• Nem Talált Eredményt

Egyenesek és síkok egyenletei

In document Lineáris algebra (Pldal 77-91)

5. Szabadvektorok és analitikus geometria 62

5.6. Egyenesek és síkok egyenletei

α1 α2 α3

β1 β2 β3

γ1 γ2 γ3

.

Ezzel a determináns – mint térfogat – egy újabb jelentést kapott. A sorok felcse-rélésének determinánsra gyakorolt hatása (l. 3.11. tétel) szép összhangban van a fenti tételünk 1. pontjával.

5.6. Egyenesek és síkok egyenletei

5.13. Definíció. Az euklideszi geometriai tér egykoordináta-rendszerealatt egy a tér egy rögzített Opontjából, és a szabadvektorok egy bázisából álló párt értünk.

AzO pontot ekkororigónak nevezzük.

Rögzítsünk a térben egy koordináta-rendszert, és rendeljük hozzá minden sza-badvektorhoz azOkezdőpontú reprezentánsának a végpontját. Ezáltal kölcsönösen egyértelmű leképezést létesítettünk a tér pontjai és a szabadvektorai között. AP pont koordinátái alatt ekkor a neki megfelelő −−→

OP vektor a koordináta-rendszer bázisára vonatkozó koordinátáit értjük.

A tér egy egyenesének irányvektorán egy az egyenessel párhuzamos nemzérus vektort értünk. Világos, hogy a tér minden egyenese egyértelműen meghatározható egy pontjával és egy irányvektorával.

Tekintsük a tér egy tetszőleges,P0 ponton áthaladó egyenesét, és legyen ezen egyenes egy irányvektorav. Ekkor a térP pontja akkor és csak akkor illeszkedik az egyenesre, ha a−−→

P0P vektor párhuzamos az egyenessel, és így annakv irányvektorá-val is, azaz−−→

P0P =λvvalamelyλskalár esetén. Bevezetve azr=OP ésr0=−−→

OP0 jelöléseket ez

r=r0+λv (5.2)

5.15. ábra. A P0 ponton átmenő, v irányvektorú egyenes pontjainak előállítása

alakba írható, melyet az egyenes paraméteres vektoregyenletének nevezünk. Az r vektort ismeretlennek tekintve elmondható, hogy az (5.2) egyenletet azok és csak azok a szabadvektorok elégítik ki, melyek origóból induló reprezentánsának vég-pontja a P0 ponton átmenő v irányvektorú egyenesen van. Továbbá λminden ér-téke egyértelműen meghatározza az egyenes egy pontját, és fordítva is: az egyenes minden pontjához tartozik egy valósλérték.

Ha aP0 pont és avvektorP0(x0, y0, z0)ésv(v1, v2, v3)koordinátáival adottak, és azrvektor koordinátáir(x, y, z), akkor (5.2) az

x=x0+λv1 y=y0+λv2

z=z0+λv3

egyenletrendszerrel ekvivalens. Ezt az előállítást az egyenes paraméteres egyenlet-rendszerének nevezzük. Ha av1, v2, v3koordináták egyike sem 0, akkor mindhárom egyenletből λ-t kifejezve az

x−x0

v1 =y−y0

v2 = z−z0

v3

egyenletrendszert kapjuk, melyet azegyenes paramétermentes egyenletrendszerének is nevezünk. Ennek megoldáshalmaza pontosan az egyenes pontjainak koordinátá-iból áll. Ha példáulv1= 0, akkor az egyenletrendszerünk

x=x0, y−y0

v2

= z−z0

v3

alakú lesz. Például aP0(−1,2,3)ponton átmenő,v(2,0,−3)vektorral párhuzamos egyenes paraméteres egyenletrendszere

x=−1 + 2λ, y= 2, z= 3−3λ.

Ez, az 1. és 3. egyenletekbőlλ-t kifejezve x+ 1

2 = z+ 3

3 , y= 2 alakba írható.

A tér egy egyenesét annak két különbözőP1ésP2pontjai is egyértelműen meg-határozzák. EkkorP1ésP2közül bármelyik tekinthető az egyenes adott pontjának, és a −−−→

P1P2 vektor nyilván párhuzamos az egyenessel, azaz egy irányvektora annak.

