Векторный и координатный методы решения задач
методическая разработка по алгебре (10 класс) на тему

Математика, 10 класс

Векторный и координатный методы решения задач

Векторный и координатный методы решения задач – очень популярный и эффективный метод в геометрии и не только. Однако его формальное применение может значительно затруднить решение даже самой простой задачи. Поэтому в данной статье мы рассмотрим  эффективные приемы использования указанных методов и примеры решения задач. Для удобства работы в статье приводятся важнейшие определения и формулы. Однако более детальное и подробное изложение материала читатель без труда найдет в школьном учебнике по геометрии^[1] для 8-9 класса.

Как обычно, в конце статьи приводятся задачи для самостоятельного решения, которые составляют первую контрольную работу по математике для слушателей ХКЗФМШ, обучающихся в 9 классе.

§1. Некоторые определения и вычислительные формулы^[2]

П.1 Координаты точки на плоскости

Существует два способа определять координаты точек. С первым вы познакомились еще в 5 классе, изучая координаты точки на числовой оси. Напомним, как тогда вводились координаты.

На плоскости строили две координатные прямые (оси ОХ и ОУ). Произвольная точка М проектировалась на каждую ось (в точки Мх и Му).  Затем находились координаты проекций (х и у) на соответствующих числовых осях. Пара этих координат и называлась координатами точки на плоскости. Такой метод очень удобен в том случае, когда нужно найти координаты построенной точки, или наоборот, по известным координатам нужно построить точку. Однако он не позволяет^[3] получать уравнения различных фигур на плоскости, проводить общие исследования их свойств.

Здесь нам на помощь приходит второй подход к определению координат, основанный на понятии координат радиус-вектора точки. Он основан на том факте, что любой вектор на плоскости единственным образом раскладывается по двум неколлинеарным векторам. Точнее, если и  - два неколлинеарных вектора, а  - произвольный вектор на плоскости, то всегда найдется единственная пара чисел (х,у), такая, что .

        Теперь для определения координат точки поступим следующим образом. Выберем два неколлинеарных вектора , (будем называть их базисными), и точку О – начало координат. Начало координат и базисные векторы определяют на плоскости некоторую систему координат. Пусть М – произвольная точка на плоскости. Вектор  будем называть радиус – вектором точки М. По указанному выше свойству, найдутся такие два числа хМ и уМ, что . Эту пару (хМ, уМ) мы и будем называть координатами точки М в системе координат {O,}.

        На первый взгляд, такой подход может показаться не совсем удобным (Как координаты находить, как точку строить?), но он позволяет в дальнейших исследованиях применять векторную алгебру. Эффективность этого метода мы увидим уже в следующем пункте.

П.2. Деление отрезка в данном отношении

        В учебнике предложена следующая задача.

Задача 1. На прямой М1М2 лежит точка М, такая, что . О – произвольная точка плоскости. Докажите, что

.                        (1)

Мы не будем решать здесь эту задачу, тем более, что ее решение приведено в учебнике. Нас будет интересовать формула (1).

        Дадим определение. Будем говорить, что точка М, лежащая на прямой  М1М2  делит отрезок М1М2 в отношении λ, если выполнено условие.

Задача 2. Пусть в некоторой системе координат известны координаты точек М1(х1,у1) и М2(х2,у2). Зная, чему равно число λ, нужно вычислить координаты точки М(х,у).

Решение. Используем второе определение координат. Пусть О – начало координат. Тогда для радиус-векторов точек М1 , М2 и М выполнено соотношение (1) из предыдущей задачи. Заметим, что радиус-векторы точек имеют те же координаты, что и сами точки. Поэтому, переписав формулу (1) в координатной форме, получим следующие выражения:

.                (2)

Замечание. Как видно, использование свойств векторов дало нам быстрое решение для данной задачи. Попробуйте получить аналогичную формулу, используя первое определение координат точки.

Мы вернемся к рассмотрению координат точек несколько позже, а в следующем пункте приведем сводку основных свойств и формул, относящихся к векторам.

П.3. Некоторые свойства векторов

3.1. Коллинеарность векторов

Два вектора называют коллинеарными, если они лежат на одной прямой или на параллельных прямых (обозначение: ). Есть два признака коллинеарности.

Первый признак: , тогда и только тогда, когда существует такое число λ, что . Используют в общем случае.

