Квант

40

Эти «коварные» векторы

Эта заметка посвящена некоторым особенностям применения векторов к решению геометрических задач.

Применение векторов основано на том, что различные утверждения о взаимном расположении точки, прямых и плоскостей могут быть формированы на «векторном языке», в частности с помощью понятий колlinearности и компланарности. Это позволяет свести геометрическую задачу к векторному равенству. В свою очередь векторное равенство можно свести (в частности, на основе теоремы единственности разложения) к алгебраической равенству или к системе алгебраических равенств.

Задача 1. Основание параллелограмм ABCD. Плоскость пересекает боковые ребра SA, SB, SC и SD параллелус соответствующего в точках M, N, P и Q так, что |SM|:|SA|=a, |SN|:|SB|=b, |SP|:|SC|=c,

Рис. 1.

|SQ|:|SD|=d. Доказать, что 1a+1c=1b+1d\frac{1}{a} + \frac{1}{c} = \frac{1}{b} + \frac{1}{d}.

Решение e. Отрезки NM, NP и NQ (рис. 1) лежат в одной плоскости. Согласно определению компланарных векторов, векторы NM, NP и NQ компланарны. Векторы NM и NP, очевидно, не колlinearны, поэтому по теореме о разложении компланарных векторов существует числа x и y такие, что NQ=xNM+yNPNQ = xNM + yNP. (1)

Разложим эти векторы по трем некомпланным векторам SA, SB и SC. Имеем SM=aSA, SN=bSB, SP=cSC, SQ=dSD, откуда

NM=SM−SN=aSA−bSBNM = SM - SN = aSA - bSB, (2)
NP=SP−SN=cSC−bSBNP = SP - SN = cSC - bSB, (3)
NQ=SQ−SN=dSD−bSBNQ = SQ - SN = dSD - bSB. (4)

Поскольку SD=SA+ADSD = SA + AD, а AD=BC=SC−SBAD = BC = SC - SB, из (4) следует, что NQ=dSA−(d+b)SB+dSCNQ = dSA - (d + b)SB + dSC. (5)

Подставляя (2), (3), (5) в (1), получаем

NQ=dSA−(d+b)SB+dSC=axSA−b(x+y)SB+cySCNQ = dSA - (d + b)SB + dSC = axSA - b(x + y)SB + cySC. (6)

В силу единственности разложения векторное равенство (6) равносильно системе

{d=ax;d+b=b(x+y),d=cy.\begin{cases} d = ax; \\ d + b = b(x + y), \\ d = cy. \end{cases}

Отсюда x+y=da+dc=d+bbx + y = \frac{d}{a} + \frac{d}{c} = \frac{d + b}{b}, или 1a+1c=1b+1d\frac{1}{a} + \frac{1}{c} = \frac{1}{b} + \frac{1}{d}.

В рассмотренном примере векторное равенство (6) было сведено к системе (7). Следует помнить, что равенство для векторов в пространстве равносильно именно системе трех алгебраических равенств. Поэтому если хотя бы одно из равенств этой системы неверно при любых значениях переменных, то в векторное равенство неверно, а исходная геометрическая задача решей не имеет. Следующий простой пример подтвердает это.

42

Жашим в плоскости OAB. Значит, векторы a⃗,b⃗\vec{a}, \vec{b} и c⃗\vec{c} компланарны. В исключениях выше служах доказательство еще проще, и мы оставляем его читателю.

Задача 3 («Геометрия 9—10», № 247). Точка A — общая вершина параллелограммов ABCD и AB1C1D1AB_1C_1D_1. Доказите компланарность векторов BB⃗1,CC⃗1,DD⃗1\vec{BB}_1, \vec{CC}_1, \vec{DD}_1.

