第七章 空间解析几何与向量代数
**节 空间直角坐标系
一、教学基本要求
1. 掌握空间直角坐标系和空间点的直角坐标的概念.
2. 掌握空间两点间的距离公式.
二、答疑解惑
在空间直角坐标系中,坐标面上方点的坐标有何特征?
答 过坐标面上方的点作垂直于轴的平面,与轴的交点一定在轴的正半轴上,其竖坐标大于零,故在空间直角坐标系中,在坐标面上方的点的竖坐标一定大于零.
三、经典例题解析
题型 空间直角坐标的概念
例?1 指出下列各点所在的坐标面或坐标轴:,,,.
解 在坐标面上,在坐标面上,在轴上,在轴上.
例?2 求点分别关于(1)各坐标面;(2)各坐标轴;(3)坐标原点的对称点的坐标.
解??(1)点关于坐标面的对称点为,关于坐标面的对称点为,关于坐标面的对称点为;(2)点关于轴的对称点为,关于轴的对称点为,关于轴的对称点为;(3)点关于坐标原点的对称点为.
例3 求点到坐标面及轴的距离.
解 点到坐标面的距离即为点的竖坐标的**值,即点到坐标面的距离为;过点作垂直于坐标面的直线,垂足为点,过点再作垂直于轴的直线,垂足为点,于是直线垂直于轴,即线段的长度为点到轴的距离,而在直角三角形中,,于是点到轴的距离为5.
四、习题选解
1.求点分别关于下列条件对称点的坐标:(1)坐标面;(2)轴;(3)坐标原点.
解??(1)关于坐标面的对称点为;(2)关于轴的对称点为; (3)关于坐标原点的对称点为.
2.求点到坐标原点,轴及坐标面的距离.
解 到坐标原点的距离为,到轴的距离为,到坐标面的距离为.
3.在坐标面上,求与,,三点等距离的点.
解 设所求点的坐标为,因为该点到,,三点 的距离相等,所以,并且 ,解得,,所以该点的坐标为.
4. 在空间直角坐标系中,指出下列各点所在的卦限:,,,.
解???在第四卦限,在第五卦限,在第八卦限, 在第三卦限.
5.求点分别关于(1)各坐标面;(2)各坐标轴;(3)坐标原点的对称点.
解??(1)关于面的对称点为,关于面的对称点为,关于面的对称点为;
(2)关于轴的对称点为,关于轴的对称点为,关于轴的对称点为;
(3)关于坐标原点的对称点为.
6.试证明以,,三点为顶点的三角形是等腰直角三角形.
证明 由空间直角坐标系中两点距离公式得三角形三条边长分别为
,,.
显然有,所以此三角形不仅是等腰的还是直角的,即为等腰直角三角形.
第二节 向量及其加减法 向量与数的乘法
一、教学基本要求
1. 理解向量的概念.
2. 掌握向量的线性运算.
3. 理解向量的几何表示.
二、答疑解惑
1.任何向量都有确定的方向吗?
答 应当说,任何非零向量都有确定的方向,而零向量的方向是任意的.
2.设向量,?均为非零向量,它们满足什么条件,可以使下面的式子成立?
(1); (2); (3).
答???(1)由向量加、减法的平行四边形法则可知,在以向量,?为邻边的平行四边形中,,都表示平行四边形两条对角线的长度. 若两条对角线的长度相等,则该平行四边形应是矩形,故当,?垂直时,.
(2)根据前面的讨论可知,当时,成立.
(3)根据向量减法的三角形法则知,一般来说,,仅当时,才有.
3.向量之间可以比较大小吗?
答 不能. 向量是既有大小,又有方向的量,无所谓大小. 但是,向量的模是一个实数,所以说,两个向量可以比较它们模的大小.
4.下列式子的几何意义是什么?(1);(2),其中为实数.
答 根据多个向量相加的法则,(1)表示当三个向量依次首尾相接时,第三个向量的终点与**个向量的起点相接,所以(1)表示或是三个向量共线,或是以三个向量为边构成一个三角形.
(2)表示向量可由向量与经线性运算得到(也称能由与线性表示),因此,当与不平行时,平行于确定的平面,即共面;当与平行时,平行于.
