background image

28

7 Geometria analityczna w przes-

trzeni

7.1 Wektory

Definicja 7.1

Mówimy, że punkty A, B, C przestrzeni R

3

są współ-

liniowe, gdy istnieje prosta, do której należą te punkty.

Definicja 7.2

Mówimy, że punkty K, L, M, N przestrzeni R

3

współpłaszczyznowe, gdy istnieje płaszczyzna, do której należą te punk-

ty.

Definicja 7.3

Mówimy, że wektory 

a ,

są współliniowe, gdy ist-

nieje prosta, w której zawarte są te wektory. Wektory współliniowe

będziemy nazywać także wektorami równoległymi - piszemy wtedy

a k b.

Definicja 7.4

Mówimy, że wektory 

u , −

v , −

są współpłaszczyzno-

we, gdy istnieje płaszczyzna, w której zawarte są te wektory.

Twierdzenie 7.1

1. Wektory 

i

są równoległe wtedy i tylko wtedy, gdy są li-

niowo zależne.

2. Wektory 

,

są współpłaszczyznowe wtedy i tylko wtedy,

gdy są liniowo zależne.

Definicja 7.5 Układem współrzędnych w przestrzeni nazywamy trzy

ustalone proste x, y, z przecinające się w jednym punkcie O, które są

wzajemnie prostopadłe. Taki układ współrzędnych oznaczamy przez

Oxyz. Proste OxOyOz nazywamy osiami, a płaszczyzny xOyyOz,

xOz płaszczyznami układu współrzędnych.

background image

29

Definicja 7.6

W zależności od wzajemnego położenia osi OxOy,

Oz układu współrzędnych wyróżniamy dwie jego orientacje: układ pra-

woskrętny i układ lewoskrętny.

Definicja 7.7 Długość wektora 

= (x, y, z) jest określona wzorem:

|−

v | =

p

x

2

y

2

z

2

Twierdzenie 7.2

Niech 

u , −

będą wektorami w R

3

oraz niech

α ∈ R. Wtedy:

1. |−

u | ≥ 0, przy czym |−

u | = 0 ⇐⇒ −

=

0

2. |α−

u | |α| · |−

u |

3. |−

v | ≤ |−

u | |−

v |

Definicja 7.8

Wersorem nazywamy wektor o długości l.

Definicja 7.9

Wektory

= (100),

= (010),

= (001)

nazywamy wersorami odpowiednio na osiach OxOyOz.

7.2 Iloczyn skalarny

Definicja 7.10

Niech 

będą dowolnymi wektorami w R

3

.

Iloczyn skalarny wektorów 

określamy wzorem:

u ◦ −

|−

u | · |−

v | · cos ϕ,

gdzie ϕ jest kątem między wektorami 

.

Twierdzenie 7.3 Niech 

będą dowolnymi wektorami w R

3

oraz niech α ∈ R. Wtedy

1. 

u ◦ −

v ◦ −

u

2. (α−

◦ −

α(

u ◦ −

)

3. (

◦ −

u ◦ −

v ◦ −

w

4. 

u ◦ −

|−

u |

2

background image

30

5. |−

u ◦ −

v | ≤ |−

u | · |−

v |

6. 

u ⊥ −

v ⇐⇒ −

u ◦ −

= 0

Twierdzenie 7.4

Niech 

= (x

1

, y

1

, z

1

), −

= (x

2

, y

2

, z

2

) będą wek-

torami w R

3

. Wtedy

u ◦ −

x

1

x

2

y

1

y

2

z

1

z

2

.

7.3 Iloczyn wektorowy

Definicja 7.11 Niech 

= (x

1

, y

1

, z

1

), 

= (x

2

, y

2

, z

2

), 

= (x

3

, y

3

, z

3

)

będą wektorami w R

3

. Mówimy, że wektory 

u , −

v , −

tworzą układ o

orientacji zgodnej z orientacją układu współrzędnych, jeżeli







x

1

x

2

x

3

y

1

y

2

y

3

z

1

z

2

z

3







0

W przypadku, gdy podany wyznacznik jest ujemny mówimy, że orien-

tacja układu wektorów 

u , −

v , −

jest przeciwna do orientacji układu

współrzędnych. Układ 

u , −

v , −

nazywamy prawoskrętnym (lewoskręt-

nym), gdy jest on zgodny z prawoskrętnym (lewoskrętnym) układem

współrzędnych.