Если  известны координаты векторов, то удобно использовать следующий признак.

Второй признак: тогда и только тогда, когда их координаты пропорциональны:

,                (3)

где (a1,a2) – координаты первого вектора, а (b1,b2) – координаты второго вектора.

3.2. Вычисление координат вектора по координатам его начала и конца.

Если известны координаты начала и конца вектора, то координаты самого вектора можно вычислить по формуле:

,                (4)

где  - координаты точки А, а  - координаты точки В.

Замечание. Вывод этой формулы легко получить, используя векторное определение координат точки. Вектор  можно представить как разность радиус-векторов его конца и начала:

.

3.3. Вычисление длины вектора и длины отрезка.

Длина вектора, координаты которого в прямоугольной системе координат равны , вычисляется по формуле:

.                (5)

Используя эту формулу и формулу (4), можно получить следующую формулу для вычисления длины отрезка:

.                (6)

3.4. Скалярное произведение векторов в прямоугольной системе координат.

Скалярным произведением двух векторов называют число, которое равно произведению длин этих векторов на косинус угла между ними:

.                (7)

Если известны координаты векторов , то их скалярное произведение можно вычислить по формуле:

.                        (8)

3.5. Признак перпендикулярности векторов.

Если два вектора перпендикулярны, то косинус угла между ними равен нулю. Поэтому скалярное произведение этих векторов равно нулю. Из этого рассуждения мы получаем следующий признак: два ненулевых вектора перпендикулярны тогда и только тогда, когда их скалярное произведение равно нулю.

Замечание. Если  - ненулевой вектор, то вектор  перпендикулярен ему и имеет такую же длину. (Проверьте это с помощью формул (8) и (5)).

3.6. Вычисление угла между векторами.

Пользуясь формулой скалярного произведения, мы можем выразить косинус угла между векторами:

.                (9)

В координатной записи эта формула будет выглядеть так:

.                (10)

3.7. Вычисление площади параллелограмма, построенного на двух векторах.

Если два вектора заданы своими координатами , то площадь параллелограмма, построенного на этих векторах  можно найти по формуле:

.                 (11)

Получить ее можно, если вычислить скалярное произведение вектора  на вектор . С одной стороны будет стоять произведение длин векторов  и  на синус угла между ними (так как вектор  повернут к вектору на 90 градусов), а с другой стороны – выражение, стоящее в формуле (11) под знаком модуля.

П.4. Уравнения прямой и отрезка

В этом пункте мы продемонстрируем преимущества векторного подхода к определению координат точки.

4.1. Параметрические уравнения прямой.

Пусть нам известны координаты точки М0(х0,у0), принадлежащей некоторой прямой а, и координаты вектора , который параллелен^[4] этой прямой. Необходимо составить уравнения, которым удовлетворяют координаты всех точек этой прямой.

Предположим, что точка М(х,у) принадлежит прямой а.  Очевидно, что тогда векторы  и с коллениарны. Применив к ним первый признак, получим векторное равенство:

.

Переписав его в координатном виде, и перенеся в правую часть координаты точки М0, получим следующие уравнения:

                        (12)

которые принято называть параметрическими уравнениями прямой. Придавая в этих уравнениях параметру t любые действительные значения, мы можем получить координаты всех точек, лежащих на прямой.

4.2. Канонические уравнения прямой.

Если в уравнениях (12) исключить параметр t, то мы получим уравнение:

,                         (13)

которое принято называть каноническим. Подставляя в это уравнение координаты произвольной точки, мы можем выяснить, принадлежит ли она данной прямой.

4.3. Общее уравнение прямой.

Избавляясь от знаменателей в уравнении (13), мы приведем его к виду:

,                (14)

где a и b не равны нулю одновременно, которое называют общим уравнением прямой. Любая прямая может быть задана таким уравнением.

4.4. График линейной функции –прямая на плоскости.

Из курса алгебры вам известна линейная функция. Она задается уравнением:

.                 (15)

Нетрудно заметить, что это частный случай общего уравнения (14) прямой. Для нас важное значение имеет коэффициент k в этом уравнении. Превратим уравнение (15) в параметрические уравнения прямой, положив x=t. Мы получим следующие выражения:

Применив к ним пункт 4.1., найдем координаты направляющего вектора: . Заметим, что в прямоугольной системе координат для любого вектора отношение второй его координаты к первой равно тангенсу угла, который данный вектор составляет с координатной осью ОХ. В нашем случае этот тангенс равен коэффициенту k.

