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第一章 矢量与坐标
§1.3 数量乘矢量
4、 设,,,证明:、、三点共线.
证明 ∵
∴与共线,又∵为公共点,从而、、三点共线.
6、 设L、M、N分别是ΔABC的三边BC、CA、AB的中点,证明:三中线矢量, , 可 以构成一个三角形.
证明:
7.、设L、M、N是△ABC的三边的中点,O是任意一点,证明
+=++.
[证明]
=
由上题结论知:
从而三中线矢量构成一个三角形。
8.、如图1-5,设M是平行四边形ABCD的中心,O是任意一点,证明
+++=4.
图1-5
[证明]:因为=(+), =(+),
所以 2=(+++)
所以
+++=4.
10、 用矢量法证明梯形两腰中点连续平行于上、下两底边且等于它们长度和的一半.
证明 已知梯形,两腰中点分别为、,连接、.
,
,∴ ,即
§1.4 矢量的线性关系与矢量的分解
图1-7
3.、设一直线上三点A, B, P满足=l(l¹-1),O是空间任意一点,求证:
=
[证明]:如图1-7,因为
=-,
=-,
所以 -=l (-),
(1+l)=+l,
从而 =.
4.、在中,设.
(1) 设是边三等分点,将矢量分解为的线性组合;
(2)设是角的平分线(它与交于点),将分解为的线性组合
解:(1),
,同理
(2)因为 =,
且 与方向相同,
所以 =.
由上题结论有
==.
5.在四面体中,设点是的重心(三中线之交点),求矢量对于矢量
的分解式。
解:是的重心。连接并延长与BC交于P
同理 C O
(1) G P
(2) A B
(3) (图1)
由(1)(2)(3)得
6.用矢量法证明以下各题
(1)三角形三中线共点
证明:设BC,CA,AB中,点分别为L,M,N。AL与BM交于,AL于CN交于
BM于CN交于,取空间任一点O,则 A
A 同理 N M
B L C
三点重合 O
三角形三中线共点 (图2)
即
§1.5 标架与坐标
9. 已知线段AB被点C(2,0,2)和D(5,-2,0)三等分,试求这个线段两端点A与B的坐标.
答 A(-1,2,4),B(8,-4,2).
10.证明:四面体每一个顶点与对面重心所连的线段共点,且这点到顶点的距离是它到对面重心距离的三倍. 用四面体的顶点坐标把交点坐标表示出来.
[证明]:设四面体A1A2A3A4,Ai对面重心为Gi, 欲证AiGi交于一点(i=1, 2, 3, 4).
在AiGi上取一点Pi,使=3, 从而=,
设Ai (xi, yi, zi)(i=1, 2, 3, 4),则
G1,
G2,
G3,
G4,
所以
P1(,,)
ºP1(,,).
同理得P2ºP3ºP4ºP1,所以AiGi交于一点P,且这点到顶点距离等于这点到对面重心距离的三倍.
§1.7 两矢量的数性积
计算下列各题 (1)已知等边△的边长为且求 ; 已知两两垂直且 求的长和它与的夹角 已知与垂直,求的夹角 已知 问系数取何值时与垂直? 解∵∴ ∵且 设 ∴ 设与的夹角分别为 ∴ ∴,, ,即 ,即
得: 得:
∴ ∴ ∴ ∴
图1-11
4. 用矢量法证明以下各题:
(1) 三角形的余弦定理 a2=b2+c2-2bccosA;
(2) 三角形各边的垂直平分线共点且这点到各顶点等距.
证明:(1)如图1-21,△ABC中,设=,=,=,
且||=a,||=b,||=c. 则=-,
2=(-)2=2+2-2×=2+2-2||||cosA.
图1-12
此即 a2=b2+c2-2bccosA.
(2) 如图1-22,设AB, BC边的垂直平分线PD, PE相交于P,
D, E, F为AB, BC, CA的中点, 设=, =, =, 则=-, =-, =-, =(+),
=(+).
因为 ^, ^,
所以 (+)(-)=(2-2)=0,
(+)(-)=(2-2)=0,
从而有 2=2=2, 即 ||2=||2=||2,
所以 (+)(-)=(2-2)=0,
所以 ^, 且 ||=||=||.
