Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →
47
Phép nhân vectơ vô hướng là một trong những khái niệm cơ bản của đại số vectơ. Tính chất của nó được sử dụng rộng rãi trong việc chứng minh lý thuyết và lời giải bài toán.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ minh họa ứng dụng của phép nhân vectơ vô hướng cho lời giải hình học bài toán, được đưa ra trong các kỳ thi đầu vào những năm gần đây trong quá trình phát triển nghiên cứu về vectơ được trình bày trong sách hướng dẫn “Hình học 9” do Z. A. Skopets biên tập. Vì vậy, chúng tôi sẽ không tập trung vào lý thuyết về vấn đề này. Hãy chuyển sang lời giải bài toán.
Bài toán 1. (MIPT, 1977). Cạnh đáy của hình tam giác đều ABCA1B1C1 có chiều dài a. Các đỉnh M và N của tam giác đều MNPQ nằm trên đường thẳng đi qua các điểm C1 và B, các đỉnh P và Q nằm trên đường thẳng A1C. Tìm thấy:
khối lượng công nhận;
khoảng cách giữa trung điểm của các đoạn MN và PQ.
Lời giải. Hãy xem xét các vectơ: CA,CB,CC1,CA2 và BC1 (Hình 1). Hãy biểu thị CA=u,CB=v,CC1=h và ∣h∣=h. Nó tuân theo điều kiện ∣u∣=∣v∣=a.
Vì trong một tứ diện đều (thực ra là trong bất kỳ hình tam giác đều nào) bất kỳ cạnh giao nhau nào đều vuông góc với nhau, nên CA1⊥BC1. Vì vậy CA1⋅BC1=0. Nhưng trong ký hiệu của chúng tôi
CA1=u+hиBC1=h−v,
theo,
(u+h)⋅(h−v)=0,
u⋅h−u⋅v+h2−h⋅v=0.
Xét rằng h⊥u,h⊥v và (u,v)=3π, chúng ta nhận được
h2−2a2=0,илиh=2a,
khối lượng nhận dạng ở đâu V=4a23⋅2a=8a36.
Đặt K và L lần lượt là trung điểm của các đoạn PQ và MN. Hãy cùng tìm ∣KL∣. Lưu ý rằng [KL] là đường vuông góc chung của các cạnh PQ và MN (chính bằng chứng), tức là ∣KL∣ là khoảng cách giữa các đường xiên CA1 và BC1.
Có một số cách để tính khoảng cách giữa các đường giao nhau. Chúng tôi sẽ xác định khoảng cách cần thiết bằng cách sử dụng phép nhân vô hướng. Đồng thời, làm thế nào
49
Không phải HN hay AB. Hãy biểu thị: HP=p, HQ=q và HR=r. Chúng ta biểu thị các vectơ còn lại thông qua p, q và r. Rõ ràng là ∣p∣=∣q∣=2 và ∣r∣=1.
Cho phép
∣RA∣=x∣RF∣, ∣HB∣=y∣HN∣.
Sau đó RA=xRF và HB=yHN.
Rõ ràng, RF=21p−r và HN=21p+21q ([HN] là đường trung bình trong tam giác HPQ). Bởi vì
RA=2xp−xr, HB=2yp+2yq.
Bây giờ chúng ta hãy biểu thị AB thông qua các vectơ p,q và r:
Từ hệ thống này, có tính đến việc các vectơ p,q và r vuông góc với nhau
50
là cular thì AC⋅BM=0 hoặc (b−h)⋅(a+h−y)=0, a⋅b+b⋅h−b⋅y−a⋅h− −h2+h⋅y=0. (5)
Như đã lưu ý, a⋅h=h⋅y=0
Trên cơ sở tương tự b⋅h=0. Do đó, từ (5) ta có a⋅b−b⋅y−h2=0, ab−by−h2=0, y=bab−h2. (6)
Giá trị y từ (6) được xác nhận ở (4) h2=ba2b−ah2,
Ở đâu h=a+bab.
Bài toán 4 (Đại học bang Ural, 1971). Tam giác AOB được quay trong mặt phẳng của nó quanh đỉnh O x 90∘, với đỉnh A bước vào A′ và đỉnh B−bB′. Chứng minh rằng trong tam giác OAB′ đường trung tuyến của cạnh AB′ là chiều cao của tam giác OA′B (tương tự, đường trung bình của cạnh A′B trong tam giác OA′B là chiều cao của ΔOAB′).
Lời giải. Đặt C ở giữa [AB′] (Hình 4). Hãy để chúng tôi chứng minh rằng OC⊥A′B, tức là OC⋅A′B=0; chúng tôi có
Hình 4.
Hình 5.
51
DP=3a6,∣PQ∣=∣MN∣=2a.
Gọi φ là độ lớn của góc giữa các vectơ MN và PQ. Hãy tìm giá trị của φ từ định nghĩa nhân vô hướng của hai vectơ
Lưu ý rằng (MD,DQ)=32π và (DP,MD)=π−MDP. Rõ ràng là cosMDP=36 và cosNDP=322.
Có tính đến những điều trên, chúng tôi nhận được
Hình 6.
cosφ=2a⋅2a−8a2+4a2+3a2−94a2=181.
φ=arccos181 là góc giữa các đoạn MN và PQ.
Nhiệm vụ 6 (MSU, cơ chế, 1970). Độ dài mỗi cạnh của hình chóp tam giác SABC bằng 1, [BD] là chiều cao của tam giác ABC. Tam giác đều BDE nằm trong mặt phẳng tạo thành một góc φ với cạnh AC, đồng thời các điểm S và E nằm cùng một phía của mặt phẳng ABC. Tìm khoảng cách giữa các điểm S và E.
