются такие геометрические понятия, как длина и угол; этим и обедняется польза векторов для геометрии (и ее приложений к физике и другим областям знания). Однако для решения геометрических задач с помощью векторов необходимо, прежде всего, научиться «переводить» условия геометрической задачи на векторный «язык». После такого «перевода» осуществляются алгебраические вычисления с векторами, а за тем полученное векторное решение снова «переводиться на геометрический «язык». В этом и состоит векторное решение геометрических задач.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Атанасян Л.С. Геометрия. 7-9 классы: учеб. для общеобразоват. учреждений / [Л. С. Атанасян, В. Ф. Бутузов, С. Б. Кадомцев и др.]. - 20-е изд. - М. : Издательство «Просвещение», 2010.- 384 с. : ил.
2. Атанасян Л.С. Геометрия. 10-11 классы: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / [Л. С. Атанасян, В. Ф. Бутузов, С. Б. Кадомцев и др.]. - 18-е изд. - М. : Издательство «Просвещение», 2009. - 255 с. : ил.
3. Атанасян Л.С. Изучение геометрии в 7-9 классах. Пособие для учителей/Атанасян Л.С., Бутузов В.Ф., Глазков Ю.А. и др.. - 7-е изд. -М., Издательство «Просвещение», 2009,. -255 с.
4. Атанасян Л.С. Геометрия, ч. I. Учеб. пособие для студентов физ.- мат. фак-тов пед. ин-тов. -М.: Издательство «Просвещение», 1973 - 480 с.: ил
5. Геометрия. 7-9 класс. Программы общеобразовательных учреждений/ сост. Т.А.Бурмистрова.- М.: Издательство «Просвещение», 2010.- 126 с.
6. Геометрия. 10-11 класс. Программы общеобразовательных учреждений/ сост. Т.А. Бурмистрова.- М.: Издательство «Просвещение», 2009. - 96 с.
7. Геометрия.7-11 класс [Электронный ресурс].-Демонстрационные таблицы(258 Мб).-Волгоград: Издательство «Учитель», 2011-1 электрон. опт. диск (CD- ROM)
8. Геометрия.7-11 класс [Электронный ресурс].- Поурочные планы по учебникам Л.С. Атанасяна (135 Мб). - Волгоград: Издательство «Учитель», 2010-1 электрон. опт. диск (CD- ROM)
9. Кушнир А.И. Векторные методы решения задач/ А.И.Кушнир. - Киев: Издательство «Обериг», 1994 – 207с.
10. Потоскуев Е.В. Векторный метод решения стереометрических задач / Е.В.Потоскуев// Математика.-2009.-№6.-с.8-13
11. Потоскуев Е.В. Векторы и координаты как аппарат решения геометрических задач: учебное пособие / Е.В.Потоскуев. – М.: Издательство «Дрофа»,2008.- 173с.
12. Рабочие программы по геометрии: 7-11 классы/ Сост. Н.Ф. Гаврилова.-М.: Издательство «ВАКО», 2011.-192 с.
13. Саакян С. М. Изучение геометрии в 10-11 классах: кн. для учителя / С. М. Саакян, В. Ф. Бутузов.- 4-е изд.,дораб.- М.: Издательство «Просвещение», 2010.- 248 с.

Скалярное произведение векторов

Продолжаем разбираться с векторами. На первом уроке Векторы для чайников мы рассмотрели понятие вектора, действия с векторами, координаты вектора и простейшие задачи с векторами. Если вы зашли на эту страничку впервые с поисковика, настоятельно рекомендую прочитать вышеуказанную вводную статью, поскольку для усвоения материала необходимо ориентироваться в используемых мной терминах, обозначениях, обладать базовыми знаниями о векторах и уметь решать элементарные задачи. Данный урок является логическим продолжением темы, и на нём я подробно разберу типовые задания, в которых используется скалярное произведение векторов. Это ОЧЕНЬ ВАЖНОЕ занятие . Постарайтесь не пропускать примеры, к ним прилагается полезный бонус – практика поможет вам закрепить пройденный материал и «набить руку» на решении распространенных задач аналитической геометрии.

