Stron : Wstecz 1 . . . 4 5 6 [7] 8 9 10 Dalej |
barjak
|
#1
|
Post: 706
30. Lip 2009. 10:09:20
|
matematika -tehnicki fakultet
Predgovor Ova knjiga namijenjena je studentima tehni¡ckih i prirodnih znanosti, a u prvom redu studentima Fakulteta elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje u Splitu (FESB). U njoj je izlo¡zeno gradivo kolegija ”Matematika 1” po sadr¡zaju koji se predaje na FESB-u. Obradena su poglavlja Osnove matematike, Linearna algebra, Vektorska algebra i analiti¡cka geometrija, Funkcije realne varijable, Derivacije i primjene, te Nizovi i redovi. Sli¡can sadr¡zaj nalazi se u ve´cini istoimenih kolegija koji se predaju na tehni¡ckim i prirodoslovnim fakultetima. Budu´ci se radi o standardnom sadr¡zaju, nije citirana posebna literatura. Spomenut ´cu samo neke od knjiga koje su utjecale na sadr¡zaj, a koje preporu ¡cujem i ¡citatelju: D. Blanu¡sa, Vi¡sa matematika, I. dio (1. i 2. svezak), Tehni¡cka knjiga, Zagreb, 1973. L. Krni´c i Z. ¡Siki´c, Ra¡cun diferencijalni i integralni, I. dio, ¡Skolska knjiga, Zagreb, 1992. N. Ugle¡si´c, Predavanja iz matemati¡cke analize I, Svu¡cili¡ste u Splitu, Split, 1989. B. P. Demidovi´c, Zadaci i rije¡seni primjeri iz vi¡se matematike, Tehni¡cka knjiga, Zagreb, 1978. U izradi ovog ud¡zbenika takoder je kori¡steno iskustvo i zabilje¡ske biv¡sih i sada¡snjih nastavnika matematike na FESB-u pa im ovom prilikom iskazujem svoju zahvalnost. Za pa¡zljivo ¡citanje teksta i korisne primjedbe tijekom rada zahvaljujem se kolegi Marku Mati´cu. U Splitu, rujna 2002.
|
|
barjak
|
#86
|
Post: 706
31. Lip 2009. 08:41:05
|
vektorska algebra i analiticka geometrija
86 VEKTORSKA ALGEBRA I ANALITI¡CKA GEOMETRIJA S5. a · b = |a| ba, gdje je ba = |b| cos ∠(a, b) duljina projekcije vektora b na pravac definiran s vektorom a pomno¡zena s odgovaraju´cim predznakom prema svojstvu S2 (slika 3.9), S6. a · b = b · a (komutativnost), S7. a · (b + c) = a · b + a · c (distributivnost), S8. (a · b) = (a) · b = a · (b) (homogenost). a b a b Slika 3.9: Skalarni produkt U koordinatnom sustavu ra¡cunanje skalarnog produkta je vrlo jednostavno. Teorem 3.2 Ako je a = axi + ayj + azk, b = bxi + byj + bzk, tada je a · b = axbx + ayby + azbz. Dokaz. Tvrdnja slijedi iz svojstava S7, S8 i S3. Ako su vektori a i b zadani kao stup¡cane matrice, iz definicija matri¡cnog mno¡zenja u poglavlju 2.1.3 i transponirane matrice u poglavlju 2.1.5 slijedi da skalarni produkt mo¡zemo zapisati i kao a · b = aTb. Definicija skalarnog produkta 3.4 i teorem 3.2 omogu´cuju ra¡cunanje kuta izmedu dva vektora u prostoru pomo´cu formule cos∠(a, b) = a · b |a| |b| .