4.5. Условие перпендикулярности двух прямых, заданных как графики линейных функций.

Пусть прямая l задана уравнением , а прямая m задана уравнением . Координаты направляющих векторов этих прямых равны соответственно  и . Прямые будут перпендикулярны, если перпендикулярны их направляющие векторы,  те, в свою очередь,  перпендикулярны, если их скалярное произведение . Отсюда получаем  признак перпендикулярности прямых:

.                (16)

П.6. Уравнение окружности

По определению, окружность представляет из себя множество точек плоскости, удаленных от данной точки О (центра окружности) на одинаковое расстояние R (радиус окружности). Получим уравнение окружности, считая, что ее центр – точка О(х0,у0), а радиус равен R.

Пусть М(х,у) – произвольная точка окружности. По формуле (6) выразим расстояние от М до центра окружности:

.

Возведем теперь левую и правую части в квадрат, и, учитывая, что МО=R, получим уравнение окружности:

.                (17)

Замечание. В некоторых задачах мы можем получить уравнение второй степени с двумя неизвестными, имеющее вид:

.                 (18)

Выделив в нем полные квадраты относительно x и y, мы получим уравнение:

.                 (19)

Если правая часть этого уравнения положительна, то это есть уравнение окружности с центром  и радиусом . Заметим также, что если правая часть уравнения (19) отрицательна, то оно не имеет решения, а если она равна нулю, то существует только одно решение .

§ 2. Примеры решения задач

Задача 1. Дана прямоугольная трапеция с основаниями a и b. Найдите расстояние между серединами ее диагоналей.

Решение. 1. Введем систему координат как указано на рисунке 3. Тогда вершины трапеции будут иметь координаты: A(0,0), B(0,y), C(b,y) и D(a,0). (Здесь y – высота трапеции).

2. Найдем координаты середин диагоналей, используя формулу (2), и учитывая, что середина делит отрезок в отношении λ=1. Для точки О: . Для точки О1: . По формуле (6) найдем расстояние между точками О и О1:

.

Ответ: .

Замечание. Мы вводили в рассмотрение неизвестную нам высоту трапеции  y. Но на этапе вычислений она сократилась.

Задача 2. Медиана, проведенная к основанию равнобедренного треугольника, равна 160 см, а основание треугольника равно 80 см. Найдите две другие медианы этого треугольника.

Решение.  1. Введем прямоугольную систему координат так, как показано на рисунке 4. В этой системе вершины треугольника будут иметь координаты: А(-40,0), В(0, 160), С(40,0), а точка М2(0,0). Используя, как и в предыдущей задаче, формулы(2), найдем координаты середин двух других сторон. Для М3 получим:. Для М1 аналогично находим: .

2. Вычислим длины отрезков АМ1 и СМ3, используя формулу (6). Для АМ1 получим:

.

Длина второй медианы вычисляется аналогично.

Ответ: .

Задача 3. В прямоугольном равнобедренном треугольнике проведены медианы острых углов. Вычислите косинус угла между ними.

Решение. 1. Введем систему координат так, как показано на рисунке 5. В этом случае Вершины треугольника будут иметь координаты: С(0,0), А(а,0), В(0,а), а середины катетов: . (Здесь а – длина катета.)

2. По формуле (4) вычислим координаты векторов  и .

3. Теперь используем формулу (10) для вычисления косинуса угла между векторами. (Этот угол совпадает с углом между медианами.)

.

Ответ: .

Задача 4. Дан ромб АВСD, диагонали которого равны 2а и 2b. Найдите множество всех точек М, для каждой из которых выполняется условие:  AM2+DM2=BM2+CM2.

Решение. 1. Введем систему координат, взяв за ее начало центр ромба, а за оси – его диагонали. В этой системе вершины имеют координаты: A(-a;0), B(0;b), C(a;0) и D(0;-b).

2. Считая, что точка М имеет координаты (х;у), запишем условие AM2+DM2=BM2+CM2 в координатной форме. Для этого используем формулу (6) при вычислении длин отрезков. Получим следующее выражение:

.

Раскрывая скобки и приводя подобные, получим следующее уравнение:

, или:  (*).

