Suora. Määritelmä. Oletetaan, että n = 2 tai n = 3. Avaruuden R n suora on joukko. { p + t v t R},

Transkriptio

1 Määritelmä Suora Oletetaan, että n = 2 tai n = 3. Avaruuden R n suora on joukko { p + t v t R}, missä p, v R n ja v 0. Tässä p on suoran jonkin pisteen paikkavektori ja v on suoran suuntavektori. v p LM1, Kesä /218

2 Olkoon S avaruuden R n suora (n = 2). Tämä tarkoittaa, että missä p, v R n ja v 0. S = { p + t v t R}, Oletetaan, että a, b R. Jos (a, b) S, niin sanotaan, että piste (a, b) on suoralla S tai että suora S kulkee pisteen (a, b) kautta. t v (a, b) p Vastaavasti avaruudessa R 3. LM1, Kesä /218

3 Huom. Sama suora voidaan kirjoittaa joukkona { p + t v t R} usealla eri tavalla: vektoriksi p voidaan valita suoran minkä tahansa pisteen paikkavektori; vektoriksi v voidaan valita mikä tahansa suoran suuntainen vektori. v v p p LM1, Kesä /218

4 Esimerkki 5 (a) Määritä pisteiden A = (2, 3, 5) ja B = (4, 1, 7) kautta kulkeva suora S. (b) Määritä pisteen C = (4, 1, 9) etäisyys suorasta S. C B A LM1, Kesä /218

5 (a) Suoran jonkin pisteen paikkavektori; esim. OA = (2, 3, 5). Jokin suoran suuntainen vektori; esim. Näin AB = OB OA = (2, 4, 2). S = { OA + t AB t R } = { (2, 3, 5) + t(2, 4, 2) t R }. LM1, Kesä /218

6 Pisteen etäisyys suorasta Oletetaan, että n = 2 tai n = 3. Pisteen Q etäisyys suorasta S = { p + t v t R}, missä p, v R n ja v 0, saadaan projektion avulla: Q ā proj v (ā) v ā P proj v (ā) LM1, Kesä /218

7 (b) Vektori jostakin suoran pisteestä tutkittavaan pisteeseen; esim. AC = OC OA = (2, 2, 4). Jokin suoran suuntainen vektori; esim. AB = (2, 4, 2). Vektorin AC projektio suoralle S: Erotus proj AB ( AC) = AC AB AB AB AB = 20 AB = 5 AB AC proj AB ( AC) = AC 5 AB = (2, 2, 4) 5 (2, 4, 2) 6 Erotuksen normi = 1 6 (12 10, 12 20, 24 10) = 1 (1, 4, 7). 3 AC proj AB ( AC) = 1 3 (1, 4, 7) = = LM1, Kesä /218

8 Taso Määritelmä Avaruuden R 3 taso on joukko { p + s w + t v s, t R}, missä p, w, v R 3, w 0 v ja w v. Tässä p on tason jonkin pisteen paikkavektori ja v sekä w ovat kaksi tason suuntaista vektoria. w v p O LM1, Kesä /218

9 Olkoon T avaruuden R 3 taso. Tämä tarkoittaa, että T = { p + s w + t v s, t R}, missä p, w, v R 3, w 0 v ja w v. Oletetaan, että a, b, c R. Jos (a, b, c) T, niin sanotaan, että piste (a, b, c) on tasossa T tai että taso T kulkee pisteen (a, b, c) kautta. t v s w (a, b, c) p O LM1, Kesä /218

10 Huom. Sama taso voidaan kirjoittaa joukkona { p + s w + t v s, t R} usealla eri tavalla: vektoriksi p voidaan valita tason minkä tahansa pisteen paikkavektori; vektoreiksi w ja v voidaan valita mitkä tahansa tason suuntaisen vektorit, kunhan w v. w v w v p O p O LM1, Kesä /218

11 Esimerkki 6 Määritä pisteiden A = (0, 1, 0), B = ( 1, 3, 2) ja C = ( 2, 0, 1) kautta kulkeva taso T. C A B LM1, Kesä /218

12 Tason jonkin pisteen paikkavektori; esim. OA = (0, 1, 0). Jotkin tason suuntaiset vektorit; esim. AB = OB OA = ( 1, 2, 2) ja AC = OC OA = ( 2, 1, 1). Huomaa, että nämä eivät ole yhdensuuntaiset; ts. AB t AC kaikilla t R {0}. Näin T = { OA + s AB + t AC s, t R } = { (0, 1, 0) + s( 1, 2, 2) + t( 2, 1, 1) s, t R }. LM1, Kesä /218