Definicja 7.12

Niech 

będą niewspółliniowymi wektorami

R

3

. Iloczynem wektorowym uporządkowanej pary wektorów 

v

nazywamy wektor 

, który spełnia warunki:

1. jest prostopadły do płaszczyzny rozpiętej na wektorach 

,

tzn. 

w ⊥ −

w ⊥ −

v

2. jego długość jest równa polu równoległoboku rozpiętego na wek-

torach 

, tzn. |−

w | |−

u | · |−

u | · sin ϕ, gdzie ϕ jest kątem

między wektorami 

.

3. orientacja trójki wektorów 

u , −

v , −

jest zgodna z orientacją

układu współrzędnych Oxyz.

background image

31

Iloczyn wektorowy pary wektorów 

oznaczamy przez 

u × −

.

Jeżeli jeden z wektorów 

jest wektorem zerowym lub jeżeli wek-

tory te są współliniowe, to przyjmujemy, że 

u × −

=

0 .

Twierdzenie 7.5

Niech 

= (x

1

, y

1

, z

1

), 

= (x

2

, y

2

, z

2

) będą wek-

torami w R

3

. Wtedy

u × −

=







i

j

k

x

1

y

1

z

1

x

2

y

2

z

2







gdzie

i ,

j ,

oznaczają wersory odpowiednio na osiach OxOyOz.

Twierdzenie 7.6

Niech 

u , −

v , −

będą dowolnymi wektorami w R

3

oraz niech α ∈ R. Wtedy

1. 

u × −

(

v × −

)

2. (α−

× −

α(

u × −

)

3. (

× −

u × −

v × −

w

4. 

u × (

) = 

u × −

u × −

w

5. |−

u × −

v | ≤ |−

u | · |−

v |

6. 

u k −

v ⇐⇒ −

u × −

=

0

7.4 Iloczyn mieszany

Definicja 7.13

Niech 

u , −

v , −

będą wektorami w R

3

. Iloczyn mie-

szany uporządkowanej trójki wektorów 

u , −

v , −

określamy wzorem:

(

u × −

◦ −

w

Twierdzenie 7.7

(interpretacja geometryczna iloczynu mieszanego

wektorów) Iloczyn mieszany wektorów 

u , −

v , −

jest równy (z dokład-

nością do znaku) objętości równoległościanu rozpiętego na wektorach

u , −

v , −

,

background image

32

|V | |(

u × −

◦ −

w |

Twierdzenie 7.8

Niech 

= (x

1

, y

1

, z

1

), 

= (x

2

, y

2

, z

2

), 

=

(x

3

, y

3

, z

3

) będą wektorami w R

3

. Wtedy

(

u × −

◦ −

=







x

1

x

2

x

3

y

1

y

2

y

3

z

1

z

2

z

3







Twierdzenie 7.9

Niech 

u , −

v , −

w , −

będą wektorami w R

3

oraz

niech α ∈ R. Wtedy

1. (

u × −

◦ −

= (

v × −

◦ −

u

2. (

u × −

◦ −

(

v × −

◦ −

w

3. ((

× −

◦ −

= (

u × −

◦ −

+ (

r × −

◦ −

w

4. ((α−

× −

◦ −

α((

u × −

◦ −

)

5. wektory 

u , −

v , −

są współpłaszczyznowe ⇐⇒ (

u × −

◦ −

= 0

6. |(

u × −

◦ −

w | ≤ |−

u | · |−

v | · |−

w |

7.5 Równania płaszczyzny

Twierdzenie 7.10

Równanie płaszczyzny π przechodzącej przez

punkt P

0

(x

0

, y

0

, z

0

) o promieniu wodzącym 

r

0

i prostopadłej do nieze-

rowego wektora 

= (A, B, C) ma postać

π A(x − x

0

) + B(y − y

0

) + C(z − z

0

) = 0

lub w postaci wektorowej

π : (

r − −

r

0

◦ −

= 0

Równania te nazywamy równaniami normalnymi płaszczyzny π.