|
|
barjak
|
#87
|
Post: 706
31. Lip 2009. 08:42:06
|
vektorski produkt
3.10 Vektorski produkt 87 Primjer 3.6 Kosinus kuta izmedu vektora a = {2,−3, 1} i b = {1, 1, 0} jednak je cos∠(a, b) = a · b |a| |b| = 2 · 1 − 3 · 1 + 1 · 0 √4 + 9 + 1√1 + 1 = − 1 2√7 . Na isti na¡cin, kosinus priklonog kuta kojeg vektor a = {x, y, z} zatvara s vektorom i jednak je cos∠(a, i) = a · i |a| |i| = x px2 + y2 + z2 , ¡cime smo dokazali teorem 3.1. Zadatak 3.1 Je li trokut △ABC, gdje je A = (1, 3, 1), B = (0, 1, 2) i C = (1,−1, 0) pravokutan? Je li jednakokra¡can? 3.10 Vektorski produkt Definicija 3.5 Vektorski produkt vektora a i b je vektor c = a × b takav da je |c| = |a| |b| sin ∠(a, b). Pored toga, ako je |c| > 0, tada je c ⊥ a ∧ c ⊥ b, pri ¡cemu uredena trojka vektora (a, b, c) ¡cini desni sustav (slika 3.10). Vektorski produkt ima sljede´ca svojstva: V1. a × b = 0 ako je a = 0 ili b = 0 ili ako su vektori a i b kolinearni, V2. vrijedi i × i = j × j = k × k = 0, i × j = k, j × k = i, k × i = j, j × i = −k, k × j = −i, i × k = −j, V3. a × b = −b × a (anti-komutativnost), V4. a × (b + c) = a × b + a × c (distributivnost), V5. (a × b) = (a) × b = a × (b) (homogenost),
|
|
barjak
|
#88
|
Post: 706
31. Lip 2009. 08:42:46
|
vektorska algebra i analiticka geometrija
88 VEKTORSKA ALGEBRA I ANALITI¡CKA GEOMETRIJA a b c Slika 3.10: Vektorski produkt a b j sin j |b| Slika 3.11: Modul vektorskog produkta V6. norma |a × b| jednaka je povr¡sini paralelograma ¡sto ga razapinju vektori a i b (slika 3.11). U pravokutnom koordinatnom sustavu vektorski produkt ra¡cunamo pomo´cu determinante. Teorem 3.3 Ako je a = axi + ayj + azk, b = bxi + byj + bzk, tada je a × b = (aybz − azby) i + (azbx − axbz) j + (axby − aybx) k,
|
|
barjak
|
#89
|
Post: 706
31. Lip 2009. 08:43:25
|
vektorski produkt
3.10 Vektorski produkt 89 odnosno a × b = i j k ax ay az bx by bz
. Dokaz. Tvrdnja slijedi iz svojstava V2, V4 i V5. Napomena 3.2 Svojstva vektorskog produkta odgovaraju svojstvima determinanti iz poglavlja 2.9.1: – prvi dio svojstva V2 odgovara svojstvu D4 koje ka¡ze da je determinanta s dva jednaka retka jednaka nuli, – svojstvo V3 odgovara svojstvu D3 koje ka¡ze da zamjenom dvaju redaka determinanta mijenja predznak, – svojstva V4 i V5 odgovaraju svojstvu D5. Definicija vektorskog produkta 3.5 i teorem 3.3 omogu´cuju ra¡cunanje povr¡sine poligonalnih likova u ravnini. Primjer 3.7 Izra¡cunajmo povr¡sinu trokuta △ABC zadanog s A = (1, 2, 3), B = (0,−1, 2), C = (3, 3, 0). Povr¡sina trokuta jednaka je polovici povr¡sine paralelograma razapetog s vektorima −−→ AB i −→ AC (slika 3.12). Kako je −−→ AB = {−1,−3,−1}, −→ AC = {2, 1,−3}, vrijedi P△ABC = 1 2|−−→ AB × −→ AC| = 1 2 i j k −1 −3 −1 2 1 −3
= 1 2|i (9 + 1) − j (3 + 2) + k (−1 + 6)| = 1 2 √150 ≈ 6.12. Uo¡cimo da smo na jednostavan na¡cin rije¡sili nao¡cigled slo¡zeni problem, jer smo na¡sli povr¡sinu trokuta smje¡stenog u prostoru, a nismo ga morali niti skicirati. Na isti na¡cin mo¡zemo provjeriti le¡ze li tri to¡cke na pravcu, jer ´ce u tom slu¡caju povr¡sina trokuta biti nula. Na sli¡can na¡cin mo¡zemo izra¡cunati povr¡sinu bilo kojeg poligonalnog lika u prostoru, jer svaki takav lik mo¡zemo podijeliti na trokute.
