《几何向量》PPT课件.ppt

第三章 几何向量 本章主要讨论几何向量的线性运算及线 性相关性,几何向量的数量积、向量积和 混合积,空间中的直线与平面. 1 3.1几何向量及线性运算 w3.1.1几何向量的概念 描述速度、加速度、力等既有方向又有大小的量,称 为向量或矢量. 向量有两个特征-大小和方向,几何中的有向线段 恰好具有这个特征.抛去一般向量的具体意义,我们用几 何空间中有向线段表示向量,并称这样的向量为几何向量 (有时简称向量).有向线段的长度表示向量的大小,有向线 段的方向表示向量的方向. 以A为起点,B为终点的有向线段表示的向量记为AB 如下图所示(图3.1) 2 w有时也用一个黑体字母表示向量,如a, b, n等. w向量的大小叫向量的长度(也叫向量 的模). w向量AB,a的长度依次记为|AB|和|a|. w长度为1的向量称为单位向量. w起点和终点重合的向量称为零向量, 记作0. w零向量的长度等于0,零向量的方向可 以看作是任意的. B A 图3.1 3 w在实际问题中,有些向量与其起点有关,有些向量与其起 点无关.本书只研究与起点无关的向量,并称这种向量为 自由向量. w这样的向量可以平行移动,所以如果两个向量a和b的长 度相等,又互相平行(即在同一条直线上,或在平行直线 上),且指向相同,则说a与b相等,记为a=b,也就是说,平 行移动后能完全重合的向量是相等的.因为本书讨论的 是自由向量,故可以说任两向量共面. 4 w3.1.2几何向量的线性运算 向量的线性运算是指向量的加法和数与向量相乘. 设a=OA,b=OB,规定a与b的和a + b是一个向量,它是 以OA,OB为邻边作平行四边形OACB后,再由点O与其相 对的顶点C连成的向量,即a + b = OC(图3.2).这种方法叫 平形四边形法. 如果两向量a=OA与b=OB在同一直线上,那么规定它们 的和是这样一个向量:当OA与OB的指向相同时,和向量的 方向与原来两向量的方向相同,其长度等于两向量长度的 和;当OA与OB的指向相反时,和向量的方向与较长的向量 的方向相同,而长度等于两向量长度的差. 5 w如图3.2,ACOBb,所以,让a的的 终点与b的起点重合,则由a 的起点 到O到b的终点C的向量OC为a,b的 和向量即OC=a + b,这种方法叫方 法叫求向量a与b和的三角形法. w按定义,容易证明向量加法满足: (1) a + b=b + a(交换律) (2) (a + b)+ c=a +(b + a)(结合律 ) (3) a + 0=a (4) a + (-a)=0 图3.2 O B A C a b C= a+ b 6 w由于向量加法满足结合律,多 个向量相加,不必加括弧指明 相加的次序.求多个向量a1,a2 ,an之和时,只要让前一向量 的终点作为次一向量的起点, 则a1的起点与an的终点相连 并指向后者的向量等于a1+ a2+.+ an n=3的例子如图 3.3所示.与向量b的长度相等 而方向与b的方向相反的向 量称为b的负向量,记为-b.向 量a与-b的和向量记为a- b=a+(-b),称为a与b的差.(见 图3.4) c b a a +b+ c a + b b + c 图3.3 b a - b a 图3.4 7 w为了表示几何向量的“伸缩”,我们定义实数与向量的乘法( 简称数乘运算). w实数k与非零向量a的乘积是一个,记为ka.它的长度|ka|=|k| |a|.它的方向:当k0时,与a同向;当k,零向量与另一向量的夹角可以在 0到间任意取值.可以类似地定义向量与一轴的夹角及 两轴的夹角. 设有空间一点A及一轴u,通过点A作轴u的垂直平面, 那么称平面与轴u的交点A为点A在轴u上的投影(图 3.8) 10 A B O a b 图 3.7 A A u 图 3.8 11 w定义3.1 设向量AB的起点A和终点B在轴u上的投影分别 为A和B (书P62 图3.9),那么轴u上的向线段A B的值A B 其绝对值等于|A B|,其符号由A B的方向决定,当A B与u 轴同向时取正号;反过来与u轴反向时取负号)叫做向量AB 在轴u上的投影,记作Prju AB,轴u叫投影轴. w定理3.1 向量AB在轴u上的投影等于向量的长度乘以轴与 向量的夹角的余弦: PrjuAB= |AB|cos. w如图3.10 (书P62 图3.10),通过向量AB的起点A引轴u,使u 与轴u平行且具有相同的正方向,于是轴u与AB的夹角等 于轴u与AB的夹角,而且有 Prju AB= PrjuAB. 