Twierdzenie 7.11

Równanie płaszczyzny π przechodzącej przez

punkt P

0

(x

0

, y

0

, z

0

) o promieniu wodzącym 

r

0

i rozpiętej na niewspół-

liniowych wektorach 

= (a

1

, a

1

, a

1

), 

= (b

2

, b

2

, b

2

) ma postać

background image

33

π :

x

0

a

1

b

1

s

y

0

a

2

b

2

s

z

0

a

3

b

3

s

,

gdzie

t, s ∈ R

lub w postaci wektorowej

π 

r

0

t−

s−

v ,

gdzie

t, s ∈ R

Równania te nazywamy równaniami parametrycznymi płaszczyzny π.

Twierdzenie 7.12

Równanie płaszczyzny π przechodzącej przez

trzy niewpółliniowe punkty P

1

(x

1

, y

1

, z

1

), P

2

(x

2

, y

2

, z

2

), P

3

(x

3

, y

3

, z

3

)

ma postać:

1.

π :









x

y

z

1

x

1

y

1

z

1

1

x

2

y

2

z

2

1

x

3

y

3

z

3

1









= 0

2.

π :







x − x

1

y − y

1

z − z

1

x

2

− x

1

y

2

− y

1

z

2

− z

1

x

3

− x

1

y

3

− y

1

z

3

− z

1







= 0

Twierdzenie 7.13

Równanie płaszczyzny π odcinającej na osiach

OxOyOz układu współrzędnych odpowiednio odcinki (zorientowane)

a, b, c 6= 0 ma postać:

π :

x

a

+

y

b

+

z

c

= 1

Równanie to nazywamy równaniem odcinkowym płaszczyzny π.

7.6 Równania prostej

Twierdzenie 7.14

Równanie prostej przechodzącej przez punkt

P

0

(x

0

, y

0

, z

0

) o promieniu wodzącym 

r

0

i równoległej do niezerowego

wektora 

= (a, b, c) ma postać

background image

34

:

x − x

0

a

=

y − y

0

b

=

z − z

0

c

lub w postaci wektorowej

: (

r − −

r

0

× −

=

.

Postać tą nazywamy równaniem kierunkowym prostej l.

Twierdzenie 7.15

Równanie prostej przechodzącej przez punkt

(x

0

, y

0

, z

0

) o promieniu wodzącym 

r

0

i równoległej do niezerowego

wektora 

= (a, b, c) ma postać

:

x

0

at

y

0

bt

z

0

ct

,

gdzie

t ∈ R

lub w postaci wektorowej

r

0

t−

v ,

gdzie

t ∈ R

Równania te nazywamy równaniami parametrycznymi prostej l.

Twierdzenie 7.16

Równanie prostej l, będącej częścią wspólną

dwóch nierównoległych płaszczyzn π

1

A

1

B

1

C

1

D

1

= 0,

π

2

A

2

B

2

C

2

D

2

= 0 ma postać

:



A

1

B

1

C

1

D

1

= 0

A

2

B

2

C

2

D

2

= 0

Postać tą nazywamy równaniem krawędziowym prostej l.

7.7 Wzajemne położenie punktów, płaszczyzn i prostych

Definicja 7.14

Rzutem prostokątnym punktu na płaszczyznę π

nazywamy punkt P

0

tej płaszczyzny spełniający warunek:

−−→

P P

0

⊥ π.

background image

35

Definicja 7.15

Rzutem prostokątnym punktu na prostą nazy-

wamy punkt P

0

tej prostej spełniający warunek:

−−→

P P

0

⊥ l.

Twierdzenie 7.17

Odległość punktu P

0

(x

0

, y

0

, z

0

) od płaszczyzny

π Ax By Cz = 0 wyraża się wzorem:

d(P

0

, π) =

|Ax

0

By

0

Cz

0

D|

A

2

B

2

C

2

.

Definicja 7.16

Kątem nachylenia prostej do płaszczyzny π nazy-

wamy kąt ϕ =

π

2

− α, gdzie α jest kątem ostrym między wektorem

normalnym płaszczyzny π i wektorem kierunkowym prostej l.

Definicja 7.17

Kątem między prostymi nazywamy kąt ostry utwo-

rzony przez wektory kierunkowe tych prostych.

Definicja 7.18

Kątem między płaszczyznami nazywamy kąt ostry

między wektorami normalnymi tych płaszczyzn.