Сложение векторов, умножение вектора на число…. Было бы наивным думать, что математики не придумали что-нибудь ещё. Помимо уже рассмотренных действий, существует ряд других операций с векторами, а именно: скалярное произведение векторов , векторное произведение векторов и смешанное произведение векторов . Скалярное произведение векторов знакомо нам со школы, два других произведения традиционно относятся к курсу высшей математики. Темы несложные, алгоритм решения многих задач трафаретен и понятен. Единственное. Информации прилично, поэтому нежелательно пытаться освоить-прорешать ВСЁ И СРАЗУ. Особенно это касается чайников, поверьте, автор совершенно не хочет чувствовать себя Чикатило от математики. Ну и не от математики, конечно, тоже =) Более подготовленные студенты могут использовать материалы выборочно, в известном смысле, «добирать» недостающие знания, для вас я буду безобидным графом Дракулой =)

Приоткроем же, наконец, дверь и увлечённо посмотрим, что происходит, когда два вектора встречают друг друга….

Определение скалярного произведения векторов.
Свойства скалярного произведения. Типовые задачи

Понятие скалярного произведения

Сначала про угол между векторами . Думаю, всем интуитивно понятно, что такое угол между векторами, но на всякий случай чуть подробнее. Рассмотрим свободные ненулевые векторы и . Если отложить данные векторы от произвольной точки , то получится картинка, которую многие уже представили мысленно:

Признаюсь, здесь я обрисовал ситуацию только на уровне понимания. Если необходимо строгое определение угла между векторами, пожалуйста, обратитесь к учебнику, для практических же задач оно нам, в принципе, ни к чему. Также ЗДЕСЬ И ДАЛЕЕ я буду местами игнорировать нулевые векторы ввиду их малой практической значимости. Оговорку сделал специально для продвинутых посетителей сайта, которые могут меня упрекнуть в теоретической неполноте некоторых последующих утверждений.

может принимать значения от 0 до 180 градусов (от 0 до радиан) включительно. Аналитически данный факт записывается в виде двойного неравенства: либо (в радианах).

В литературе значок угла часто пропускают и пишут просто .

Определение: Скалярным произведением двух векторов и называется ЧИСЛО, равное произведению длин этих векторов на косинус угла между ними:

Вот это вот уже вполне строгое определение.

Акцентируем внимание на существенной информации:

Обозначение: скалярное произведение обозначается через или просто .

Результат операции является ЧИСЛОМ : Умножается вектор на вектор, а получается число. Действительно, если длины векторов – это числа, косинус угла – число, то их произведение тоже будет числом.

Сразу пара разминочных примеров:

Пример 1

Решение: Используем формулу . В данном случае:

Ответ:

Значения косинуса можно найти в тригонометрической таблице . Рекомендую её распечатать – потребуется практически во всех разделах вышки и потребуется много раз.

Чисто с математической точки зрения скалярное произведение безразмерно, то есть результат, в данном случае , просто число и всё. С точки же зрения задач физики скалярное произведение всегда имеет определенный физический смысл, то есть после результата нужно указать ту или иную физическую единицу. Канонический пример по вычислению работы силы можно найти в любом учебнике (формула в точности представляет собой скалярное произведение). Работа силы измеряется в Джоулях, поэтому, и ответ запишется вполне конкретно, например, .

Пример 2

Найти , если , а угол между векторами равен .

Это пример для самостоятельного решения, ответ в конце урока.

Угол между векторами и значение скалярного произведения

В Примере 1 скалярное произведение получилось положительным, а в Примере 2 – отрицательным. Выясним, от чего зависит знак скалярного произведения. Смотрим на нашу формулу: . Длины ненулевых векторов всегда положительны: , поэтому знак может зависеть только от значения косинуса.

Примечание: Для более качественного понимания нижеприведенной информации лучше изучить график косинуса в методичке Графики и свойства функции . Посмотрите, как ведёт себя косинус на отрезке .