|
|
barjak
|
#90
|
Post: 706
31. Lip 2009. 08:43:56
|
vektorska algebra i analiticka geometrija
90 VEKTORSKA ALGEBRA I ANALITI¡CKA GEOMETRIJA x y A C 3 1 2 3 B z Slika 3.12: Povr¡sina trokuta Zadatak 3.2 Izra¡cunajte povr¡sinu trokuta iz prethodnog primjera pomo´cu paralelograma razapetog s vektorima −−→ BA i −−→ BC. Mo¡ze li se zadatak rije¡siti ako promatramo paralelogram razapet s vektorima −−→ AB i −−→ BC? 3.11 Mje¡soviti produkt Definicija 3.6 Mje¡soviti produkt ili vektorsko-skalarni produkt vektora a, b i c je broj (a × b) · c = |a × b| |c| cos ∠(a × b, c) = |a| |b| sin ∠(a, b) |c| cos ∠(a × b, c). Mje¡soviti produkt jednak je volumenu ili negativnoj vrijednosti volumena paralelopipeda kojeg razapinju vektori a, b i c. Naime, |a| |b| sin ∠(a, b) je povr¡sina baze koja je razapeta vektorima a i b, a ako s ozna¡cimo ravninu baze, tada je |c| cos ∠(a × b, c) = ±|c| sin ∠(, c),
|
|
barjak
|
#91
|
Post: 706
31. Lip 2009. 08:44:54
|
mesovit produkt
3.11 Mje¡soviti produkt 91 ¡sto je jednako visini ili negativnoj vrijednosti visine (slika 3.13). Takoder zaklju¡cujemo da je (a × b) · c = 0 ako i samo ako je barem jedan od vektora nul-vektor ili ako su vektori komplanarni, odnosno linearno zavisni. a b c v Slika 3.13: Mje¡soviti produkt Teorem 3.4 Ako je a = {ax, ay, az}, b = {bx, by, bz}, c = {cx, cy, cz}, tada je (a × b) · c = ax ay az bx by bz cx cy cz Dokaz. Tvrdnja slijedi iz teorema 3.2 i 3.3. Zadatak 3.3 Koriste´ci teorem 3.4 i svojstvo determinante D3 iz poglavlja 2.9.1 doka¡zite da je (a × b) · c = (b × c) · a = (c × a) · b = −(a × c) · b = −(b × a) · c = −(c × b) · a. Sli¡cno kao ¡sto pomo´cu vektorskog produkta mo¡zemo ra¡cunati povr¡sine poligonalnih likova (primjer 3.7), tako pomo´cu mje¡sovitog produkta i teorema 3.4 mo¡zemo ra¡cunati volumene svih tijela koja su omedena samo s ravnim plohama. Primjer 3.8 Izra¡cunajmo volumen tetraedra ABCD zadanog to¡ckama A = (0,−1, 0), B = (3, 3, 0), C = (−1, 3, 1), D = (1, 1, 4).
|
|
barjak
|
#92
|
Post: 706
31. Lip 2009. 08:45:35
|
vektorska algebra i analiticka geometrija
92 VEKTORSKA ALGEBRA I ANALITI¡CKA GEOMETRIJA Volumen tetraedra jednak je ¡sestini volumena paralelopipeda razapetog vektorima −−→ AB, −→ AC i −−→ AD (slika 3.14). Kako je −−→ AB = {3, 4, 0}, −→ AC = {−1, 4, 1}, −−→ AD = {1, 2, 4}, vrijedi V = 1 6 |(−−→ AB × −→ AC) · −−→ AD| = 1 6
3 4 0 −1 4 1 1 2 4
= 62 6 Uo¡cimo da smo na jednostavan na¡cin rije¡sili nao¡cigled slo¡zen problem, jer smo na¡sli volumen tijela, a nismo ga morali niti skicirati. Na isti na¡cin mo¡zemo provjeriti le¡ze li ¡cetiri to¡cke u istoj ravnini, jer ´ce u tom slu¡caju volumen tetraedra biti nula. Na sli¡can na¡cin mo¡zemo izra¡cunati volumen bilo kojeg tijela koje je omedeno samo s ravnim plohama, jer svako takvo tijelo mo¡zemo podijeliti na tetraedre. A B C D x y z 3 1 3 1 Slika 3.14: Volumen tetraedra Zadatak 3.4 Izra¡cunajte volumen tetraedra iz prethodnog primjera pomo´cu paralelopipeda razapetog s vektorima −−→ BA, −−→ BC i −−→ BD. Moramo li uzeti vektore s hvati¡stem u istom vrhu?