Решение. Имеем CC⃗1=CB⃗+BB⃗1+B⃗1C⃗1\vec{CC}_1 = \vec{CB} + \vec{BB}_1 + \vec{B}_1\vec{C}_1 (рис. 4) и, так как CB⃗=DA⃗\vec{CB} = \vec{DA} и B1C⃗1=AD⃗1B_1\vec{C}_1 = \vec{AD}_1, получаем CC⃗1=BB⃗1+(DA⃗+AD⃗1)\vec{CC}_1 = \vec{BB}_1 + (\vec{DA} + \vec{AD}_1). Но DA⃗+AD⃗1=DD⃗1\vec{DA} + \vec{AD}_1 = \vec{DD}_1, поэтому CC⃗1=BB⃗1+DD⃗1\vec{CC}_1 = \vec{BB}_1 + \vec{DD}_1. Отсюда следует по (*), что векторы CC⃗1,BB⃗1\vec{CC}_1, \vec{BB}_1 и DD⃗1\vec{DD}_1 компланарны.

Задача 4. Данные три единных вектора a⃗,b⃗\vec{a}, \vec{b} и c⃗\vec{c} также, что (a⃗,c⃗)=(b⃗,c⃗)=π3,(a⃗,b⃗)=π2(\vec{a}, \vec{c}) = (\vec{b}, \vec{c}) = \frac{\pi}{3}, (\vec{a}, \vec{b}) = \frac{\pi}{2}. Компланары ли эти векторы?

Предлагаем сначала найти ошибку в следующем рассуждении:

«Доказем, что a⃗,b⃗\vec{a}, \vec{b} и c⃗\vec{c} компланары. Будем искать числа xx и yy, для которых c⃗=x⃗a+yb⃗\vec{c} = \vec{x}a + \vec{yb}.

Для этого умножим обе части (11) скалярно на вектор a⃗\vec{a}. Получим c⃗⋅a⃗=x⃗a⋅a⃗+yb⃗⋅a⃗\vec{c} \cdot \vec{a} = \vec{x}a \cdot \vec{a} + \vec{yb} \cdot \vec{a}, откуда x=12x = \frac{1}{2}. Умножив обе части (11) на b⃗\vec{b}, получим c⃗⋅b⃗=x⃗a⋅b⃗+yb⃗⋅b⃗\vec{c} \cdot \vec{b} = \vec{x}a \cdot \vec{b} + \vec{yb} \cdot \vec{b}, откуда y=12y = \frac{1}{2}. Значит,

c⃗=12a⃗+12b⃗,\vec{c} = \frac{1}{2} \vec{a} + \frac{1}{2} \vec{b},

то есть по (*) векторы a⃗,b⃗,c⃗\vec{a}, \vec{b}, \vec{c} компланарны».

To, что это рассужждение ошибочно, устанавливает легко. Достаточно попытаться от некоторой точки векторы a⃗,b⃗,c⃗\vec{a}, \vec{b}, \vec{c} с заданным углам между ними. Сразу ставя ясно, что это невозможно. Значит, векторы a⃗,b⃗\vec{a}, \vec{b} и c⃗\vec{c} не компланарны.

Для того чтобы понять, где была допущена ошибка, вернемся к началу рассужждения. Там было высказано номерение найти такие числа xx и yy, при которых равенство (11) верно. Но это номерение не было осуществлено. Действительно, последующее выкладки доказывают только то, что из (11) следует (12), и не более. Ни существование чисел xx и yy, для которых верно (11), ни справедливо равенства (12) не доказаны. И значит, вывод «по (*) векторы a⃗,b⃗,c⃗\vec{a}, \vec{b}, \vec{c} компланарны» не обоснован.

Ошибка здесь состоит в том, что из проведенных рассужений делается вывод, не соответствующий доказанному утверждению.

Приведем теперь векторное решение задачи 4.