Tehát P0 = P1 és v = −−−→

P1P2 választással az (5.2) egyenlet felírható. Ha a P1 és P2 pontokP1(x1, x2, x3)ésP2(y1, y2, y3)koordinátáival adottak, akkor felhasznál-va, hogy −−−→

P1P2 = −−→

OP2 −−−→

OP1, és hogy a P1 és P2 pontok koordinátái éppen az

−−→OP1 és−−→

OP2 vektorok koordinátái, kapjuk, hogy a−−−→

P1P2 vektor koordinátái (y1

−x1, y2−x2, y3−x3). Ekkor a P1 ésP2 pontokon átmenő egyenes paraméteres egyenletrendszere is könnyen felírható.

Például aP1(−1,4,4)ésP2(2,−1,3)pontok esetén−−−→

P1P2koordinátái(3,−5,−

−1), így aP1 ésP2 pontokra illeszkedő egyenes paraméteres egyenletrendszere x= 2 + 3λ

y=−1−5λ z= 3−λ, amelyλkifejezése után

x−2

3 = 1−y

5 = 3−z alakban is felírható.

Most a síkok egyenleteinek leírására térünk át. A tér minden síkját egyértelműen meghatározhatjuk egy pontjának, és két nempárhuzamos vektorának megadásával.

A fent bemutatott gondolatmenet minimális általánosításával kapjuk, hogy a tér egy adott P0 pontján átmenő, az u, v nempárhuzamos vektorok egy-egy reprezen-tánsát tartalmazó síkja jellemezhető az

r=r0+λu+µv (5.3)

paraméteres vektoregyenlettel, ahol r0 az origóból aP0 pontba mutató vektor, λ ésµpedig tetszőleges valós számok.

AP0 pont és az u, v koordinátáinak ismeretében (5.4) az x=x0+λu1+µv1

y=y0+λu2+µv2 z=z0+λu3+µv3

egyenletrendszerrel ekvivalens, melyet a sík paraméteres egyenletrendszerének ne-vezünk.

A sík egynormálvektorán egy a síkra merőleges nemzéró vektort értünk. Vilá-gos, hogy minden sík egyértelműen meghatározható egy adottP0pontjával és egy nnormálvektorával. Ekkor egyP pont pontosan akkor van ezen a síkon, ha a−−→

P0P vektor merőleges aznnormálvektorra, azaz skaláris szorzatuk 0. Tehát har=OP ésr0=−−→

OP0, akkor

(r−r0, n) = 0 (5.4)

teljesül. Az (5.4) egyenletet a sík vektoregyenletének nevezzük. Egy sík vektor-egyenletének megoldáshalmaza mindazon r szabadvektorok halmaza, melyek ori-góból induló reprezentánsainak végpontja a síkon van. Az r(x, y, z), r0(x0, y0, z0)

5.16. ábra.AP0ponton átmenő,nnormálvektorú sík pont-jainak előállítása

ésn(A, B, C)koordinátákkal számolva (5.4) az

A(x−x0) +B(y−y0) +C(z−z0) = 0

egyenlettel ekvivalens, melyet asík vektoregyenletének nevezünk. Ezt gyakran Ax+By+Cz=D

alakban adjuk meg. Világos, hogy ha (A, B, C) 6= (0,0,0), akkor minden ilyen egyenletnek megfeleltethető egy sík. Például a2x+3y+5z=−5egyenlethez tartozó S sík egy normálvektoran(2,3,5), amely az egyenletből könnyen kiolvasható, egy pontja pedig megkapható két koordinátájának szabad megválasztása után: hax=

=y= 0, akkor az egyenletbőlz=−1adódik, tehát aP0(0,0,−1)pont illeszkedik azS síkra.

5.7. Kapcsolódó Maple eljárások

Szabadvektorok bevitele, összeadása, skalárral való szorzása. A szabad-vektorok koordinátáikkal való reprezentációja, valamint a geometriai alakzatokhoz rendelt egyenletek lehetővé teszik geometriai jelenségek algebrai módszerekkel tör-ténő vizsgálatát. Maple-ben a szabadvektorokat valamely bázisra vonatkozó ko-ordinátáikkal adhatjuk meg, tehát egy rendezett elem hármasként. Mint majd a skaláris és vektoriális szorzatok estén látni fogjuk, a Maple a háttérben egy or-tonormált bázist feltételez. A bevitelnél döntenünk kell a vektor orientációjáról is, vagyis arról, hogy a vektort sorvektorként vagy oszlopvektorként kezelje a rend-szer. A kettő között lényegében csak formai különbség van. Természetesen most is a LinearAlgebracsomag eljárásaival dolgozunk:

> restart;

> with(LinearAlgebra):

A sorvektorok megadására két lehetőséget mutatunk.

