18 Решения самостоятельных задач

Решения самостоятельных задач

Задача 1.

\[\overrightarrow{CD} =(2-(-2),-2-1,4-4)=(4,-3,0)\]

Следовательно,

\[\rho(C,D)=\sqrt{4^2+(-3)^2}=5,\]
\[\vec e_{CD}=\left(\frac45,-\frac35,0\right)\]

Середина отрезка:

\[M\left(\frac{-2+2}{2},\frac{1+(-2)}2,\frac{4+4}{2}\right) =\left(0,-\frac12,4\right)\]

Задача 2.

\[\vec a\cdot\vec b=2+2+4=8, \qquad \lVert \vec a \rVert=\lVert \vec b \rVert=3\]

Поэтому

\[\cos\varphi=\frac89, \qquad \varphi=\arccos\frac89\]

Коэффициент \(\alpha\):

\[\alpha=\frac{\vec a\cdot\vec b}{\lVert \vec b \rVert^{2}}=\frac89\]

Скалярная проекция:

\[\mathop{\text{пр}}\nolimits_{\vec b}\vec a=\frac83\]

Векторная проекция:

\[\mathop{\text{Пр}}\nolimits_{\vec b}\vec a =\frac89(1,2,2) =\left(\frac89,\frac{16}{9},\frac{16}{9}\right)\]

Перпендикулярная составляющая:

\[\vec a_{\perp} =\left(\frac{10}{9},-\frac79,\frac29\right)\]

Проверка:

\[\vec a_{\perp}\cdot\vec b =\frac{10}{9}-\frac{14}{9}+\frac49=0\]

Задача 3.

\[\overrightarrow{AB}=(2,1,0), \qquad \overrightarrow{AC}=(1,0,2)\]
\[\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC} =\bigl( 1\cdot2-0\cdot0, 0\cdot1-2\cdot2, 2\cdot0-1\cdot1 \bigr) =(2,-4,-1)\]

Его длина равна \(\sqrt{4+16+1}=\sqrt{21}\), поэтому

\[S_{ABC}=\frac{\sqrt{21}}2\]

Два единичных нормальных вектора:

\[\vec n_1=\frac1{\sqrt{21}}(2,-4,-1), \qquad \vec n_2=-\vec n_1\]

Задача 4. Замечаем, что

\[\vec c=2\vec a+\vec b,\]

поэтому первая тройка компланарна и

\[\left(\vec a,\vec b,\vec c\right)=0\]

Для второй тройки

\[\left(\vec a,\vec b,\vec d\right) =\det\begin{pmatrix} 1&1&0\\ 0&1&1\\ 2&3&2 \end{pmatrix} =1(1\cdot2-1\cdot3)-1(0\cdot2-1\cdot2) =-1+2=1\]

Она некомпланарна, а объём параллелепипеда равен \(1\).

Задача 5.

1. Направляющий вектор прямой:

\[\overrightarrow{PQ}=(-3,4)\]

Параметрическая форма:

\[\begin{cases} x=2-3t,\\ y=-1+4t \end{cases}\]

Нормалью служит \((4,3)\), поэтому

\[4(x-2)+3(y+1)=0,\]

или

\[4x+3y-5=0\]

2. Нормаль искомой плоскости:

\[\vec u\times\vec v =(1,0,1)\times(0,2,1) =\bigl( 0\cdot1-1\cdot2, 1\cdot0-1\cdot1, 1\cdot2-0\cdot0 \bigr) =(-2,-1,2)\]

Отсюда

\[-2(x-1)-(y-1)+2z=0,\]

что после умножения на \(-1\) даёт

\[2x+y-2z-3=0\]

3. На прямой \((x,y,z)=(t,1,2t)\). Подстановка в плоскость даёт

\[2t+1-4t-3=0, \qquad t=-1\]

Точка пересечения:

\[H=(-1,1,-2)\]

Задача 6.

1. Для точки \(P(1,2,-1)\):

\[\rho(P,\alpha) =\frac{|2\cdot1-2+2(-1)-5|}{\sqrt{2^2+(-1)^2+2^2}} =\frac73\]

2. Обозначим

\[\vec a=(1,0,0),\quad \vec u=(1,1,0),\quad \vec b=(0,1,2),\quad \vec v=(1,-1,0)\]

Тогда

\[\vec b-\vec a=(-1,1,2), \qquad \vec u\times\vec v=(0,0,-2)\]

Смешанное произведение равно

\[(\vec b-\vec a)\cdot(\vec u\times\vec v)=-4\ne0\]

Направления неколлинеарны, а прямые некомпланарны, следовательно, они скрещиваются. Расстояние:

\[\rho(\ell_1,\ell_2) =\frac{|-4|}{\sqrt{(-2)^2}}=2\]
Решения самостоятельных задач — Векторы и аналитическая геометрия: от | Высшая математика — Профиматика