Как уже отмечалось, угол между векторами может изменяться в пределах , и при этом возможны следующие случаи:

1) Если угол между векторами острый : (от 0 до 90 градусов), то , и скалярное произведение будет положительным сонаправлены , то угол между ними считается нулевым , и скалярное произведение также будет положительным. Поскольку , то формула упрощается: .

2) Если угол между векторами тупой : (от 90 до 180 градусов), то , и, соответственно, скалярное произведение отрицательно : . Особый случай: если векторы направлены противоположно , то угол между ними считается развёрнутым : (180 градусов). Скалярное произведение тоже отрицательно, так как

Справедливы и обратные утверждения:

1) Если , то угол между данными векторами острый. Как вариант, векторы сонаправлены.

2) Если , то угол между данными векторами тупой. Как вариант, векторы направлены противоположно.

Но особый интерес представляет третий случай:

3) Если угол между векторами прямой : (90 градусов), то и скалярное произведение равно нулю : . Обратное тоже верно: если , то . Компактно утверждение формулируется так: Скалярное произведение двух векторов равно нулю тогда и только тогда, когда данные векторы ортогональны . Короткая математическая запись:

! Примечание : повторим основы математической логики : двусторонний значок логического следствия обычно читают «тогда и только тогда», «в том и только в том случае». Как видите, стрелки направлены в обе стороны – «из этого следует это, и обратно – из того, следует это». В чём, кстати, отличие от одностороннего значка следования ? Значок утверждает, только то , что «из этого следует это», и не факт, что обратное справедливо. Например: , но не каждый зверь является пантерой, поэтому в данном случае нельзя использовать значок . В то же время, вместо значка можно использовать односторонний значок. Например, решая задачу, мы выяснили, что и сделали вывод, что векторы ортогональны: – такая запись будет корректной, и даже более уместной, чем .

Третий случай имеет большую практическую значимость , поскольку позволяет проверить, ортогональны векторы или нет. Данную задачу мы решим во втором разделе урока.

Свойства скалярного произведения

Вернёмся к ситуации, когда два вектора сонаправлены . В этом случае угол между ними равен нулю, , и формула скалярного произведения принимает вид: .

А что будет, если вектор умножить на самого себя? Понятно, что вектор сонаправлен сам с собой, поэтому пользуемся вышеуказанной упрощенной формулой:

Число называется скалярным квадратом вектора , и обозначатся как .

Таким образом, скалярный квадрат вектора равен квадрату длины данного вектора:

Из данного равенства можно получить формулу для вычисления длины вектора:

Пока она кажется малопонятной, но задачи урока всё расставят на свои места. Для решения задач нам также потребуются свойства скалярного произведения .

Для произвольных векторов и любого числа справедливы следующие свойства:

1) – переместительный или коммутативный закон скалярного произведения.

2) – распределительный или дистрибутивный закон скалярного произведения. Попросту, можно раскрывать скобки.

3) – сочетательный или ассоциативный закон скалярного произведения. Константу можно вынести из скалярного произведения.

Зачастую, всевозможные свойства (которые ещё и доказывать надо!) воспринимаются студентами как ненужный хлам, который лишь необходимо вызубрить и сразу после экзамена благополучно забыть. Казалось бы, чего тут важного, все и так с первого класса знают, что от перестановки множителей произведение не меняется: . Должен предостеречь, в высшей математике с подобным подходом легко наломать дров. Так, например, переместительное свойство не является справедливым для алгебраических матриц . Неверно оно и для векторного произведения векторов . Поэтому, в любые свойства, которые вам встретятся в курсе высшей математики, как минимум, лучше вникать, чтобы понять, что можно делать, а чего нельзя.

Пример 3

.

Решение: Сначала проясним ситуацию с вектором . Что это вообще такое? Сумма векторов и представляет собой вполне определенный вектор, который и обозначен через . Геометрическую интерпретацию действий с векторами можно найти в статье Векторы для чайников . Та же петрушка с вектором – это сумма векторов и .

Итак, по условию требуется найти скалярное произведение . По идее, нужно применить рабочую формулу , но беда в том, что нам неизвестны длины векторов и угол между ними. Зато в условии даны аналогичные параметры для векторов , поэтому мы пойдём другим путём:

(1) Подставляем выражения векторов .