12 但 PrjuAB=AB=|AB|cos, 所以 Prju AB=|AB|cos. 由些可知:相等向量在同一轴上的投影相等.当一非零向 量与其投影轴成锐角时,其投影为正;成钝角时,其投影为负; 成直角时投影为零. 定理3.2 两个向量的和在某轴上的投影等于这两向量在该轴 上的投影的和,即Prju (a1+a2)= Prju a1+ Prju a2. 证 设u为投影轴,作折线ABC,使AB=a1,BC=a2,由向量加法有 三角形法则可知,向量AC就是它们的和(书P62,图3.11), 13 即 AC=AB+BC=a1+a2. 设A,B,C在轴u上的投影分别为A,B,C,那么 Prju AB= AB, Prju BC= BC, Prju AC= AC. 由于不论A,B,C在轴上的位置如何,总有 AB+ BC= AC, 所以Prju AB+ Prju BC= Prju AC. 即Prjua1+Prjua2=Prju(a1+a2) 14 w3.2.2几何向量的数量积 先看一个例子. 设常力F作用在质点m上,使点m产生位移S,那么力F使质 点m产生位移S所做的功为W=|F|S|cos. 其中为F与S的夹角.还有许多问题,都要对两个向量a,b 类似的运算. 定义3.2 设a,b是两个几何向量,称|a|b|cos(=) 为a与b的数量积或内积,记作ab=(a,b),即 ab=(a,b)=|a|b|cos. 15 w根据数量积的定义,两个几何向量的数量积等于零的充要 条件是a=0,或b=0或=/2.我们规定零向量垂直于任何 向量.这样,两个几何向量互相垂直的充要条件是它们的 数量积等于零. w由于|b|cos是向量b在向量a方向上的投影,所以当 a0时,ab就是a的长度|a|与b在a的方向上的投影Prjab之 积 ab=|a|Prjab, ab=|b|Prjba w同样向量的数量积具有下列性质: (1) ab=ba(交换律); (2)(ka)b=k(ab); (3)(a+b)c=ac+bc(分配律); (4) aa0.此外,aa=0的充要条件是a=0. 16 w把(3)推广,可得 (a1+a2+am)(b1+b2+bn)=ambn 由数量积的定义,可得几何向量长度|a|和夹角的公式 注意:向量的数量积不满足消去律,即在一般情况,ab=ac, a0不能推出b=c.事实上,ab=ac是说a(b-c)=0,即a与b-c垂直. 同样ab=cb,b0不能推出a=c. mn i=1,j=1 17 w3.2.3几何向量的向量积 定义3.2 设a,b是两个向量,若向量c满足: (1).|c|=|a|b| sin, =. (2).ca,cb (3).向量a,b,c组成右手系,则称向量c为向量a,b的向量积,记 为ab. 若a,b中有一个是零向量,规定ab=0. 由向量积定义可知:ab=0可以互相推出a与b平行. 18 w几何向量的向量具有下列性质: (1). ab=-ba; (2).(ka)b=k(ab)=a(kb); (3).(a+b)c=(ac)+(bc); a(b+c)=(ab)+(ac); 注意:向量的向量积不满足交换律. .向量的向量积不满足消去律,即在一般情况下 ab=ac,a0不可推出b=c.同样在一般情况下 ab=cb,b0不可推出a=c. 19 w3.2.4几何向量的混合积 定义3.4 已知三个向量a,b和c.先作a和b的向量积ab, 把所得的向量与c再作数量积(ab)c这样得到的数量叫 做三向量a,b,c的混合积,记作abc. 向量的混合积有如下几何意义:abc=(ab)c的绝对 值表示以向量a,b,c为棱的平行六面体.如果向量a,b,c组成 右手系,那么混合积的符号是正的;如果a,b,c组成左手系, 那么混合积的符号是负的. 向量的混合积满足: (ab)c=(bc)a=(ca)b=-(ba)c=-(cb)a=-(ac)b ,即abc=bca=cab=-bac=-cba=-acb. 20 w3.2.5几何向量的坐标 为了将几何向量的加法、数乘、数量积、向量积及混合积 的计算转化为数的代数运算,我们先引入空间直角坐标系的概 念,并给出几何向量的坐标表示式(代数表示式). 