故三角形各边的垂直平分线共点且这点到各顶点等距.
已知△的三顶点 试求:△三边长 △三内角 三中线长 角的角平分线矢量(中点在边上),并求的方向余弦和单位矢量
解: , ∴ ∴ ∴ ∴ ∴ ∴ ∴ ∴=﹛﹜ ∴,, 设它的单位矢量为﹛﹜,且 ∴﹛﹜=﹛﹜
§1.8 两矢量的失性
4. 已知: ,求与,都垂直,且满足下列条件的矢量: 为单位矢量 ,其中. 解: 设.∵=0 ∴=0 =1 由,,: 设.∵ ∴=10 由,, 得: .
5. 在直角坐标系内已知三点,试求: 三角形的面积 三角形的三条高的长. 解: , ,
=, .
.
, , . ∴, , .
7. 用矢量方法证明:
(1)三角形的正弦定理
==.
(2)三角形面积的海伦(Heron)公式,即三斜求积公式:
D2=p(p-a)(p-b)(p-c).
式中p=(a+b+c)是三角形的半周长,D为三角形的面积.
[证明]: (1) 如图1-13,在△ABC中,设=,=,=,
且||=a,||=b, ||=c, 则 ++=,
从而有 ´=´=´,
所以 |´|=|´|=|´|,
bcsinA=casinB=absinC,
于是 ==.
(2) 同上题图,△ABC的面积为
D=|´|,
所以 D2=(´)2.
因为 (´)2+(×)2=22,
所以 D2=[22-(×)2].
由于 ++=,
从而 +=-,(+)2=2,
所以 =(2-2-2)=(c2-a2-b2),
故有 D2=[a2b2-(c2-a2-b2)2]
=[2ab-(c2-a2-b2)][2ab+(c2-a2-b2)]
=[(a+b)2-c2][2-(a-b)2]
=(a+b+c)(a+b-c)(c+a-b)(c-a+b)
=×2p×(2p-2c)(2p-2b)(2p-2a).
所以 D2=p(p-a)(p-b)(p-c),
或 D=.
§1.9 三矢量的混合积
4.已知直角坐标系内矢量的分量,判别这些矢量是否共面?如果不共面,求出以它们为三邻边作成的平行六面体体积. , , . , , . 解: 共面 ∵= ∴向量共面 不共面 ∵= ∴向量不共面 以其为邻边作成的平行六面体体积
5. 已知直角坐标系内四点坐标,判别它们是否共面?如果不共面,求以它们为顶点的四面体体积和从顶点所引出的高的长.
⑴;
⑵.
解: ⑴共面.
⑵
又,
顶点所引出的四面体高为.
第二章 轨迹与方程
§2.1平面曲线的方程
1.一动点到的距离恒等于它到点的距离一半,求此动点的轨迹方程,并指出此轨迹是什么图形?
解:动点在轨迹上的充要条件是。设的坐标有 化简得
故此动点的轨迹方程为
此轨迹为椭圆
2. 有一长度为>0)的线段,它的两端点分别在轴正半轴与轴的正半轴上移动,是求此线段中点的轨迹。,为两端点,为此线段的中点。 解:如图所示 设.则.在中有 .把点的坐标代入此式得: .∴此线段中点的轨迹为
3. 一动点到两定点的距离的乘积等于定值,求此动点的轨迹. 解:设两定点的距离为,并取两定点的连线为轴, 两定点所连线段的中垂线为轴.现有:.设在中
在中.
由两式得: .