Доказем от противного, что векторы a⃗,b⃗,c⃗\vec{a}, \vec{b}, \vec{c} не компланарны. Предположим, что существуют такие числа xx и yy, что равенство (11) верно. Тогда, как и ранее, получим, что верно и (12). Умножив (12) скалярно на c⃗\vec{c}, получим, что верно равенство 1=14+141 = \frac{1}{4} + \frac{1}{4}, то есть 1=121 = \frac{1}{2}. Это противоречие показывает, что (11) неверно ни при каких xx и yy, то есть векторы a⃗,b⃗,c⃗\vec{a}, \vec{b}, \vec{c} не компланарны.

Рассмотрим еще пример того, как неполный перевод условий геометрического задачи на «векторный язык» может привести к ошибке.

Задача 5. При какой длина ребра AD в тетраэдре ABCD выполены соответствующими условиями:

ABC→=π2,BCD→=(AB,CD)=57,\overrightarrow{ABC} = \frac{\pi}{2}, \overrightarrow{BCD} = (AB, CD) = \frac{5}{7},

∣AB∣=∣BC∣=∣CD∣=a?|AB| = |BC| = |CD| = a?

43

«Решение». Поскольку AD⃗=AB⃗+BC⃗+CD⃗\vec{AD} = \vec{AB} + \vec{BC} + \vec{CD}, мы получаем AD⃗2=AB⃗2+BC⃗2+CD⃗2+2AB⃗⋅BC⃗+2AB⃗×CD⃗+2BC⃗⋅CD⃗\vec{AD}^2 = \vec{AB}^2 + \vec{BC}^2 + \vec{CD}^2 + 2\vec{AB} \cdot \vec{BC} + 2\vec{AB} \times \vec{CD} + 2\vec{BC} \cdot \vec{CD}. Здесь AB⃗2=BC⃗2=CD⃗2=a2\vec{AB}^2 = \vec{BC}^2 = \vec{CD}^2 = a^2, AB⃗⋅BC⃗=0\vec{AB} \cdot \vec{BC} = 0, BC⃗×CD⃗=a2\vec{BC} \times \vec{CD} = a^2 cos (π−BCD⃗)=−57a2(\pi - \vec{BCD}) = -\frac{5}{7} a^2, AB⃗⋅CD⃗=a2\vec{AB} \cdot \vec{CD} = a^2 cos (AB⃗,CD⃗)(\vec{AB}, \vec{CD}), а так как возможно два случая: (AB⃗,CD⃗)=arccos⁡57(\vec{AB}, \vec{CD}) = \arccos \frac{5}{7} или (AB⃗,CD⃗)=π−arccos⁡57(\vec{AB}, \vec{CD}) = \pi - \arccos \frac{5}{7}, получаем либо AB⃗×CD⃗=57a2\vec{AB} \times \vec{CD} = \frac{5}{7} a^2, либо AB⃗,⋅CD⃗=−57a2\vec{AB}, \cdot \vec{CD} = -\frac{5}{7} a^2. Отсюда следует, что либо AD⃗2=3a2\vec{AD}^2 = 3a^2, либо AD⃗2=a27\vec{AD}^2 = \frac{a^2}{7}. Значит, ∣AD⃗∣=3a|\vec{AD}| = \sqrt{3} a, или ∣AD⃗∣=a7|\vec{AD}| = \frac{a}{\sqrt{7}}.

На первый взгляд в этом решении не было возможности ошибиться. Тем не менее ошибка в нем есть. Дело в том, что поставленная геометрическая задача равновесила задаче о решении векторной системы:
{∣AB⃗∣=∣BC⃗∣=∣CD⃗∣=a,AB⃗⋅BC⃗=0,AB⃗⋅CD⃗=±57a2,BC⃗⋅CD⃗=−57a2,AD⃗=AB⃗+BC⃗+CD⃗.\begin{cases} |\vec{AB}| = |\vec{BC}| = |\vec{CD}| = a, \\ \vec{AB} \cdot \vec{BC} = 0, \\ \vec{AB} \cdot \vec{CD} = \pm \frac{5}{7} a^2, \\ \vec{BC} \cdot \vec{CD} = -\frac{5}{7} a^2, \\ \vec{AD} = \vec{AB} + \vec{BC} + \vec{CD}. \end{cases}

Это система с четырьмя неизвестными векторами AB⃗,BC⃗,CD⃗\vec{AB}, \vec{BC}, \vec{CD} и AD⃗\vec{AD}, и геометрическая формулировка задачи 5 может быть теперь заменена на алгебраическую (векторную) формулировку: чему равна длину

Рис. 5.

