Квант

21

Matematika
8, 9, 10

Публикуемая ниже заметка предназначаем десятиклассикам. Оdnako первая ее часть может быть полезной и учащимся 8-х и 9-х классов.

Векторы в геометрических задачах

  1. Параллельность и отношение отрезков

Задача 1. Точка K, L, M, N — середины сторона BC, CD, DE, EA пятугольника ABCDE, точки P и Q — середины отрезков KM и LN. Доказать, что отрезки PQ и AB параллельны, и найти отношение их длины (пис. 1).

Переведем утверждение задачи на векторный язык.

Параллельность отрезков PQ и AB записывается равенством PQ→=k⋅AB→\overrightarrow{PQ} = k \cdot \overrightarrow{AB}, где kk — некоторое действительное число. Вычислив kk, мы найдем отношение длины отрезков PQ и AB.

Основной в решении этой задачи оказывается формула OZ→=12(OX→+OY→)\overrightarrow{OZ} = \frac{1}{2}(\overrightarrow{OX} + \overrightarrow{OY}), где ZZ — середина отрезка XY, а OO — произвольная точка.

Решение. PQ→=OQ→−OP→=12(OL→+ON→)−12(OK→+OM→)=12(12(OC→+OD→)+12(OA→+OE→))=14(OA→−OB→)=−14AB→\overrightarrow{PQ} = \overrightarrow{OQ} - \overrightarrow{OP} = \frac{1}{2}(\overrightarrow{OL} + \overrightarrow{ON}) - \frac{1}{2}(\overrightarrow{OK} + \overrightarrow{OM}) = \frac{1}{2}\left(\frac{1}{2}(\overrightarrow{OC} + \overrightarrow{OD}) + \frac{1}{2}(\overrightarrow{OA} + \overrightarrow{OE})\right) = \frac{1}{4}(\overrightarrow{OA} - \overrightarrow{OB}) = -\frac{1}{4}\overrightarrow{AB}.

Отсюда следует, что отрезки PQ и AB параллельны, а отношение их длино 14\frac{1}{4}.

В приведенном решении мы дважды использовали «формулу разности»

XY→=OY→−OX→\overrightarrow{XY} = \overrightarrow{OY} - \overrightarrow{OX}, позволяющий выразить любой вектор через векторы, отложенные от одной и той же точки.

Вот несколько примеров записи одного и того же утверждения на геометрическом и векторном языках:

  1. Точка A, B, C лежат на одной прямой.
  2. Точка M делит отрезок AB в отношении ∣AM∣:∣MB∣=l:k|AM|:|MB| = l:k
  3. М — точка пересечения медиан (центрroid) треугольника ABC.
  4. ABCD — параллельрам.

В двух последних случаях геометрическое и векторное утверждение равносильны при условии, что точки A, B, C не лежат на одной прямой.

Задача 2. Доказать, что середины оснований и точка пересечения диагоналей трапеции лежат на одной прямой (пис. 2).

Решение. Пусть M, N — середины оснований BC и AD трапеции ABCD, O — точка пересечения диагоналей. Из подобия треугольников AOD и BOC следует: ∣OA∣∣OC∣=∣OD∣∣OB∣\frac{|OA|}{|OC|} = \frac{|OD|}{|OB|}. Обозначая эти

22

  1. Центroid системы точек

Понятие центроид легко переносится с треугольника на произвольную конечную систему точек пространства:

Точка M называется центроидом системы n точек A1,A2,…,AnA_1, A_2, \dots, A_n, если MA→1+MA→2+⋯+MA→n=0→\overrightarrow{MA}_1 + \overrightarrow{MA}_2 + \dots + \overrightarrow{MA}_n = \overrightarrow{0}.

С помощью формулы разности последнее равенство можно переписать так: (OA→1−OM→)+(OA→2−OM→)+⋯+(OA→n−OM→)=0→(\overrightarrow{OA}_1 - \overrightarrow{OM}) + (\overrightarrow{OA}_2 - \overrightarrow{OM}) + \dots + (\overrightarrow{OA}_n - \overrightarrow{OM}) = \overrightarrow{0} (О — произвольная точка),

OA→1+OA→2+⋯+OA→n−n⋅OM→=0→\overrightarrow{OA}_1 + \overrightarrow{OA}_2 + \dots + \overrightarrow{OA}_n - n \cdot \overrightarrow{OM} = \overrightarrow{0},

OM→=1n(OA→1+OA→2+⋯+OA→n)\overrightarrow{OM} = \frac{1}{n} (\overrightarrow{OA}_1 + \overrightarrow{OA}_2 + \dots + \overrightarrow{OA}_n).