1. Azaszabadvektort úgy adjuk meg, hogy <>jelek között felsoroljuk a koor-dinátákat , a|szimbólummal elválasztva:

> a:=<1|-1|2>;

a:=

h

1 −1 2 i

2. Abvektort pedig aVectorparancs használatával:

> b:=Vector[row]([3,2,-5]);

b:=

h

3 2 −5 i

Az oszlopvektorok bevitele is hasonlóan történhet.

1. Egyc vektor megadható koordinátáinak<> jelek közötti, vesszővel elválasz-tott felsorolásával:

> c:=<1,-1,2>;

c:=

1

−1 2

2. A Vector parancs oszlopvektorok bevitelére is használható, ad vektort így adjuk meg:

> d:=Vector[column]([3,2,-5]);

d:=

3 2

−5

Azaéscszámunkra ugyanazt a szabadvektort jelenti, a kettő között csupán alak-beli eltérés van. Az outputok által motiválva azt is gondolhatnánk, hogy a és b tulajdonképpen 1×3, acésdpedig 3×1 típusú mátrixok. A Maple viszont nem így gondolja, ugyanis haaegy1×3 típusú mátrix volna, és például

> A:=Matrix(1,3,[1,1,-1]);

A:=h

1 1 −1i

akkor az

> a+A;

parancs a két mátrix összegét kellene, hogy produkálja; ehelyett hibaüzenetet ka-punk. Ennek oka csak az lehet, hogyamégsem mátrix. Nézzük csak!

> whattype(A);

M atrix

> whattype(a);

V ectorrow

Sorvektor sorvektorral, illetve oszlopvektor oszlopvektorral összeadható, akár a + operátor, akár az AddvagyVectorAddparancsok segítségével:

> a+b;

h

4 1 −3i

> Add(c,d);

2

−2 4

és sorvektorok esetén az összeg is sorvektor, míg oszlopvektorok esetén oszlopvektor lesz.

A skalárral való szorzás, ami szintén megőrzi az orientációt, elvégezhető a * operátorral:

> 2*a;

h

2 −2 4 i

de a ScalarMultiplyparancs is használható:

> ScalarMultiply(c,2);

2

−2 4

Az eddigiek alapján (azonosan orientált) vektorok lineáris kombinációja is előállít-ható:

> 2*a-3*b;

h

−7 −8 19 i

Ha csupán két vektor lineáris kombinációjáról van szó (mint fent), akkor az kiszá-mítható az AddvagyVectorAddparancsok megfelelően paraméterezett változatá-val. Például2c−3dértéke:

> VectorAdd(c,d,2,-3);

−7

−8 19

Skaláris-, vektoriális-, és vegyesszorzat. A szabadvektorok skaláris szorzását azzal a.operátorral végezhetjük el, melyet a mátrixok szorzására is használhatunk.

Ez váratlan fordulat ahhoz képest, amit az összeadásnál láttunk. Azaésbvektorok (a, b)skaláris szorzata:

> a.b;

−9

Aza.dváltozatra gyanakodva nézünk, mondván sorvektort oszlopvektorral... Pedig ez most működik, és az eredmény ugyanaz, mint előbb! És még nincs vége: a . operátor további lehetőségeiről a következő fejezetekben szólunk.

Van direkt parancs a vektorok hosszának kiszámítására is:

> VectorNorm(b,2);

38

A vektor hossza tulajdonképpen a vektor úgynevezett euklideszi, vagy más szóval 2-normája, erre utal a második paraméter. Ha azt elhagyjuk, a visszatérési érték a koordináták abszolút értékeinek maximuma lesz, ami esetünkben 5.

A vektorok szöge is közvetlenül megkapható:

> VectorAngle(a,b);

πarccos 3

76

6

38

melynek (kerekített) tizedestört alakja az evalf(%)paranccsal érhető el.

Két vektor vektoriális szorzatának kiszámításával folytatjuk, ami az&x operá-torral, vagy a CrossProduct eljárással történhet. Egyik sem érzékeny az orientá-cióra, legfeljebb annyira, hogy ha legalább az egyik tényező oszlopvektor, akkor az eredmény is oszlopvektor lesz. Például:

> a &x b;

h

1 11 5 i

> CrossProduct(d,a);

−1

−11

−5

A példában a vektoriális szorzat antiszimmetrikus tulajdonsága is szépen visszakö-szön.