44

Умножив обе части (15) скалярно на AB⃗\vec{AB}, получим, что x=±57x = \pm \frac{5}{7}, а умножив (15) на BC⃗\vec{BC}, найдем y=−57y = -\frac{5}{7}. Тогда

∣CD⃗∣2=(x2+y2+z2)a2=(5049+z2)a2>a2,|\vec{CD}|^2 = (x^2 + y^2 + z^2)a^2 = \left(\frac{50}{49} + z^2\right)a^2 > a^2,

а это противоречит условию ∣CD⃗∣=a|\vec{CD}| = a.

Значит, система (14) решений не имеет, и мы получаем тот же ответ, что и ранее.

Приложенные к этой заметке задачи можно решать и с помощью векторов и число геометрических.

Упражнения

  1. Даны точки A,B,CA, B, C, не лежащие на одной прямой, и точки DD и OO, O≠DO \neq D. Доказать, что для того, чтобы точка DD принадлежала плоскости ABCABC, необходимо и достаточно, чтобы OD=xOA+yOB+zOCOD = xOA + yOB + zOC, где x+y+z=1x + y + z = 1.

  2. Основание прямых SABCDSABCD — параллелограмм ABCDABCD. На ребрах AB,ASAB, AS и SCSC расположены соответственно точки M,NM, N и PP, так, что ∣BM∣:∣AB∣=∣AN∣:∣AS∣=∣SP∣:∣SC∣=2:3|BM| : |AB| = |AN| : |AS| = |SP| : |SC| = 2:3. Через середину QQ ребра BCBC проведена прямая, параллельная плоскости MNPMNP и пересекающая прямую SDSD в точке RR. Найти отношение ∣DR∣:∣DS∣|DR| : |DS|.

  3. Все ребра правильной прямы ABCA1B1C1ABCA_1B_1C_1 имеют длину aa. Прямая, перпендикулярная плоскости BA1C1BA_1C_1, пересекает прямые BC1BC_1 и AB1AB_1 соответственно в точках MM и NN. Найти ∣MN∣|MN|.

  4. Даны три прямые, не лежащие в одной плоскости. Сколько существует прямых, проходящих через данной точку и составляющих с данными прямыми равные углы2^2.

  5. В тетраэдре ABCDABCD ∣AB∣=∣BC∣=∣CD∣|AB| = |BC| = |CD|, ABC=aABC = a, BCD=(AB,CD)=βBCD = (AB, CD) = \beta. Найти угол между прямыми ADAD и BCBC. При каких а и β задача a) не имеет решений; б) имеет одно решение; в) имеет два решений?

Список читателей, приславших правильные решения задачи из Заданияка «Кванта»
(Начало см. на с. 34)