过空间一个定点o,作三角相互垂直的数轴,它们都以o为原点 且一般具有相同的长度单位.这三条轴分别叫x轴(横轴) 、y轴 (纵轴) 、z(竖轴);统称坐标轴.通常把x轴和y轴配置在水平面上 ,而z轴则是铅垂线;它们的正方向通常构成”右手规则”.这样的 三条坐标轴就构成了一个空间直角坐标系,记作Oxyz.点O叫做 坐标原点(或原点). 21 三条坐标轴中的任意两条可以确定一个平面.这样定出的 三个平面统称为坐标面.x轴及y轴所确定的坐标面叫xOy面. 同样,另两个的坐标面分别叫做yOz面及zOx面.三个坐标面把 空间分成八个部份,每一部分叫做一个卦限.含有x轴、y轴及z 轴的正半轴的那个卦限叫做第一卦限,其它为第二、第三、 第四卦限,在xOy轴的上方,按逆时针方向确定.第五卦限在第 一卦限的下方,其它第六、七、八卦限在xOy面的下方,按逆 时针方向确定.(书P65 图3.17 ) 22 设M是空间中任一点,P,Q,R分别是点M在x,y,z轴上的投影. 记P,Q,R在x,y,z轴上的坐标依次为x,y,z,则点M唯一地确定了 一个三元有序实数组(x,y,z).反之,任给一三元有序数组 (x,y,z) ,按同样的含义,也唯一地确定了Oxyz坐标系中一个点.称这组 数x,y,z为点M的坐标,并依次称x,y和z为点M的横坐标、纵坐 标和竖坐标.坐标为x,y,z的点M通常记为M(x,y,z). 在空间直角坐标系Oxyz的三条轴Ox,Oy,Oz的正方向依次取 三个单位向量i,j,k,称其为基本单位向量. 由基本单位向量的定义可知: ii=jj=kk=1,ij=ik=jk=0,ij=k,jk=I,ki=j,ji=-k, kj=-I,ik=-j,ii=jj=kk=0。 23 下面指出,空间中任一向量a都可以唯一地表示成 axi+ayj+azk 的形式,其中ax, ay , azR. 定义3.5 设a是一个几何向量,若a=axi+ayj+azk.则称(ax, ay , az) 为向量a关于基本单位向量 i,j,k的坐标,简称坐标(为了区分点 的坐标与向量的坐标,有时将向量坐标记为ax, ay , az). 由向量坐标的定义可知, ax=Prjxa,ay=Prjya,az=Prjya. 24 3.3空间中的平面与直线 w 取定三维几何空间中的一个坐标系(一般取直角坐标系), 任给一个平面(直线L)的方程,就是平面(直线L)上任意点 M(x,y,z)的坐标(x,y,z)所满足的一个方程F(x,y,z)=0,并且满 足这个方程F(x,y,z)=0的点M(x,y,z)一定在平面(直线L)上. 本节在空间直角坐标系中建立平面与直线的方程,讨论空间 中点、直线、平面之间的一些关系. 25 w3.3.1空间中平面的方程 设平面通过点M0(x0,y0,z0)并且垂直于非零向量n=(A,B,C), 如图(书P69 图3.20).下面建立平面的方程. 称垂直于平面的非零向量n=(A,B,C)为平面的法向量. 设M(x,y,z)是平面上的任意一点,则M0M与n垂直,从而 nM0M=0,由M0MOMOM0=(x-x0,y-y0,z-z0),n=(A,B,C)知 A(x-x0)+B(y-y0)+C(z-z0)=0 (1) 即平面上任一点M(x,y,z)的坐标满足式(1).反之,若点(x,y, z)的坐标满足式(1),则M0M与n垂直,故点M必在平面上.从 而式(1)就是平面的方程,称其为平面的点法式方程. 26 将式(1)整理得 Ax+By+Cz+D=0. (2) 其中D=-(Ax0+By0+Cz0+D),称方程(2)为平面的一般方程. 由于任一平面都可用它上面的一点及它的法向量来确定,所 以由上面的讨论可知,任一平面的方程都 可以写形如式(2) 的三元一次方程的形式.反过来,当A,B,C中至少有一个不为零 时,形如式(2)的每一个三元一次方程都确定一个法向量为n= (A,B,C)的平面.事实上,任取满足式(2)的一组数x0,y0,z0,刚 Ax0+By0+Cz0+D=0. (3) 由式(2)及式(3)得A(x-x0)+B(y-y0)+C(z-z0)=0. (4) 这是通过点M0(x0,y0,z0),垂直于n=(A,B,C)的平面方程.