Most bizonyítjuk az5.10. tételt Maple segítségével:

> a:=<alpha[1]|alpha[2]|alpha[3]>:

> b:=<beta[1]|beta[2]|beta[3]>:

> a &x b;

h

α2β3α3β2 α3β1α1β3 α1β2α2β1

i

Az (5.1) is egyszerűen belátható:

> A:=<<e[1]|e[2]|e[3]>,a,b>;

e1 e2 e3

α1 α2 α3

β1 β2 β3

> Determinant(A);

e1α2β3e1α3β2+α1β2eα1e2β3+β1e2α3β1α2e3

> collect(%,{e[1],e[2],e[3]});

e12β3α3β2) + (α3β1α1β3)e2+ (α1β2α2β1)e3

Aza, b, c szabadvektorok vegyesszorzatának kiszámítására alkalmas függvényt pedig már mi magunk is definiálhatunk:

> vs:= (a,b,c) -> (a &x b).c;

Egyenesek és síkok egyenletei. Ehhez a témakörhöz ageom3d csomag eljárá-sainak használatát javasoljuk:

> with(geom3d):

A térelemek megadása a következőképpen történhet:

1. A pontoknak a nevét és a koordinátáit adjuk meg. Például a

> point(P,1,2,3);

parancs a P(1,2,3) pontot definiálja. A koordináták megadhatók listában is. Bármelyik utat is választjuk, az alábbi parancs a koordináták listájával válaszol:

> coordinates(P);

[1,2,3]

A koordináták egyenként is kinyerhetők azxcoord,ycoordészcoord eljárá-sokkal.

2. Az egyenesek többféleképpen is megadhatók:

a) Megadható az egyenes két különböző pontjával. Például azA(1, −1,2) ésB(2,3,1)pontokra illeszkedő egyenes a következőképpen:

> point(A,1,-1,2): point(B,2,3,1):

> line(e,[A,B]);

e

Mint látjuk, az output igen szerény. De mire vagyunk kíváncsiak? Az egyenes paraméteres egyenletrendszerére?

> Equation(e,lambda);

[1 +λ,1 + 4λ,2λ]

ami természetesen úgy értelmezendő, mintx= 1 +λ, y=−1 + 4λ, z=

= 2−λ. Ha esetleg az egyenes egy irányvektora érdekel bennünket, azt is közvetlenül megkaphatjuk:

> v:=ParallelVector(l);

v:= [1,4,1]

Az eredmény a típusát illetően nem vektor, hanem lista. Ageom3d cso-mag viszont így kezeli a vektorokat. Szükség esetén az irányvektor a

> convert(v,Vector[row])

parancs segítségével konvertálható (sor)vektor típusba.

b) Megadhatunk egyenest egy pontjával és egy irányvektorával (háromele-mű lista) is:

> line(f,[A,v]);

Az output és a lehetőségek ugyanazok, mint előbb.

c) Végül megadhatjuk az egyenes paraméteres egyenletrendszerét is:

> line(g,[1+lambda,-1+4*lambda,2-lambda],lambda);

3. A síkok bevitelének lehetőségei hasonlók:

a) Megadhatjuk a síkot 3 különböző pontjával.

> point(E,5,0,2): point(F,2,2,2): point(G,1,4,-3):

> plane(s,[E,F,G]);

Természetesen rákérdezhetünk a sík egyenletére és egy normálvektorára is:

> Equation(s,[x,y,z]);

5810x15y4z= 0

> n:=NormalVector(s);

n:= [−10,15,4]

b) Ugyanezen síkot megadhatjuk egy pontjával és egy normálvektorával is:

> plane(t,[A,n]);

c) Síkot egyenletével a következőképpen definiálhatjuk:

> plane(u,58-10*x-15*y-4*z=0,[x,y,z]);

Természetesen ábrázolhatjuk is ezeket az objektumokat. A csomag adraweljárást kínálja erre, mely használatának legegyszerűbb módja, ha paraméter gyanánt egy listában felsoroljuk a megjelenítendő objektumokat:

> draw([s,e]);

Az5.17. ábrán látható output szerint az egyenesnek és a síknak van közös pontja.

Ennek meghatározására is van lehetőség. Mint ahogy a térelemek bevitelénél is tör-tént, a metszetet (ami esetünkben egy pont) a paraméterlistán belül kell elnevezni.

> intersection(M,e,s);

M

Az output itt sem túl beszédes. Kérdezzünk rá a koordinátákra!

> coordinates(M);

11 6 ,7

3,7 6

Az intersection eljárás egyaránt alkalmas két egyenes, két sík, egyens és sík, valamit három sík metszéspontjának, illetve metszésvonalának meghatározására.