(2) Раскрываем скобки по правилу умножения многочленов, пошлую скороговорку можно найти в статье Комплексные числа или Интегрирование дробно-рациональной функции . Повторяться уж не буду =) Кстати, раскрыть скобки нам позволяет дистрибутивное свойство скалярного произведения. Имеем право.

(3) В первом и последнем слагаемом компактно записываем скалярные квадраты векторов: . Во втором слагаемом используем перестановочность скалярного произведения: .

(4) Приводим подобные слагаемые: .

(5) В первом слагаемом используем формулу скалярного квадрата , о которой не так давно упоминалось. В последнем слагаемом, соответственно, работает та же штука: . Второе слагаемое раскладываем по стандартной формуле .

(6) Подставляем данные условия , и ВНИМАТЕЛЬНО проводим окончательные вычисления.

Ответ:

Отрицательное значение скалярного произведения констатирует тот факт, что угол между векторами является тупым.

Задача типовая, вот пример для самостоятельного решения:

Пример 4

Найти скалярное произведение векторов и , если известно, что .

Теперь ещё одно распространённое задание, как раз на новую формулу длины вектора . Обозначения тут будут немного совпадать, поэтому для ясности я перепишу её с другой буквой:

Пример 5

Найти длину вектора , если .

Решение будет следующим:

(1) Поставляем выражение вектора .

(2) Используем формулу длины: , при этом в качестве вектора «вэ» у нас выступает целое выражение .

(3) Используем школьную формулу квадрата суммы . Обратите внимание, как она здесь любопытно работает: – фактически это квадрат разности, и, по сути, так оно и есть. Желающие могут переставить векторы местами: – получилось то же самое с точностью до перестановки слагаемых.

(4) Дальнейшее уже знакомо из двух предыдущих задач.

Ответ:

Коль скоро речь идёт о длине, не забываем указать размерность – «единицы».

Пример 6

Найти длину вектора , если .

Это пример для самостоятельного решения. Полное решение и ответ в конце урока.

Продолжаем выжимать полезные вещи из скалярного произведения. Снова посмотрим на нашу формулу . По правилу пропорции сбросим длины векторов в знаменатель левой части:

А части поменяем местами:

В чём смысл данной формулы? Если известны длины двух векторов и их скалярное произведение, то можно вычислить косинус угла между данными векторами, а, следовательно, и сам угол.

Скалярное произведение – это число? Число. Длины векторов – числа? Числа. Значит, дробь тоже является некоторым числом . А если известен косинус угла: , то с помощью обратной функции легко найти и сам угол: .

Пример 7

Найти угол между векторами и , если известно, что .

Решение: Используем формулу:

На заключительном этапе вычислений использован технический приём – устранение иррациональности в знаменателе. В целях устранения иррациональности я домножил числитель и знаменатель на .

Итак, если , то:

Значения обратных тригонометрических функций можно находить по тригонометрической таблице . Хотя случается это редко. В задачах аналитической геометрии значительно чаще появляется какой-нибудь неповоротливый медведь вроде , и значение угла приходится находить приближенно, используя калькулятор. Собственно, такую картину мы ещё неоднократно увидим.

Ответ:

Опять, не забываем указывать размерность – радианы и градусы. Лично я, чтобы заведомо «снять все вопросы», предпочитаю указывать и то, и то (если по условию, конечно, не требуется представить ответ только в радианах или только в градусах).

Теперь вы сможете самостоятельно справиться с более сложным заданием:

Пример 7*

Даны – длины векторов , и угол между ними . Найти угол между векторами , .

Задание даже не столько сложное, сколько многоходовое.
Разберём алгоритм решения:

1) По условию требуется найти угол между векторами и , поэтому нужно использовать формулу .

2) Находим скалярное произведение (см. Примеры № 3, 4).

3) Находим длину вектора и длину вектора (см. Примеры № 5, 6).

4) Концовка решения совпадает с Примером № 7 – нам известно число , а значит, легко найти и сам угол:

Краткое решение и ответ в конце урока.