13 Määritelmä Ristitulo Oletetaan, että v, w R 3. Vektorien v = (v 1, v 2, v 3 ) ja w = (w 1, w 2, w 3 ) ristitulo on vektori v w = (v 2 w 3 v 3 w 2, v 3 w 1 v 1 w 3, v 1 w 2 v 2 w 1 ). Muistisääntö ristitulon laskemiseen: yhtenäisellä viivalla yhdistettyjen komponenttien tulosta vähennetään katkoviivalla yhdistettyjen komponenttien tulo. v 1 v 2 v 3 v 1 v 2 w 1 w 2 w 3 w 1 w 2 LM1, Kesä /218

14 Ristitulo Esimerkki 7 Merkitään ā = (2, 1, 2) ja b = (3, 1, 3). Lasketaan ā b. ā b = ( 3 ( 2), 6 ( 6), 2 3) = ( 1, 12, 5) LM1, Kesä /218

15 Ristitulon ominaisuuksia Lause 11 Oletetaan, että ū, v, w R 3 ja c R. Tällöin (a) v w = ( w v) (antikommutointi) (b) ū ( v + w) = ū v + ū w (osittelulaki) (c) ( v + w) ū = v ū + w ū (osittelulaki) (d) c( v w) = (c v) w = v (c w) (e) v v = 0 (f) 0 v = 0 ja v 0 = 0 (g) ū ( v w) = (ū v) w Paina mieleesi erikoiset ominaisuudet (a), (e) ja (g)! v w w v LM1, Kesä /218

16 Ristitulon ominaisuuksia Lause 12 Oletetaan, että ū, v, w R 3. Tällöin (h) (ū v) w = (ū w) v ( v w)ū (i) ū ( v w) = (ū w) v (ū v) w (j) v w 2 = v 2 w 2 ( v w) 2 (Lagrangen identiteetti) Lagrangen identiteetti voidaan perustella kohtien (g) ja (h) avulla. Muut kohdat lauseissa 11 ja 12 voidaan perustella ristitulon määritelmään nojautuen. LM1, Kesä /218

17 Ristitulon ominaisuuksia Lause 13 Oletetaan, että v, w R 3. Tällöin (a) ( v w) v ja ( v w) w; v w (b) jos v 0 ja w 0, niin v w = v w sin α, missä α on vektorien v ja w välinen kulma. w v w sin Ristitulovektorin v w pituus on yhtä suuri kuin vektorien v ja w määräämän suunnikkaan ala! LM1, Kesä /218

18 Suuntaissärmiön tilavuus Suuntaissärmiön tilavuus on pohjan pinta-alan v w ja korkeuden h tulo. cos β = cos(180 β), joten h = ū cos β. Siis tilavuus on v w ū cos β = v w ū cos β = ( v w) ū h ū v v w w Tilavuus on ns. skalaarikolmitulon itseisarvo! LM1, Kesä /218

19 Pisteen etäisyys tasosta Pisteen Q etäisyys tasosta T saadaan ristitulon ja projektion avulla: v w P proj v w (ā) w ā v Q LM1, Kesä /218

20 Tason normaalimuotoinen yhtälö Piste Q = (x, y, z) on tasossa T, jos ja vain jos n ( q p) = 0, missä n on jokin tasoa T vastaan kohtisuora vektori (ns. tason T normaali). n q p Q P p q Huom. jos T = { p + s w + t v s, t R}, voidaan valita n = v w. O LM1, Kesä /218

21 Tason normaalimuotoinen yhtälö Esimerkki 8 Merkitään A = (0, 1, 0), B = ( 1, 3, 2) ja C = ( 2, 0, 1). Taso T kulkee pisteiden A, B ja C kautta. Määritä (a) tason T normaalimuotoinen yhtälö; (b) pisteen D = (1, 2, 3) etäisyys tasosta T. D C A B LM1, Kesä /218

22 (a) Jokin tason normaali; esim. tason suuntaisten vektoreiden AB = ( 1, 2, 2) ja AC = ( 2, 1, 1) ristitulo AB AC = (4, 3, 5). Vektori jostakin tason pisteestä pisteeseen Q = (x, y, z); esim. AQ = OQ OA = (x, y 1, z). Tason normaalimuotoinen yhtälö on näin ( AB AC) AQ = 0 eli (4, 3, 5) (x, y 1, z) = 0 4x 3(y 1) + 5z = 0 4x 3y + 5z + 3 = 0. LM1, Kesä /218

23 (b) Jokin tason normaali; esim. tason suuntaisten vektoreiden AB = ( 1, 2, 2) ja AC = ( 2, 1, 1) ristitulo AB AC = (4, 3, 5). Vektori jostakin tason pisteestä pisteeseen D = (1, 2, 3); esim. AD = OD OA = (1, 1, 3). Vektorin AD projektio normaalin n = AB AC määräämälle suoralle proj n ( AD n 16 8 AD) = n = (4, 3, 5) = (4, 3, 5). n n Projektion normi eli pituus proj n ( AD) = 8 25 (4, 3, 5) = = = LM1, Kesä /218