С. Доронин (Днепропетровск) 17; А. Дремин (п. Черноголовка Московской обл.) 12; А. Дурбак (Рогатин) 16; С. Дымшаков (Шадринск) 16, 17; Ю. Елисеев (Великие Луки) 4; И. Елисеевич (Чернигов) 4, 6, 7; И. Ельканович (Баку) 17; Т. Енчев (Ямбол, НРБ) 9, 12; В. Жордочки (Орск) 4, 6-8; В. Заварзин (Чимкент) 16; А. Заневский (Ленинград) 4, 6-9, 11, 16, 17; М. Зейфман (Вологда) 4, 6, 7, 9, 11, 12, 16; И. Зильберберг (Алма-Ата) 6; В. Золотагевский (п/o Березовское Харьковской обл.) 7; И. Зыбцев (Ужур) 9, 11, 12, 17; Т. Иванов (Плевен, НРБ) 16, 17; А. Иванов (Воронеж) 8, 12; В. Ивахенко (Киев) 11; В. Изеренин (Новосибирск) 7, 9, 11, 12, 16, 17; В. Израилит (Днепропетровск) 9, 16, 17; В. Каазловский (Харьков) 11, 12; С. Калмыков (Копейск) 6, 12; А. Каплан (Сумгант) 8, 17; Д. Каплан (Зеленоград) 7; А. Карсев (Белгород) 7, 17; М. Качкацивили (Рустави) 12; Э. Кашанов (Уфа) 4; А. Кечеджян (Ереван) 6, 7, 9, 11, 12, 16; М. Кибирев (Тула) 8, 9, 12; Ю. Кирпач (Киев) 4, 6, 7, 11, 17; Ю. Коверник (Запорожье) 6; Е. Коран (Днепропетровск) 8, 9, 11, 12; А. Кожевников (Днепропетровск) 8, 9, 12; В. Козловский (Новолукомль) 8-12; Т. Кожоридзе (Тельви) 12; Д. Коломоцев (Сумгант) 4, 6-9, 11; В. Комов (Алексадров) 4, 6-12, 16, 17; Т. Кондрацкая (Киев) 4, 6-8; С. Конкин (Арзамас) 4, 9, 11, 12; В. Коробов (Кировоград) 16; К. Корчаzin (Ереван) 16; М. Костин (Саратов) 12; И. Костюевич (Ленинград) 4, 6, 9, 12, 17; Д. Котельников (Магнитогорск) 4, 6, 7, 16, 17; М. Кравцов (Коммунарск) 16; К. Крапивной (Запорожье) 6, 7; И. Красиков (Киев) 8, 9, 11, 12; А. Крейнес (Кольчугино) 17; Л. Креминская (Ровно) 8; Е. Кренцель (Москва) 17; Р. Крис (Киев) 4, 7, 8, 11, 12; И. Кроливец (Краматорск) 11, 12; Е. Кузнецов (КИшинев) 6, 8, 11, 12; П. Кузнецов (Киев) 4, 6, 8-12; А. Кузьмин (Алма-Ата) 6, 7, 11; Д. Куксенков (Ленинград) 16, 17; С. Курчатов (Саратов) 4, 7; Б. Лапидус (Москва) 11, 12, 17; М. Левенков (Верещино) 17; В. Лейтес (Москва) 4, 6, 7; И. Леонов (Воронеж) 6, 11, 12; Д. Лещинский (Магнитогорск) 16; Ф. Ломая (Симферополь) 9, 12; И. Лукуянчук (Киев) 4, 6, 17; Е. Любовицкий (Кострома) 16; А. Ляпин (Гомель) 4, 6, 16, 17; А. Мазуркович (Лыткарино) 6, 9, 11, 12; З. Макимов (Ташкент) 16, 17; А. Мальцин (Горький) 16; В. Мальцев (Уфа) 17; О. Мануиленко (Киев) 17; С. Масленников (п. Мешон Гоменской обл.) 4; С. Махортых (Лисичанск) 9; А. Микula (Жидачков) 4, 6, 12, 17; С. Милованов (Запорожье) 17; С. Михайловский (Виноградовский р-н Архангельской обл.) 7, 11, 12, 16; Г. Молчанов (Саратов) 7-9, 11, 12; Д. Мякшев (Ангарск) 11; Р. Набоков (Москва) 4, 7; С. Надточий (Москва) 4, 6-9, 11, 12; А. Назаренко (Киев) 6-9, 11; М. Найловзен (Баку) 16; Д. Нишинаидзе (Кутанси) 8; Д. Ноздрин (Саратов) 4, 6; С. Обочевец (Ленинград) 6, 7; Д. Овсянников (Ленинград) 4, 6-9, 12; С. Одинцова (Киев) 4, 6, 7, 11; А. Орлов (Окончание см. на с. 55)