Второй раздел урока посвящен тому же скалярному произведению. Координаты. Будет даже проще, чем в первой части.

Скалярное произведение векторов,
заданных координатами в ортонормированном базисе

Ответ:

Что и говорить, иметь дело с координатами значительно приятнее.

Пример 14

Найти скалярное произведение векторов и , если

Это пример для самостоятельного решения. Здесь можно использовать ассоциативность операции, то есть не считать , а сразу вынести тройку за пределы скалярного произведения и домножить на неё в последнюю очередь. Решение и ответ в конце урока.

В заключение параграфа провокационный пример на вычисление длины вектора:

Пример 15

Найти длины векторов , если

Решение: снова напрашивается способ предыдущего раздела: , но существует и другая дорога:

Найдём вектор :

И его длину по тривиальной формуле :

Скалярное произведение здесь вообще не при делах!

Как не при делах оно и при вычислении длины вектора :
Стоп. А не воспользоваться ли очевидным свойством длины вектора? Что можно сказать о длине вектора ? Данный вектор длиннее вектора в 5 раз. Направление противоположно, но это не играет роли, ведь разговор о длине. Очевидно, что длина вектора равна произведению модуля числа на длину вектора :
– знак модуля «съедает» возможный минус числа .

Таким образом:

Ответ:

Формула косинуса угла между векторами, которые заданы координатами

Теперь у нас есть полная информация, чтобы ранее выведенную формулу косинуса угла между векторами выразить через координаты векторов :

Косинус угла между векторами плоскости и , заданными в ортонормированном базисе , выражается формулой :
.

Косинус угла между векторами пространства , заданными в ортонормированном базисе , выражается формулой :

Пример 16

Даны три вершины треугольника . Найти (угол при вершине ).

Решение: По условию чертёж выполнять не требуется, но всё-таки:

Требуемый угол помечен зелёной дугой. Сразу вспоминаем школьное обозначение угла: – особое внимание на среднюю букву – это и есть нужная нам вершина угла. Для краткости можно было также записать просто .

Из чертежа совершенно очевидно, что угол треугольника совпадает с углом между векторами и , иными словами: .

Проведённый анализ желательно научиться выполнять мысленно.

Найдём векторы:

Вычислим скалярное произведение:

И длины векторов:

Косинус угла:

Именно такой порядок выполнения задания рекомендую чайникам. Более подготовленные читатели могут записывать вычисления «одной строкой»:

Вот и пример «плохого» значения косинуса. Полученное значение не является окончательным, поэтому нет особого смысла избавляться от иррациональности в знаменателе.

Найдём сам угол:

Если посмотреть на чертёж, то результат вполне правдоподобен. Для проверки угол также можно измерить и транспортиром. Не повредите покрытие монитора =)

Ответ:

В ответе не забываем, что спрашивалось про угол треугольника (а не про угол между векторами), не забываем указать точный ответ: и приближенное значение угла: , найденное с помощью калькулятора.

Те, кто получил удовольствие от процесса, могут вычислить углы , и убедиться в справедливости канонического равенства

Пример 17

В пространстве задан треугольник координатами своих вершин . Найти угол между сторонами и

Это пример для самостоятельного решения. Полное решение и ответ в конце урока

Небольшой заключительный раздел будет посвящен проекциям, в которых тоже «замешано» скалярное произведение:

Проекция вектора на вектор. Проекция вектора на координатные оси.
Направляющие косинусы вектора

Рассмотрим векторы и :

Спроецируем вектор на вектор , для этого из начала и конца вектора опустим перпендикуляры на вектор (зелёные пунктирные линии). Представьте, что на вектор перпендикулярно падают лучи света. Тогда отрезок (красная линия) будет «тенью» вектора . В данном случае проекцией вектора на вектор является ДЛИНА отрезка . То есть, ПРОЕКЦИЯ – ЭТО ЧИСЛО.

Данное ЧИСЛО обозначается следующим образом: , «большим вектором» обозначают вектор КОТОРЫЙ проецируют, «маленьким подстрочным вектором» обозначают вектор НА который проецируют.