三、经典例题解析
题型 有关向量的运算问题
例1 设,,**表示.
解 .
例2 已知非零向量和,求一个向量,使之平分向量和之间的夹角.
解 因为向量和为非零向量,所以其单位向量,存在,且,. 以,为邻边所生成的平行四边形是一个菱形,这个菱形的对角线平分对角,于是可取.
例3 在四边形中,,,,证明四边形为梯形.
分析 利用向量关系证明四边形中的一组对边互相平行,则可知四边形为梯形.
证明 在四边形中, ,所以向量∥,即四边形中的一组对边和互相平
行,于是四边形为梯形.
例4 设的边被点和三等分,已知,,求,.
解 将延长到,使得,连接,则是平行四边形. 因
此有,即. 同理可得.
四、习题选解
1.如果平面上一个四边形的对角线互相平分,**向量证明它是平行四边形.
解 如图?7-1?所示,点为对角线与的交点,则,, 因为,所以且
,于是四边形是平行四边形.
2.设,,**表示.
解
第三节 向量的坐标
一、教学基本要求
1. 理解向量在坐标轴上的投影.
2. 理解向量的坐标.
3. 掌握向量的模与方向余弦的坐标表达式.
4. 掌握单位向量的坐标表达式.
二、答疑解惑
1.如何确定一个向量?
答 确定向量通常有两种方法,一是依据向量既有大小又有方向的特点,分别求出它的大小(模)和方向(方向角或方向余弦);二是求出向量的三个坐标,不妨设为,即可写出向量.
2.怎样求向量的坐标?
答 求向量的坐标,要根据已知的条件,采取不同的方法.
(1)若已知向量按基本单位向量的分解式,即,则.
(2)若已知向量的起点坐标和终点坐标,则 .
(3)若已知向量的模和方向角,则.
(4)若已知平行于,则,其中数由的模和方向确定.
(5)根据向量的运算性质确定.
三、经典例题解析
题型 有关向量的坐标问题
例1 已知向量的模为3,且其方向角为,,求向量a.
解 根据已知条件,可得向量的方向余弦为,于是
.
例2 从点沿着向量的方向取,求点的坐标.
解 设点的坐标为,则向量. 的 一个方向向量为,于是向量和向量互相平行且方向一致,可得 . 令,则
,
解得,于是,,,所以点的坐标为.
例3 求与向量平行的单位向量.
解 与向量a平行的向量有无数多个,但与平行的单位向量只有两个,它们是
,其中.
四、习题选解
1.已知,,,和,求:(1)向量在三个坐标轴上的投影及分向量;(2)的模;(3)的方向余弦;(4)与平行的两个单位向量.
解??(1),?,所以在三个坐标轴上的投影分别为,,,在三个坐标轴上的分向量分别为 ,,.
(2).
(3),,.
(4)与平行的两个单位向量为与.
2.已知,,线段交面于点,且,求的值.
解 设点,则,,又因为,可得解得.
3.一个向量的终点在点,它在轴、轴和轴上的投影依次为,和,求这个向量的起点的坐标.
解 设,则,由题意知,解得,,,于是点的坐标是.
4.设向量的模为,它与轴的夹角为,求在轴上的投影.
解 .
5.设向量的方向余弦分别满足(1);(2);(3),问这些向量与坐标轴或坐标面的关系如何?
解??(1)此向量垂直于轴,平行于坐标面.
(2)此向量指向与轴正方向一致,垂直于坐标面.
(3)此向量平行于轴,垂直于坐标面.
第四节 数量积 向量积 混合积
一、教学基本要求
1. 熟练掌握用坐标表达式进行向量的数量积与向量积的运算.
2. 掌握两个向量夹角的求法.
3. 熟练掌握两个向量互相垂直、平行的条件.
二、答疑解惑
1.设,,或,那么成立吗?
答 在数量积和向量积的运算中,这种消去律不成立. 等价于,因此只要与垂直就有,但是与垂直不一定有. 例如??,则,显然.
等价于,因此只要与共线,就有. 但是与共线不一定有. 例如,则 ,显然.