Из последней формулы следует, что любая конечная система точек имеет единственный центroid. Причем центроид системы, состоящий из одной точки, — сама эта точка, центроид пары точек — середина соединяющего их отрезка. Нахождение центроида большого числа прощается благородяя следующему принципу: если M1M_1 — центроид системы k точек A1,A2,…,AkA_1, A_2, \dots, A_k, а M2M_2 — центроид системы l точек B1,B2,…,BlB_1, B_2, \dots, B_l и эти системы не имеют общих точек, то центроид системы k + l точек A1,A2,…,Ak,B1,B2,…,BlA_1, A_2, \dots, A_k, B_1, B_2, \dots, Bl — это точка M, принадлежащая отрезку M1M2M_1M_2 и делящая его в отношении ∣M1M2∣=l:k|M_1M_2| = l:k.

Действительно, пусть k⋅M1M→=l⋅MM2→k \cdot \overrightarrow{M_1M} = l \cdot \overrightarrow{MM_2}.

Использовая формулу разности, получим:

k(OM→−OM→1)=l(OM→2−OM→1)k (\overrightarrow{OM} - \overrightarrow{OM}_1) = l (\overrightarrow{OM}_2 - \overrightarrow{OM}_1),

k⋅OM→−k⋅OM→1=l⋅OM→2−l⋅OM→1k \cdot \overrightarrow{OM} - k \cdot \overrightarrow{OM}_1 = l \cdot \overrightarrow{OM}_2 - l \cdot \overrightarrow{OM}_1,

(k+l)⋅OM→=k⋅OM→1+l⋅OM→2(k + l) \cdot \overrightarrow{OM} = k \cdot \overrightarrow{OM}_1 + l \cdot \overrightarrow{OM}_2,

OM→=kk+lOM→1+lk+lOM→2\overrightarrow{OM} = \frac{k}{k + l} \overrightarrow{OM}_1 + \frac{l}{k + l} \overrightarrow{OM}_2.

По формуле (1)

OM→1=1k(OA→1+OA→2+⋯+OA→k)\overrightarrow{OM}_1 = \frac{1}{k} (\overrightarrow{OA}_1 + \overrightarrow{OA}_2 + \dots + \overrightarrow{OA}_k),

OM→2=1l(OB→1+OB→2+⋯+OB→l)\overrightarrow{OM}_2 = \frac{1}{l} (\overrightarrow{OB}_1 + \overrightarrow{OB}_2 + \dots + \overrightarrow{OB}_l),

так что

OM→=1k+l(OA→1+OA→2+⋯+OA→k)\overrightarrow{OM} = \frac{1}{k + l} (\overrightarrow{OA}_1 + \overrightarrow{OA}_2 + \dots + \overrightarrow{OA}_k),

и мы получили требуемое.

Примена этот принцип к тройке вершин треугольника, мы получим, что центроид треугольника лежит на

23

отрезке, соединяющем вершину с центром двух других вершин, то есть с серединой противоположной стороны, и делит этот отрезок в отношении 2:1, считая от вершины. Отсюда следует известная теорема планиметрии: медианы треугольника пересекаются в одной точке и делятся этой точкой в отношении 2:1, считая от вершин.

Аналогично доказывается, что отрезки, соединяющие вершины треугольника с центроидами противоположных граней, пересекаются в одной точке — центроид треугольника — и делятся в этой точке в отношении 3:1, считая от вершин.

  1. Вычисление расстояний и углов

Задав в пространстве тройку некомпланных векторов — базис, можно разложить по этому базису любой вектор единственным образом. Зная же скалярные произведения базисных векторов, мы можем легко вычислить скалярные произведения любых векторов, а следовательно, их длины и углы между ними.

Задание 4. Дано a⃗b⃗=1\vec{a}\vec{b} = 1, a⃗c⃗=2\vec{a}\vec{c} = 2, b⃗c⃗=0\vec{b}\vec{c} = 0, a⃗2=b⃗2=4\vec{a}^2 = \vec{b}^2 = 4, c⃗2=2\vec{c}^2 = 2.

Найти ∣p⃗∣|\vec{p}|, ∣q⃗∣|\vec{q}|, (p⃗,q⃗)(\vec{p}, \vec{q}), если p⃗=2a⃗−b⃗\vec{p} = 2\vec{a} - \vec{b}, q⃗=a⃗+b⃗+c⃗\vec{q} = \vec{a} + \vec{b} + \vec{c}.

Решение: Перепишем условия задачи в виде «таблицы умножения» (табл. 1). Находим: ∣p⃗∣=p⃗2=(2a⃗−b⃗)2=4a⃗2−4a⃗b⃗+b⃗2=16=4|\vec{p}| = \sqrt{\vec{p}^2} = \sqrt{(2\vec{a} - \vec{b})^2} = \sqrt{4\vec{a}^2 - 4\vec{a}\vec{b} + \vec{b}^2} = \sqrt{16} = 4;

∣q⃗∣=q⃗2=(a⃗+b⃗+c⃗)2=a⃗2+b⃗2+c⃗2+2a⃗b⃗+2a⃗c⃗+2b⃗c⃗=16=4|\vec{q}| = \sqrt{\vec{q}^2} = \sqrt{(\vec{a} + \vec{b} + \vec{c})^2} = \sqrt{\vec{a}^2 + \vec{b}^2 + \vec{c}^2 + 2\vec{a}\vec{b} + 2\vec{a}\vec{c} + 2\vec{b}\vec{c}} = \sqrt{16} = 4.

