РК1: векторы, плоскости, прямые
А. Определения и формулы по 1 баллу
ответ
Два вектора и равны, если
- они коллинеарны и сонаправлены ();
- их длины равны: .
ответ
Сумма. Совместим начало с концом ; вектор , идущий из начала в конец , — сумма (правило треугольника; равносильно — диагональ параллелограмма, построенного на из общего начала).
Умножение на число. Произведение ненулевого на — вектор , у которого , при и при . Если или , то .
ответ
Коллинеарные — лежат на одной прямой или на параллельных прямых; нулевой вектор коллинеарен любому.
Компланарные — три вектора, лежащие в одной плоскости или параллельные одной плоскости.
ответ
Система линейно зависима, если существует нетривиальный набор (хотя бы одно ) такой, что .
Линейно независима, если .
ответ
- Два вектора линейно зависимы они коллинеарны.
- Три вектора линейно зависимы они компланарны.
ответ
Базис в () — упорядоченная максимальная линейно независимая система векторов: один ненулевой вектор в , два неколлинеарных в , три некомпланарных в .
Координаты вектора — коэффициенты его единственного разложения по базису: .
ответ
Любой вектор пространства можно разложить по базису, и притом единственным образом: если — базис, то .
ответ
Ортогональная скалярная проекция вектора на направление вектора — число
где — угол между и .
ответ
Скалярное произведение и — число, равное произведению их длин на косинус угла между ними:
ответ
- ;
- .
ответ
Упорядоченная тройка некомпланарных векторов правая, если из конца третьего вектора кратчайший поворот от к виден против часовой стрелки; если по часовой — левая.
ответ
Векторное произведение неколлинеарных и — вектор , для которого:
- и ;
- (площадь параллелограмма на и );
- тройка правая.
Если , то .
ответ
- Скалярное коммутативно: .
- Векторное антикоммутативно: .
ответ
- ;
- .
ответ
ответ
Смешанное произведение трёх векторов — число .
ответ
Циклическая перестановка не меняет значения, перестановка двух сомножителей меняет знак.
ответ
- ;
- .
ответ
ответ
- Общее: , . Смысл: — нормальный вектор, перпендикулярный плоскости; задаёт положение плоскости: — плоскость проходит через начало координат, а — расстояние от начала координат до плоскости.
- В отрезках: (). Смысл: — величины отрезков (со знаком), отсекаемых плоскостью на осях : плоскость проходит через точки , , .
ответ
Через точки , не лежащие на одной прямой:
ответ
- Перпендикулярность: ().
- Параллельность: (); различны, если это отношение , совпадают, если .
ответ
ответ
- Канонические: .
- Параметрические: , .
Смысл: — координаты точки , через которую проходит прямая; — направляющий вектор, параллельный прямой; — параметр: , каждому соответствует одна точка прямой ( — расстояние от ). Нуль в знаменателе канонических уравнений означает, что соответствующая координата постоянна.
ответ
Прямые и лежат в одной плоскости (пересекаются или параллельны) векторы компланарны:
ответ
Другой способ — через скалярное произведение. Вычесть из его проекцию на прямую:
Основание перпендикуляра: , где . На вопрос РК пиши формулу через векторное произведение, как в конспекте.
ответ
Б. Доказательства и выводы по 2 балла
ответ
Теорема. Три вектора ЛЗ они компланарны.
⇒ Пусть , . Тогда , где , . Отложим из точки : и лежат в плоскости , их сумма (правило параллелограмма) — тоже. Векторы компланарны.
⇐ Если среди векторов есть нулевой или два коллинеарных — ЛЗ очевидна (нулевой с коэффициентом ; коллинеарные ЛЗ по критерию для двух векторов). Пусть . Отложим , , в одной плоскости. Через проведём прямые, параллельные и ; получим параллелограмм :
Коэффициент — комбинация нетривиальна, векторы ЛЗ.
ответ
Теорема. Любой вектор раскладывается по базису , и единственным образом.