Lời giải. Chúng ta hãy vẽ (Hình 6) trong tam giác BDE chiều cao EM và nối các điểm O và E. Qua điểm M chúng ta vẽ [MN]∥[AC] và [MP]∥[SO]. Vì các đoạn MN và AC song song nên chúng tạo các góc bằng nhau với mặt phẳng BDE. Vì [MN]⊥[BD] và [EM]⊥[BD], nên ∠EMN, như dễ hiểu, là góc mà [MN] (và do đó, [AC]) tạo với mặt phẳng BDE, tức là EMN^=φ. Vì [MP]∥[SO], thì [MP]⊥(ABC) và do đó [MP]⊥[BD] và [MP]⊥[MN]. Vì vậy EMP^=90∘+φ. Rõ ràng là SE=SO+OM+ME.
Hãy tìm bình phương vô hướng của vectơ SE:
SE2=SO2+OM2+ME2+2⋅SO⋅OM+2⋅SO⋅ME+2⋅OM⋅ME.
Rõ ràng là SO⋅OM=OM⋅ME=0. Vì rất dễ báo cáo, (SO,ME)=EMP^=90∘+φ, ∣SE∣2=∣SO∣2+∣OM∣2+∣ME∣2−2⋅∣SO∣⋅∣ME∣⋅sinα. 10).
Nhưng ∣SO∣=36 giống như chiều cao của một tam giác đều có cạnh bằng 1; ∣ME∣=43 – chiều cao như thế nào là chính xác
52
của tam giác tính từ cạnh bằng 23; ∣OM∣=123 (tự tính).
Chúng ta thay thế các giá trị tìm được ∣SO∣,∣OM∣ và ∣ME∣ vào (10):
Bài toán 7 (MIPT, 1974.) Cạnh đáy của tam giác đều ABCA1B1C1 bằng a; các điểm O và O1 lần lượt là tâm của các đáy ABC và A1B1C1. Độ dài hình chiếu trực giao của đoạn AO1 lên đường thẳng B1O1 bằng 65a. Xác định chiều cao của biển báo.
Lời giải. Hãy đặt ∣OO1∣=H. Rõ ràng (Hình 7) là ∣AO∣=∣OB∣=3a3 và ∣OB1∣=3a2+H2. Tiếp theo AO1⋅OB1=∣AO1∣⋅∣OB1∣⋅cosφ. (11)
Được biết, hình chiếu của một vectơ này lên một vectơ khác bằng chiều dài của vectơ thứ nhất nhân với cosin của góc giữa các hướng của vectơ, tức là πOB1⋅AO1=∣AO1∣×cosφ=∣AO1∣⋅cosφ.
Chúng tôi thay thế các giá trị tìm thấy AO1⋅OB1 và ∣OB1∣ thành (12) 6a2+H2=65a3a2+H2, từ đó 108H4=−39a2H2−22a4=0. Vì H>0, nên H=3a6.
1 (MIPT, 1977). Đáy của hình tam giác vuông ABCA1B1C1 là tam giác vuông đều có hai chân ∣AC∣=∣BC∣=a. Các đỉnh M và N của tứ diện đều MNPQ nằm trên đường thẳng CA1, còn các đỉnh P và Q nằm trên đường thẳng AB1. Tìm: 1) thể tích của đường thẳng; 2) khoảng cách giữa trung điểm của các đoạn MN và PQ.
2 (MIPT, 1977). Độ dài của cạnh hình lập phương ABCDA1B1C1D1 bằng a. Điểm E là điểm giữa của cạnh AD. Các đỉnh M và N của tứ diện đều MNPQ nằm trên đường thẳng ED1, các đỉnh P và Q nằm trên đường thẳng đi qua điểm A1 và cắt đường thẳng BC tại điểm R.
Tìm: 1) quan hệ ∣BR∣:∣BC∣; 2) khoảng cách giữa trung điểm của các đoạn MN và PQ.
3 (MIPT, 1969). Trong một tứ diện đều ABCD, đoạn MN nối trung điểm của cạnh AC với tâm của mặt BCD và điểm E nằm ở trung điểm của cạnh AB. Tìm góc giữa các đoạn MN và DE.
4 (Khoa Vật lý, Đại học Tổng hợp Matxcơva, 1963). Hai đoạn – AB có chiều dài a và CD có chiều dài b nằm trên các đường xiên, góc giữa chúng là a. Các đáy O và O1 của đường vuông góc chung có độ dài c với các đường thẳng này chia các đoạn AB và CD sao cho ∣OA∣:∣OB∣=2:3 và ∣OO1∣:∣C1D∣=3:2. Tìm độ dài của các đoạn BD và BC.
5 (Từ nhiệm vụ 3FTSH). Trong hình chữ nhật 4 góc đều SABCD, độ dài đường vuông góc chung của các cạnh SA và BC là d và đáy của nó chia đoạn BC theo tỷ lệ 1:3. Xác định thể tích của đường thẳng.
6 (Học viện Bách khoa Kiev, 1977). Trong mặt phẳng của đường thẳng ABCD cho điểm M. Chứng minh rằng MA⋅MC=MB⋅MD.
7 (Thế vận hội Liên đoàn hạng cân 1974). Cho một hình vuông ABCD. Điểm P và Q lần lượt nằm trên các cạnh AB và BC, với ∣BP∣=∣BQ∣. Gọi H là đáy của đường vuông góc hạ từ điểm B đến đoạn PC. Chứng minh góc DHQ là góc vuông.