Сама запись читается так: «проекция вектора «а» на вектор «бэ»».

Что произойдёт, если вектор «бэ» будет «слишком коротким»? Проводим прямую линию, содержащую вектор «бэ». И вектор «а» будет проецироваться уже на направление вектора «бэ» , попросту – на прямую, содержащую вектор «бэ». То же самое произойдёт, если вектор «а» отложить в тридесятом царстве – он всё равно легко спроецируется на прямую, содержащую вектор «бэ».

Если угол между векторами острый (как на рисунке), то

Если векторы ортогональны , то (проекцией является точка, размеры которой считаются нулевыми).

Если угол между векторами тупой (на рисунке мысленно переставьте стрелочку вектора ), то (та же длина, но взятая со знаком минус).

Отложим данные векторы от одной точки:

Очевидно, что при перемещении вектора его проекция не меняется

При выяснении вопроса о применимости векторного метода к решению той или иной задачи, необходимо установить возможность выражения всех данных соотношений между известными и искомыми величинами на языке векторов. Если это можно сделать без больших затруднений, то есть смысл при решении такой задачи использовать векторы.

Решение геометрических задач с помощью векторов протекает успешнее, если вы будете придерживаться общих правил поиска решения. Полезно использовать девять таких правил:

1. Начиная решать задачу, посмотрите, что дано и что требуется доказать; отделите условие задачи от ее заключения; запишите условие и заключение задачи через общепринятые обозначения.

2. Выясните все (по возможности) соотношения, из которых следует заключение задачи; запишите их в векторной форме.

3. Сопоставьте каждое из рассматриваемых соотношений с тем, что дано, и с рисунком и посмотрите, какое из них лучше выбрать для доказательства.

4. Из того, что дано, получите следствия, которые связаны (или могут быть связаны) с выбранным вами соотношением.

5. Выделяя на рисунке векторы, входящие в выбранное вами соотношение, постоянно задавайте себе вопрос: «Через какие векторы можно их выразить? » Для ответа на поставленный вопрос рассматривайте эти векторы во всех целесообразных (обнадеживающих) соотношениях с другими.

6. Если для выражения вектора через другие нужно сделать дополнительные построения на рисунке, сделайте их так, чтобы это выражение было наиболее простым.

7. Постоянно помните, что дано в условии задачи, и в случае затруднений проверьте, не упустили ли вы что-либо из условия.

8. Так как затруднения могут быть связаны также с тем, что вы не применили какую-либо задачу или теорему, то в случае затруднения постарайтесь мысленно перебрать известные вам теоремы и решенные задачи и подумать, нельзя ли воспользоваться какой-нибудь из них.

9. Если выбранное вами соотношение (по правилу 2) не удалось доказать, применив все правила 4-8, то выберите другое и снова выполняйте правила 4-8 уже относительно него.

I. Для овладения умением переходить от геометрического языка к векторному и обратно необходимо знать, как то или иное векторное соотношение выражается на геометрическом языке. Например:

а) Равенство = k (k –некоторое число) , означает, что прямые АВ и СД параллельны.

б) Равенства = m/n и = n/(m+n) + m/(m+n) , (m,n –некоторые числа, Q –произвольная точка плоскости) означают, что точка С делит некоторый отрезок АВ в отношении m к n, т. е. AC: CB = m: n. При этом точка Q может быть выбрана так, чтобы последнее равенство доказывалось наиболее просто (это равенство следует из теоремы о делении отрезка в данном отношении) .

в) Каждое из равенств = k1 , = k2 , = k3 , = p +q (где k1, k2, k3, p, q - некоторые числа, p+q=1, Q – произвольная точка плоскости) , a +b +g = 0 (a, b, g - некоторые числа, a+b+g = 0, Q -произвольная точка плоскости) означает принадлежность трех точек А, В, С одной прямой (два последних равенства следуют из теоремы о принадлежности трех точек одной прямой) .

г) . Равенство. = 0, где A ¹ B; C¹D, означает, что прямые АВ и СД перпендикулярны. (Указанное равенство следует из свойств скалярного произведения векторов.)