5.17. ábra.Azssík és azeegyenes

Egyenes és sík esetén a sorrend lényeges: elsőként az egyenes azonosítóját, majd utána a sík azonosítóját kell megadni. Hasonlóan használható a distanceeljárás térelemek távolságának a meghatározására.

5.8. Feladatok

5.1. Feladat. Adottaésbnempárhuzamos vektorok esetén szerkessze meg az a−2b, 2a+ 3b, √

2a−√ 3b vektorokat!

5.2. Feladat. Legyenaegy nemzérus szabadvektor. Adja meg aza-val párhuzamos szabadvektorok halmazát!

5.3. Feladat. Fejezze ki az ABC háromszög súlyvonalvektorait az −−→ AB és −→

AC vektorok lineáris kombinációjaként!

5.4. Feladat. Azaésbvektorok szögeπ/3, hosszaik pedig rendre 3 és 4. Számítsa ki az

(a, b), (a, a), (3a−2b, a+ 2b) skaláris szorzatok értékeit!

5.5. Feladat. Legyenek e1, e2, e3olyan egységvektorok, amelyre e1+e2+e3= 0

teljesül. Számítsa ki az

(e1, e2) + (e1, e3) + (e2, e3) értékét!

5.6. Feladat. Milyen λ értékek mellett lesznek az a+λb és az a−λb vektorok merőlegesek egymásra?

5.7. Feladat. Milyenλ értékek mellett lesz aza(1, λ,1) és a b(−1,2,1) vektorok szöge60?

5.8. Feladat. Állítsa elő azavektort két olyan vektor összegeként, amelyek közül az egyik párhuzamos egy adottbvektorral, a másik pedig merőleges rá! Adja meg ezt a két vektort az a(3,2,2)és ab(4, −2, ,2)vektorok esetén!

5.9. Feladat. Végezze el az

((a+ 2b)×(2a+b)) + ((a−2b)×(2a−b))

kifejezésben a vektoriális szorzásokat, majd hozza a kapott kifejezést egyszerűbb alakra!

5.10. Feladat. Adja meg (a×b, a×b) értékét, ha a és b egymásra merőleges egységvektorok!

5.11. Feladat. Igazolja a Jacobi-azonosságot!

5.12. Feladat. Legyenek az ABC háromszögben az −−→ AB és−→

AC vektorok koordi-nátái rendre (2, −3,1) és (1,4,6). Számítsa ki az A csúcshoz tartozó magasság hosszát!

5.13. Feladat. Egy paralelogramma két, közös kezdőpontból induló élvektorai a(3, −1,1)ésb(λ,2,1). Számítsa kiλértékét, ha a paralelogramma területe3√

6!

5.14. Feladat. Aza(2, −1,2), b(3,1,5) ésc(λ,2, −1) vektorok által kifeszített paralelepipedon térfogataλmilyen értéke mellett lesz 10 egység?

5.15. Feladat. Az a(λ,2,1), b(3, −1,0), c(2,1,0) vektorhármasλmilyen értéke mellett lesz komplanáris?

5.16. Feladat. Írja fel aP(1,2,3)ponton áthaladóv(−3,6,2)irányvektorú egye-nes paraméteres és paramétermentes egyenletrendszereit!

5.17. Feladat. Adja meg a P1(−2,5,6) és a P2(7, −1,3) pontokra illeszkedő egyenes paraméteres és paramétermentes egyenletrendszereit!

5.18. Feladat. Írja fel azx= 3 + 2λ, y= 2−λ, z= 5 + 4λegyenessel párhuzamos P(−3,2, −1)ponton áthaladó egyenes egyenletrendszerét!

5.19. Feladat. LegyenA(0,−1,3)ésB(1,3,5). Írja fel azAponton átmenő,AB egyenesre merőleges sík egyenletét!

5.20. Feladat. Írja fel három nem komplanáris pontra illeszkedő sík egyenletét!

5.21. Feladat. Írja fel a P(1,3,2) pontra illeszkedő, a−2x+y+ 3z = 1 ésx−

−y−z+ 2 = 0síkok metszésvonalával párhuzamos egyenes vektoregyenletét!

5.22. Feladat. Írja fel annak a síknak az egyenletét, amely illeszkedik aP(−2,3,1) pontra, és azx−y+ 3z= 8 és2x+y−z=−2síkok metszésvonalára!

In document Lineáris algebra (Pldal 77-91)