§2.2 曲面的方程
2、在空间,选取适当的坐标系,求下列点的轨迹方程:
(1)到两定点距离之比为常数的点的轨迹;
(2)到两定点的距离之和为常数的点的轨迹;
(3)到两定点的距离之差为常数的点的轨迹;
(4)到一定点和一定平面距离之比等于常数的点的轨迹。
解:(1)取二定点的连线为轴,二定点连接线段的中点作为坐标原点,且令两距离之比的常数为,二定点的距离为,则二定点的坐标为,设动点,所求的轨迹为,则
亦即
经同解变形得:
上式即为所要求的动点的轨迹方程。
(2)建立坐标系如(1),但设两定点的距离为,距离之和常数为。设动点,要求的轨迹为,
则
亦即
两边平方且整理后,得: (1)
从而(1)为
即:
由于上述过程为同解变形,所以(3)即为所求的轨迹方程。
(3)建立如(2)的坐标系,设动点,所求的轨迹为,
则
类似于(2),上式经同解变形为:
其中 (*)
(*)即为所求的轨迹的方程。
(4)取定平面为面,并让定点在轴上,从而定点的坐标为,再令距离之比为。
设动点,所求的轨迹为,则
将上述方程经同解化简为: (*)
(*)即为所要求的轨迹方程。
第三章 平面与空间直线
§ 3.1平面的方程
1.求下列各平面的坐标式参数方程和一般方程:
(3)已知四点,,。求通过直线AB且平行于直线CD的平面,并求通过直线AB且与平面垂直的平面。
解:(ⅰ)设平面通过直线AB,且平行于直线CD:
,
从而的参数方程为:
一般方程为:。
(ⅱ)设平面通过直线AB,且垂直于所在的平面
,
均与平行,所以的参数式方程为:
一般方程为:.
5. 求下列平面的一般方程.
⑴通过点和且分别平行于三坐标轴的三个平面;
⑵过点且在轴和轴上截距分别为和的平面;
⑶与平面垂直且分别通过三个坐标轴的三个平面;
⑷已知两点,求通过且垂直于的平面;
⑸原点在所求平面上的正射影为;
⑹求过点和且垂直于平面的平面.
解:平行于轴的平面方程为.即.
同理可知平行于轴,轴的平面的方程分别为.
⑵设该平面的截距式方程为,把点代入得
故一般方程为.
⑶若所求平面经过轴,则为平面内一个点,
和为所求平面的方位矢量,
∴点法式方程为
∴一般方程为.
同理经过轴,轴的平面的一般方程分别为.
⑷垂直于平面,
∴该平面的法向量,平面通过点,
因此平面的点位式方程为.
化简得.
(5)
∴
则该平面的法式方程为:
既
(6)平面的法向量为,,点从
写出平面的点位式方程为,则
,
则一般方程即:
8.已知三角形顶点求平行于所在的平面且与她相距为2各单位的平面方程。
解:设点则写出平面的点位式方程
设一般方程
则
相距为2个单位。则当时当时
所求平面为和
9.求与原点距离为6个单位,且在三坐标轴与上的截距之比为的平面。
解:设设平面的截距方程为
即
又原点到此平面的距离
所求方程为
10.平面分别与三个坐标轴交于点求的面积。
解 , ,,. ;. ∴=
§ 3.2 平面与点的相关位置
3.已知四面体的四个顶点为,计算从顶点向底面ABC所引的高。
解:地面ABC的方程为:
所以,高。
4.求中心在且与平面相切的球面方程。
解:球面的半径为C到平面:的距离,它为:
,
所以,要求的球面的方程为:
.
即:.
5.求通过轴其与点相距8个单位的平面方程。
解:设通过轴的平面为它与点相距8个单位,从而
因此
从而得或于是有或
所求平面为或
6. 求与下列各对平面距离相等的点的轨迹.
⑴;
⑵.
解: ⑴
令
化简整理可得:与.
⑵对应项系数相同,可求,从而直接写出所求的方程:.
3.3 两平面的相关位置
2.分别在下列条件下确定的值:
(1)使和表示同一平面;
(2)使与表示二平行平面;
(3)使与表示二互相垂直的平面。
解:(1)欲使所给的二方程表示同一平面,则:
即:
从而:,,。
(2)欲使所给的二方程表示二平行平面,则:
所以:,。
(3)欲使所给的二方程表示二垂直平面,则:
所以: 。
5. 求下列平面的方程:
(1) 通过点和且与坐标面成角的平面;
(2) 过轴且与平面成角的平面.
解 ⑴ 设所求平面的方程为
又xoy面的方程为z=0,所以
解得,∴所求平面的方程为,
即
⑵设所求平面的方程为;则
或
所求平面的方程为或.