2.若向量与都是单位向量,那么也是单位向量吗?
答 不一定. 由于是个向量,只有当时,它才是单位向量,但是 ,所以当向量与都是单位向量且它们相互垂直时,才是单位向量.
3.以下等式成立吗?为什么?
(1); (2).
答 在一般情况下,以上二式都不对.
(1)的左端是与平行的向量,而右端是与平行的向量. 只有当时,(1)才成立.
(2)的左端,而右端却没有,所以只有当时,(2)才成立.
4.数量积的主要用途有哪些?
答??(1)求向量的模:.
(2)求两个向量的夹角:当时,.
(3)求一个向量在另一个向量上的投影:.
特别地,向量在直角坐标系中的坐标为:;; .
(4)向量与垂直的充分必要条件是或.
5.向量积的主要用途有哪些?
答??(1)求与两个非共线向量与同时垂直的向量,可取或.
(2)求由两个非共线向量,?所确定的平面的法向量,可取.
(3)求以向量,?为邻边的平行四边形的面积:.
(4)给定不共线的三点,求点到直线的距离:.
(5)向量与平行(即共线)的充分必要条件是或.
三、经典例题解析
题型 有关向量的数量积与向量积的运算
例?1 填空:(1)设向量,,若与垂直,则 ;若与平行,则 .(2)设,,且与垂直,则 .
解??(1)应分别填和. 因为若与垂直,则,即,从而解得;若与平行,则对应坐标成比例,即,从而解得.
(2)应填. 因为, 注意到已知向量与垂直,故
.
例2 求向量在向量上的投影.
解 向量在向量上的投影为.
例3 求向量,使得它与向量平行,且.
解 设向量的坐标为,由已知可得,又因为向量和平行,所以令,则,将它们代入到中,得到. 于是,所以向量的坐标为.
例4 已知向量,?,?两两垂直,且,,,求向量的模和它与向量的夹角.
解 ,所以. 又
,
故.
例5 已知,,,并且,计算和 的值.
解 因为,所以,又因为,所以向量与向量同向,向量与向量反向,向量也与向量反向,于是
.
进一步地,,,,因此
,
所以.
例6 若,,且和的夹角,求:(1)向量和的夹角;(2)以向量和为邻边的平行四边形的面积.
解??(1)设向量和的夹角为,则. 由题设可知
,
即?. ,即.
又因为,所以,即.
(2)所求平行四边形的面积为
.
注 平行四边形的面积是由向量积的模的几何意义得到的,在这里向量积 的模表示以向量和为邻边的平行四边形的面积.
例?7 证明:(1)若,则与共线;(2) .
证明??(1)要证两个向量共线,即证两个向量平行,亦即证. 因为
,
所以与共线.
(2)设向量和的夹角为,因为,,所以
.
例?8 已知向量,,且两个向量的夹角为. 过点作线段所在的直线的垂线,垂足为点. (1)证明的面积等于;(2)求向量和的夹角为何值时,的面积取得*大值?
解??(1)设的面积为,则 . 又因为,所以
.
(2)由,可得当或时,的面积取得*大值.
四、习题选解
1.判断题:
(1)若,则或. ( )
(2)若,则或. ( )
(3)若,则. ( )
(4)若且,则. ( )
(5)若均是单位向量,则也是单位向量. ( )
(6)若均为非零向量,并且,则相互垂直且均为单位向量. ( )
(7). ( )
(8)若均为单位向量,且,则. ( )
解??(1)×;?(2)×;?(3)×;?(4)×;?(5)×;?(6)√;?(7)×;?(8)×.
2.求向量在向量上的投影.
解 .
3.设,,求:(1)及;(2)及;(3)与夹角的余弦.
解 (1),.
(2),.
(3).
4.已知,,求的面积.
解 因为,所以
.
5.**向量证明直径所对的圆周角是直角.
证明 如图?7-2?所示,给定一个圆,是直径所对的圆周角. 因为
所以是直角.
6.设,?,?为单位向量,且满足,求.
解 由得,,,所以
所以
.
7.已知,和. 求与,同时垂直的单位 向量.
解 ,,,所求单