又式(2) 与式(4)同解,故当A,B,C不全为零时,任意一个形如式(2)的三 员一次方程都是平面方程. 27 (6) 称这样的方程为平面的截距式方程 x-x0 y-y0 z-z0 x2-x1 y2-y1 z2-z1 =0 (5)称这样的方程为平面的三点式方程 x3-x2 y3-y2 z3-z2 28 w3.3.2空间中直线方程 如果非零向量s平行于一条已知直线L,则称s直线L的方向向 量. 我们来建立过已知点M0(x0,y0,z0),并且平行于已知非零向量 S=(m,n,p)的直线L的方程. 设点M(x,y,z)是直线上的任意一点.那么,向量M0M=(x0-x0, y0- y0, z0-z0) 与向量S平行(书P72 图3.22).于是存在数t使 M0M=ts于是 x=x0+mt y=y0+nt (t为参数方程) (7) z=z0+pt 29 消去t得 (8) 易证,点M(x,y,z)在直线L上的充要条件是其坐标x,y,z满足方程(8),故方程(8 )是直线L的方程.称方程(8)为直线L的标准方程,称方程(7)为直线L的参数方 程. 当方程(8)中m,n,p中有一个为零,例如m=0而n,p0时方程应理解为 = 当m,n,p有两个为零时,m=n=0,而p0方程(8)理解为 x-x0=0 y-y0=0 x-x0=0 y-y0 z-z0 n p 30 设平面为1,2为 1: A1x+B1y+C1z+D1=0 1: A2x+B2y+C2z+D2=0 相交于一条直线L(书P72 图3.23),则直线方程为: A1x+B1y+C1z+D1=0 A2x+B2y+C2z+D2=0 (9) 事实上,L上任一点M(x,y,z)既在1上又在2上,故M(x,y,z)的 坐标满足方程(9).反之,若M(x,y,z)的坐标满足方程(9),是M(x ,y,z)既在1上又在2上,从而必须在直线L上.称方程(9)为直 线L的一般方程. 31 给定一条直线L,通过直线L的平面有无限多个,在这无限多个 平面中任选两个(不重合)平面,把它们的方程联立起来,所得 的方程就是L的一般方程. (10) 称方程(10)为直线L的二点式方程. 32 w3.3.3距离 先来考查点到平面的距离. 设M0(x0,y0,z0)是平面:Ax+By+Cz+D=0外一点.在平面 上任取一点M0(x1,y1,z1),作平面的法向量n=(A,B,C),则点M0 到平面的距离d(书P73 图3.24)为 d=|Prjn M1M0|. 设n是与n方向一致的单位向量,则 Prjn M1M0=n M1M0 33 但 M1M0=(x0-x1,y0-y1,z0-z1) 于是由M1(x1,y1,z1)在平面上, Ax1+By1+Cz1+D=0得 d=| PrjnM1M0|=|nM1M0| 34 再来看点到直线的距离.设直线L的标准方程为 即L过点M(x0,y0,z0),并且方向向量为S=(m,n,p),再设 M1(x1,y1,z1) 是直线L外一点,则点M1到直线L的距离d(书P74 图3.25)为 |sM0M1| |s| (11) 事实上,以它为邻边的平行四边形的面积为 |sM0M1|.又因为 面积=d|S|,故公式(11)成立. d= 35 最后研究两条异面直线 记P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2),是L1,L2上的两点.L1,L2的方向向量S1 =(m1,n1,p1),S2 =(m2,n2,p2)分别与L1,L2的公垂线垂直,所以L1,L2 的公垂线的方向向量为S1S2如图(P75 图3.26) P1P2在S1S2上的投影的绝对值就是L1L2之间的距离d,即 d=|PrjS1S2P1P2| 36 w3.3.4位置关系 先讨论平面与平面间的位置关系. 设有两个平面 1:A1x+B1y+C1z+D1=0, 2:A2x+B2y+C2z+D2=0, 称1,2的法向量的夹角为这 两个平面的夹角,通常规定0 ,平面1与2的夹角可由公式 来确定(书P76 图3.27). 37 1与2垂直的充要条件是其法向量n1,n2互相垂直,即 A1A2+B1