§ 3.4空间直线的方程
1.求下列各直线的方程:
(1)通过点和点的直线;
(2)通过点且平行于两相交平面:
的直线;
(3)通过点且与三轴分别成的直线;
(4)通过点且与两直线和垂直的直线;
(5)通过点且与平面垂直的直线。
解:(1)由本节(3.4—6)式,得所求的直线方程为:
即:,亦即。
(2)欲求直线的方向矢量为:
所以,直线方程为:。
(3)欲求的直线的方向矢量为:,
故直线方程为:。
(4)欲求直线的方向矢量为:,
所以,直线方程为:
。
(5)欲求的直线的方向矢量为:,
所以直线方程为:
。
3.求下列各平面的方程:
(1)通过点,且又通过直线的平面;
(2)通过直线且与直线
平行的平面;
(3)通过直线且与平面垂直的平面;
(4)通过直线向三坐标面所引的三个射影平面。
解:(1)因为所求的平面过点和,且它平行于矢量,所以要求的平面方程为:
即。
(2)已知直线的方向矢量为,
平面方程为:
即
(3)要求平面的法矢量为,
平面的方程为:,
即。
(4)由已知方程
分别消去,,得到:
,,
此即为三个射影平面的方程。
§ 3.5直线与平面的相关位置
2.试验证直线:与平面:相交,并求出它的交点和交角。
解:
直线与平面相交。
又直线的坐标式参数方程为:
设交点处对应的参数为,
,
从而交点为(1,0,-1)。
又设直线与平面的交角为,则:
,
。
3.确定的值,使:
(1)直线与平面平行;
(2)直线与平面垂直。
解:(1)欲使所给直线与平面平行,则须:
即。
(2)欲使所给直线与平面垂直,则须:
所以:。
§ 3.6空间直线与点的相关位置
2.求点到直线的距离。
解:直线的标准方程为:
所以,p到直线的距离为:
。
3.7空间直线的相关位置
7.求通过点且与平面平行,又与直线相交的直线方程.
解 设过点的所求直线为
∵ 它与已知平面平行,所以有 (1)
又∵ 直线与已知直线相交,那么必共面.
∴ 又有
即 7x+|8y-12z=0 (2)
由(1),(2)得
而
∴ 所求直线的方程为
8. 求通过点且与两直线都相交的直线方程.
解 设所求直线的方向矢量为,
则所求直线可写为
∵ 直线平行于矢量
∴矢量为直线的方向矢量.
由于因此令y=o解方程组得
x=1,z=o
∴ 点(1,o,o) 为直线上的一点.
∴ 直线的标准方程为.
∵
∴ 有
即 X+3Y+3Z=0.
即 X-13Y-3Z=0.
得 X:Y:Z=30:6:-16
又∵
即
,
即
∴ 所求直线方程为:
10. .求过点且与直线相交的直线方程.
解 设所求直线的方向矢量为
则所求直线可写为
∴ 3X+2Y-2Z=0 (1)
即 50X-69Y+6Z=0 (2)
由(1),(2)得
∴所求直线为:
§ 3.8 平面束
3.求通过直线且与平面成角的平面。
解:设所求的平面为:
则:
从而 ,或
所以所求平面为:
或
4.求通过直线且与点的距离等于3的平面。
解:直线的一般方程为:
设所求的平面的方程为,
据要求,有:
有
或
即所求平面为:
或
即:或
第四章 柱面、锥面、旋转曲面与二次曲面
§ 4.1柱面
2、设柱面的准线为,母线垂直于准线所在的平面,求这柱面的方程。
解:由题意知:母线平行于矢量
任取准线上一点,过的母线方程为:
而在准线上,所以:
消去,得到:
此即为所求的方程。
3、求过三条平行直线的圆柱面方程。
解:过原点且垂直于已知三直线的平面为:它与已知直线的交点为,这三点所定的在平面上的圆的圆心为,圆的方程为:
此即为欲求的圆柱面的准线。
又过准线上一点,且方向为的直线方程为:
将此式代入准线方程,并消去得到:
此即为所求的圆柱面的方程。
§ 4.2锥面
2、已知锥面的顶点为,准线为,试求它的方程。
解:设为要求的锥面上任一点,它与顶点的连线为:
令它与准线交于,即存在,使
将它们代入准线方程,并消去得:
此为要求的锥面方程。
4、求以三坐标轴为母线的圆锥面的方程。