В пункте 4.3 первого параграфа мы уже встречали такое уравнение – это общее уравнение прямой. И так, мы установили, что интересующее нас множество точек – это прямая линия. Попробуем теперь определить ее расположение относительно ромба.

3. Нетрудно заметить, что сторона АВ ромба может быть задана уравнением^[5] . Перепишем его в виде , а уравнение (*) в виде . Угловые коэффициенты в этих уравнениях в произведении дают -1. Это значит, что для данных прямых выполняется признак (16)  перпендикулярности. Кроме того, очевидно, что полученная выше прямая проходит через начало координат – оно же – центр ромба. Таким образом, условию задачи удовлетворяют все точки, лежащие на прямой, проходящей через центр ромба и перпендикулярной прямой АВ.

Задача 5. Найти геометрическое место точек, сумма квадратов расстояний от которых до двух данных точек есть величина постоянная.

Решение. 1. Введем прямоугольную систему координат  как показано на чертеже. Тогда, считая, что длина отрезка равна b, получим следующие координаты точек А и В: А(0;0), В(b;0).

2. Пусть М(х;у) – произвольная точка плоскости, удовлетворяющая условию задачи: |AM|2+|BM|2=с2. Тогда:

В случае, когда правая часть последнего равенства положительна, мы получаем окружность, центр которой лежит на середине отрезка АВ. Если правая часть равна нулю, то решением будет единственная точка – середина АВ. Если правая часть отрицательна, то задача не имеет решений.

Задача 6. Дана окружность радиуса r. Через одну из ее точек (точку А) проведены всевозможные хорды. Найти геометрическое место точек, делящих эти хорды пополам.

Решение. 1. Введем прямоугольную систему координат так, чтобы ее центр совпал с центром окружности, а ось ОУ прошла через точку А. Уравнение окружности будет иметь вид:       (**).

 У точки А координаты (0;r).

2. Далее, пусть – второй конец хорды. Координаты середины хорды (точки М(х;у))  найдем по известной формуле (см., например, задачу 2):

.

Выразим из них координаты точки В: . Эти координаты должны удовлетворять уравнению окружности. Подставим их в это уравнение. Получаем:

Раскрыв скобки, сократив уравнение на 4 и проведя группировку, получим следующее выражение: . Это уравнение окружности, центр которой лежит на середине радиуса, проведенного в точку А, а радиус полученной окружности в два раза меньше радиуса данной.

Контрольные задания

        Представленные ниже задачи являются контрольным заданием для учащихся 10 класса. Решения необходимо оформить в отдельной тетради и выслать по адресу 680000, г. Хабаровск, ул. Дзержинского, 48, ХКЦТТ, ХКЗФМШ. Для зачета нужно набрать не менее 30 баллов, каждая задача оценивается максимум в 10 баллов.

М 10.1.1. Даны координаты вершин четырехугольника ABCD: A(-6;1), B(0;5), C(6;-4),D(0,-8). Докажите, что это прямоугольник и найдите координаты точки пересечения его диагоналей.

М 10.1.2. Окружность задана уравнением . Составьте уравнения прямых, проходящих через центр этой окружности и параллельных координатным осям. Найдите также уравнение касательной к окружности, параллельной оси ОХ, и наиболее близко расположенной к началу координат. Обоснуйте свои действия.

М 10.1.3. Найдите длину средней линии треугольника, параллельной стороне АВ, если координаты вершин таковы: A(-3;-6), B(-8;6), C(4;-10).

М 10.1.4. Высота AD треугольника АВС делит сторону ВС на отрезки BD=10 см и CD=4 см. Введите удобную систему координат и определите координаты вершин этого треугольника, если угол при вершине В равен 45 градусов. Объясните, почему выбранная система – наиболее удобная.

М 10.1.5. Определите геометрическое место точек плоскости, удовлетворяющих следующему условию: расстояния от каждой из этих точек до концов данного отрезка относятся как 2:3.

М 10.1.6. найдите уравнение прямой, проходящей через точку А(2;4) и перпендикулярной прямой, заданной уравнением . Определите, в каких точках эта прямая пересекает координатные оси.

М 10.1.7. Составьте параметрические, каноническое и общее уравнения прямой, проходящей через середину отрезка АВ, и пересекающей отрезок АС в точке М, так, что АМ=3МС. Если А(8;0), В(-4; 8) и С(12;16).