Из определения скалярного произведения получем:

cos⁡(p⃗,q⃗)=p⃗q⃗∣p⃗∣⋅∣q⃗∣=2(a⃗−b⃗)(a⃗+b⃗+c⃗)16=2a⃗2+a⃗b⃗+2a⃗c⃗−b⃗2−b⃗c⃗16=916,\cos(\vec{p}, \vec{q}) = \frac{\vec{p}\vec{q}}{|\vec{p}| \cdot |\vec{q}|} = \frac{2(\vec{a} - \vec{b})(\vec{a} + \vec{b} + \vec{c})}{16} = \frac{2\vec{a}^2 + \vec{a}\vec{b} + 2\vec{a}\vec{c} - \vec{b}^2 - \vec{b}\vec{c}}{16} = \frac{9}{16},

откуда (p⃗,q⃗)=arccos⁡916(\vec{p}, \vec{q}) = \arccos \frac{9}{16}.

Задача 5. Основание признамы ABCA1B1C1ABCA_1B_1C_1 — правильный треугольник. Боковое ребро AA1AA_1 вдвое больше стороны основания и образует углы A1AB=90∘A_1AB = 90^\circ, A1AC=60∘A_1AC = 60^\circ. О — центр треугольника ABCABC. Найти на прямой CC1CC_1, такую точку KK, что прямые B1KB_1K и A1OA_1O перпендикулярны.

Решение. Положение точки KK на прямой CC1CC_1 определяется значением коэффициента xx в равенстве C⃗1K⃗=x⋅C⃗1C⃗\vec{C}_1\vec{K} = x \cdot \vec{C}_1\vec{C}. Обозначим через aa длину стороны основания признамы, выберем в качестве базиса тройку векторов m⃗=AB⃗\vec{m} = \vec{AB}, n⃗=AC⃗\vec{n} = \vec{AC}, p⃗=AA⃗1\vec{p} = \vec{AA}_1 (рис. 5), после чего составим «таблицу умножения» (табл. 2).

Разложим векторы A⃗1O⃗\vec{A}_1\vec{O} и B⃗1K⃗\vec{B}_1\vec{K} в базис (m⃗,n⃗,p⃗)(\vec{m}, \vec{n}, \vec{p}): A⃗1O⃗=A⃗1A⃗+A⃗O=−p⃗+13(m⃗+n⃗)=13(m⃗+n⃗−3p⃗)\vec{A}_1\vec{O} = \vec{A}_1\vec{A} + \vec{A}O = -\vec{p} + \frac{1}{3}(\vec{m} + \vec{n}) = \frac{1}{3}(\vec{m} + \vec{n} - 3\vec{p}), B⃗1K⃗=B⃗1A⃗1+A⃗1C⃗1+C⃗1K⃗=m⃗+n−xp⃗\vec{B}_1\vec{K} = \vec{B}_1\vec{A}_1 + \vec{A}_1\vec{C}_1 + \vec{C}_1\vec{K} = \vec{m} + n - x\vec{p}. Записав условия перпендикурови примых A1OA_1O и B1KB_1K:

(m⃗+n⃗−3p⃗)(−m⃗+n⃗−xp⃗)=0(\vec{m} + \vec{n} - 3\vec{p})(-\vec{m} + \vec{n} - x\vec{p}) = 0, получим, используя таблицу 2: 11a2x−3a2=011a^2x - 3a^2 = 0, откуда x=311x = \frac{3}{11}.

Упражнения

  1. В терраэдре ABCDABCD точки EE и FF — середины ребер ABAB и CDCD. Доказите, что середины отрезков CE,DE,AFCE, DE, AF являются вершинами параллелограмма.

  2. Точки A,B,C,D,E,FA, B, C, D, E, F не лежат в одной плоскости. Доказите, что если прямые ABAB и DE,BCDE, BC и EF,CDEF, CD и AFAF параллельны, то ∣AB∣=∣DE∣,∣BC∣=∣EF∣,∣CD∣=∣AF∣|AB| = |DE|, |BC| = |EF|, |CD| = |AF|.

  3. Доказите, что отрезки, соединяющие середины сторона основания четырехугольников параллелограмма, пересекаются в одной точке. В каком отношении они делятся этой точкой?

  4. Доказите, что середины четырехугольников, о которых идет речь в предыдущем упражении, являются вершинами параллелограмма.