Существование. Любые 4 вектора в ЛЗ: нетривиально. Здесь , иначе базис был бы ЛЗ. Делим на :
Единственность. Если , то ; базис ЛНЗ, значит .
ответ
Опора: ; проекция суммы равна сумме проекций, .
- .
- .
ответ
, . В ОНБ , . Раскрываем скобки по линейности — из девяти слагаемых остаются три:
ответ
В правом ОНБ: ; , , ; при перестановке — знак минус. Раскрываем по линейности:
ответ
По определению и линейности векторного и скалярного произведений:
- ;
- .
ответ
. Скалярно на :
— разложение определителя по третьей строке.
ответ
Возьмём : . Расстояние — модуль проекции на нормаль:
, откуда .
ответ
Построим параллелограмм на и . Площадь двумя способами: и , где — высота из на , то есть . Приравнивая:
ответ
некомпланарны — строим на них параллелепипед. Объём двумя способами: и , где , а — расстояние между параллельными плоскостями, содержащими прямые, то есть :
В. Аксиоматика (в слитых билетах не встречалась)
ответ
Множество с операциями сложения и умножения на число из , , :
- ;
- ;
- ;
- ;
- ;
- ;
- ;
- .
ответ
Скалярное произведение в :
- линейность: , ;
- симметричность: ;
- положительная определённость и невырожденность: , .
Норма: ; ; . Скалярное произведение порождает норму .
ответ
ответ
Аффинное пространство — множество точек с операцией сдвига точки на вектор :
- ;
- (обозначение ).
Аффинное подпространство через точку с направляющим линейным подпространством :
ответ
- : , — точка;
- : , — прямая;
- : , — плоскость;
- : , — всё пространство.
Г. Дополнения из рукописных лекций (в слитых билетах не встречались)
ответ
Аффинная СК — совокупность точки (начала координат) и базиса: .
Прямоугольная СК — точка и ортонормированный базис: .
Координаты точки — координаты её радиус-вектора в этом базисе: .
Отсюда ; длина — только в прямоугольной СК.
ответ
Точка делит в отношении (). Из :
Середина отрезка (): полусумма координат концов.
ответ
В ОНБ координаты вектора — проекции на оси: , , , где — углы с . — направляющие косинусы:
Они же — координаты орта .
ответ
параллелепипеда, построенного на : «», если тройка правая, «», если левая. Доказательство: .
Теорема 6.1: компланарны .
ответ
, . Направляющий вектор ; в прямоугольной СК — нормальный вектор (ненулевой, перпендикулярный прямой).
Через точку и нормаль: . Через точку и направляющий вектор : , или , .
ответ
- : — тангенс угла наклона к , — отрезок на оси (нужно ).
- : , — отрезки, отсекаемые на осях (нужно ).
- Через : .
ответ
, где — единичная нормаль, направленная от начала координат к прямой, — расстояние от до прямой.
Из общего: умножить на , знак противоположен знаку .
Пример: , .
ответ
Вывод: в нормальном уравнении проекция на единичную нормаль равна , где — отклонение точки от прямой. Значит ; подставив , , , , получаем формулу.
ответ
, .
- Пересекаются: . Параллельны: ; совпадают — все три отношения равны. Перпендикулярны: .
- Угол: .
- Через угловые коэффициенты: параллельны , перпендикулярны , .
ответ
, где — единичная нормаль, направленная от начала координат к плоскости, — расстояние от до плоскости. Для любой точки плоскости .
Из общего : умножить на , знак противоположен знаку .
Расстояние от точки: .
ответ
Если коэффициенты при одинаковые: .
Если пропорциональны (, , ): .
Плоскости совпадают, если пропорциональны и свободные члены: .
ответ
Прямая , плоскость , , .
- Пересекаются в одной точке: .
- Параллельны: , . Лежит в плоскости: , .
- Перпендикулярны: . Угол: .
Если прямая задана двумя плоскостями, система из трёх уравнений имеет единственное решение ; нет решений — параллельны; бесконечно много — прямая в плоскости.