解:(这里仅求Ⅰ、Ⅶ卦限内的圆锥面,其余类推)
圆锥的轴与等角,故的方向数为
与垂直的平面之一令为
平面在所求的锥面的交线为一圆,该圆上已知三点,该圆的圆心为,故该圆的方程为:
它即为要求圆锥面的准线。
对锥面上任一点,过与顶点的母线为:
令它与准线的交点为,即存在,使,将它们代入准线方程,并消去得:
此即为要求的圆锥面的方程。
5、求顶点为,轴与平面垂直,且经过点的圆锥面的方程。
解:轴线的方程为:
过点且垂直于轴的平面为:
即:
该平面与轴的交点为,它与的距离为:
要求圆锥面的准线为:
对锥面上任一点,过该点与顶点的母线为:
令它与准线的交点为,即存在,使
将它们代入准线方程,并消去得:
§ 4.3旋转曲面
1、求下列旋转曲面的方程:
(1);绕旋转
(2);绕旋转
(3)绕轴旋转;
(4)空间曲线绕轴旋转。
解:(1)设是母线上任一点,过的纬圆为:
又在母线上。
从(1)——(3)消去,得到:
此为所求的旋转面方程。
(2)对母线上任一点,过的纬圆为:
因在母线上, (3)
从(1)——(3)消去,得到:
此为所求的旋转面的方程。
(3)对母线上任一点,过该点的纬圆为:
又在母线上,所以: (3)
从(1)——(3)消去,得到:
此为所求的旋转面方程。
(4)对母线上任一点,过的纬圆为:
又在母线上,所以
从(1)——(3)消去,得到:
即旋转面的方程为:
§4.4椭球面
2、设动点与点的距离等于从这点到平面的距离的一半,试求此动点的轨迹。
解:设动点,要求的轨迹为,则
即:
此即为的方程。
3、由椭球面的中心(即原点),沿某一定方向到曲面上的一点的距离为,设定方向的方向余弦分别为,试证:
证明:沿定方向到曲面上一点,该点的坐标为
该点在曲面上
即
4、由椭球面的中心,引三条两两相互垂直的射线,分别交曲面,设,试证:
证明:利用上题结果,有
其中是的方向余弦。
若将所在的直线看成新的坐标系的三个坐标轴,则是坐标矢量关于新坐标系的方向余弦,从而,同理,,
所以,
即:
§ 4.5双曲面
3、已知单叶双曲面,试求平面的方程,使这平面平行于面(或面)且与曲面的交线是一对相交直线。
解:设所求的平面为,则该平面与单叶双曲面的交线为:
(*)
亦即
为使交线(*)为二相交直线,则须:,即
所以,要求的平面方程为:
同理,平行于的平面要满足它与单叶双曲面的交线为二相交直线,则该平面为:
4、设动点与的距离等于这点到平面的距离的两倍,试求这动点的轨迹。
解:设动点,所求轨迹为,则
亦即:
此为的轨迹方程。
5、试求单叶双曲面与平面的交线对平面的射影柱面。
解:题中所设的交线为:
从此方程中消去,得到:
此即为要求的射影柱面方程。
§ 4.6抛物面
2、适当选取坐标系,求下列轨迹的方程:
(1)到一定点和一定平面距离之比为定常数的点的轨迹;
(2)与两给定的异面直线等距离的点的轨迹,已知两异面直线间的距离为,夹角为。
解:(1)取定平面为面,过定点且垂直于面的直线作为轴,则定点的坐标设为,而定平面即为,设比值常数为,并令所求的轨迹为,则
点
即
此为的方程。
(2)取二异面直线的公垂线为轴,中点的坐标为原点;再取轴,使其与二异面直线的夹角相等,则二异面直线的方程为:
与
设所求的轨迹为,则
即:
经同解化简得:
此即所要求的轨迹方程。
§ 4.7单叶双曲面与双叶双曲面的直母线
3、在双曲抛物面上,求平行于平面的直母线。
解:双曲抛物面的两族直母线为:
及
第一族直母线的方向矢量为:
第二族直母线的方向矢量为:
据题意,要求的直母线应满足:
要求的直母线方程为:
及
5、求与两直线与相交,而且与平面平行的直线的轨迹。
解:设动直线与二已知直线分别交于,则
,
又动直线与平面平行,所以,
对动直线上任一点,有:
从(1)——(4)消去,得到:
第五章 二次曲线一般的理论
§5.1二次曲线与直线的相关位置
1. 写出下列二次曲线的矩阵A以及,及.
(1);(2);(3);(4)
(5).
解:(1);;;;
(2);;.
(3);;;;
(4);;;;
(5);;;.
2. 求二次曲线与下列直线的交点.
(1);
(2);
(3);
(4);
(5).
解:提示:把直线方程代入曲线方程解即可,详解略
(1);
(2),;
(3)二重点;
(4);
(5)无交点.
3. 求直线与二次曲线的交点.
解:由直线方程得代入曲线方程并解方程得直线上的所有点都为交点.
4 .试确定k的值,使得(1)直线与二次曲线交于两不同的实点;
(2)直线与二次曲线交于一点;
(3)与二次曲线交于两个相互重合的点;
(4)与二次曲线交于两个共轭虚交点.
解:详解略.(1);(2)或(3)或;(4).
§5.2二次曲线的渐进方向、中心、渐进线
6. 求下列二次曲线的渐进线.
(1);
(2);
(3).
解:(1)由得中心坐标.
而由得渐进方向为或,所以渐进线方程分别为与
(2)由得中心坐标.
而由得渐进方向为或,所以渐进线方程分别为与
(3)由知曲线为线心曲线,.
所以渐进线为线心线,其方程为.
§5.3二次曲线的切线
1. 求以下二次曲线在所给点或经过所给点的切线方程.
(1)曲线在点(2,1);
(2)曲线曲线在点在原点;
(3)曲线经过点(-2,-1);
(4)曲线经过点;
(5)曲线经过点(0,2).
解:(1);
(2);
(3);
(4);
(5).
2. 求下列二次曲线的切线方程并求出切点的坐标.
(1)曲线的切线平行于直线;
(2)曲线的切线平行于两坐标轴.
解:(1),和,;
(2),和,.
4.试求经过原点且切直线于点(1,-2)及切直线于点(0,-1)的二次曲线方程.
解:利用(5.3-5)可得
§5.4二次曲线的直径
2.求曲线通过点(8,0)的直径方程,并求其共轭直径.
解:(1)把点(8,0)代入
得,再代入上式整理得直径方程为,其共轭直径为.
3.已知曲线的直径与轴平行,求它的方程,并求出这直径的共轭直径.
解:直径方程为,其共轭直径方程为.
7.求下列两条曲线的公共直径.
(1)与;
(2)与.
解:(1);(2).
§5.6二次曲线方程的化简与分类
1. 利用移轴与转轴,化简下列二次曲线的方程并写出它们的图形.
(1);
(2);
(3);
(4).
解(1)因为二次曲线含项,我们先通过转轴消去,设旋转角为,则,即,所以或-2.取,那么,,所以转轴公式为代入原方程化简再配方整理得新方程为
;
类似的化简可得
(2);(3);(4).
§5.7应用不变量化简二次曲线的方程
1. 利用不变量与半不变量,判断下列二次曲线为何种曲线,并求出它的化简方程与标准方程.
(1);
(2);
(3);
(4);
(5);
(6);
(7);
(8).
解:(1)因为,,,,而特征方程
的两根为,所以曲线的简化方程(略去撇号)为
,
曲线的标准方程为
,
曲线为双曲线;
类似地得下面:
(2)曲线的简化方程(略去撇号)为
,
曲线的标准方程为
,
曲线为椭圆;
(3)曲线的简化方程(略去撇号)为
,
曲线的标准方程为
,
曲线为两相交直线;
(4)曲线的简化方程(略去撇号)为
,
曲线的标准方程为
,
曲线为抛物线;
(5)曲线的简化方程(略去撇号)为
,
曲线的标准方程为
,
曲线为一实点或相交与一实点的两虚直线;
(6)曲线的简化方程(略去撇号)为
,
曲线的标准方程为
,
曲线为抛物线的一部分;
(7)曲线的简化方程(略去撇号)为
,
曲线的标准方程为
,
曲线为两平行直线;
(8)曲线的简化方程(略去撇号)为
,
曲线的标准方程为
,
曲线为两重合直线.
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