|
|
barjak
|
#93
|
Post: 706
31. Lip 2009. 08:46:53
|
vektorsko-vektorski produk
3.12 Vektorsko-vektorski produkt 93 3.12 Vektorsko-vektorski produkt Vektorsko-vektorski produkt vektora a, b i c je vektor (a × b) × c. Mo¡ze se pokazati da vrijedi (a × b) × c = b (a · c) − a (b · c), (3.3) odnosno, rezultiraju´ci vektor le¡zi u ravnini razapetoj s vektorima a i b. Sli¡cno, a × (b × c) = b (a · c) − c (a · b), (3.4) pa rezultiraju´ci vektor le¡zi u ravnini razapetoj s vektorima b i c. Zadatak 3.5 Doka¡zite formule (3.3) i (3.4) ako su vektori a, b i c zadani kao u teoremu 3.4. 3.13 Pravac Pravac p je u prostoru E zadan s dvije razli¡cite to¡cke T1 i T2. Za svaku to¡cku T koja le¡zi na pravcu p vektori −−→ T1T2 i −−→ T1T su kolinearni, odnosno postoji t ∈ R takav da je (slika 3.15) −−→ T1T = t−−→ T1T2. Uz oznake s = −−→ T1T2, r1 = −−→ OT1, r = −→ OT, imamo vektorsku jednad¡zbu pravca r − r1 = t s, t ∈ R, odnosno r = r1 + t s, t ∈ R. (3.5) Vektor s je vektor smjera pravca p. Za vektor smjera mo¡zemo uzeti i bilo koji drugi vektor koji je kolinearan s vektorom s. Neka je u koordinatnom sustavu (O, i, j, k) s =   a b c  , r1 =   x1 y1 z1  , r =   x y z  .
|
|
barjak
|
#94
|
Post: 706
31. Lip 2009. 08:47:32
|
vektorska algebra i analiticka geometrija
94 VEKTORSKA ALGEBRA I ANALITI¡CKA GEOMETRIJA r r s T T p 1 T 2 1 Slika 3.15: Pravac u prostoru Tada vektorska jednad¡zba pravca (3.5) prelazi u parametarsku jednad¡zbu pravca   x = x1 + a t y = y1 + b t z = z1 + c t t ∈ R. (3.6) Eliminacijom parametra t iz jednad¡zbe (3.6) dobivamo kanonsku (simetri ¡cnu) jednad¡zbu pravca x − x1 a = y − y1 b = z − z1 c . (3.7) U gornjoj formuli nazivnici ne ozna¡cavaju dijeljenje nego skalarne komponente vektora smjera pa ih pi¡semo i onda kada su jednaki nula. Primjer 3.9 Jednad¡zba x-osi glasi   x = t y = 0 z = 0 t ∈ R, odnosno x 1 = y 0 = z 0 . Naime, x-os prolazi ishodi¡stem O = (0, 0, 0), a vektor smjera joj je i = {1, 0, 0}. No, x + 5 √2 = y 0 = z 0 ,
|
|
barjak
|
#95
|
Post: 706
31. Lip 2009. 08:48:29
|
pravac
3.13 Pravac 95 je takoder jednad¡zba x-osi. U formuli (3.7) je zapisan sustav od tri linearne jednad¡zbe s tri nepoznanice, b (x − x1) = a (y − y1) c (x − x1) = a (z − z1) (3.8) c (y − y1) = b (z − z1). Ove jednad¡zbe definiraju pravac pa sustav ima jednoparametarsko rje¡senje. Stoga su prema Kronecker-Capellijevom teoremu 2.5 jednad¡zbe linearno zavisne, a sustav je ekvivalentan sustavu od dvije linearno nezavisne jednad¡zbe koje odaberemo medu njima. Dakle, pravac mo¡zemo zadati s dvije linearno nezavisne jednad¡zbe s tri nepoznanice, A1x + B1y + C1z + D1 = 0 A2x + B2y + C2z + D2 = 0, (3.9) od kojih svaka predstavlja jednu ravninu u prostoru (poglavlje 3.14). Iz sustava (3.9) eliminacijom jedne od varijabli dobijemo kanonsku jednad¡zbu (3.7), iz koje onda lako dobijemo parametarsku jednad¡zbu pravca (3.6). Primjer 3.10 Nadimo kanonsku i parametarsku jednad¡zbu pravca zadanog s (slika 3.16) 2x + y + z + 1 = 0 x − y + 2z − 1 = 0. Kad od prve jednad¡zbe oduzmemo dvostruku drugu dobijemo 3y−3z+3 = 0, odnosno y + 1 1 = z 1 ili y 1 = z − 1 1 . Kada zbrojimo prvu i drugu jednad¡zbu dobijemo 3x + 3z = 0, odnosno x 1 = z −1 ili x −1 = z 1 . Stoga kanonska jednad¡zba pravca glasi x −1 = y + 1 1 = z 1 . Pravac prolazi to¡ckom T = (0,−1, 0) i ima vektor smjera s = {−1, 1, 1}. Parametarska jednad¡zba glasi   x = −t y = −1 + t z = t t ∈ R.
|
|
barjak
|
#96
|
Post: 706
31. Lip 2009. 08:49:09
|
vektorska algebra i analiticka geometrija
96 VEKTORSKA ALGEBRA I ANALITI¡CKA GEOMETRIJA -2*x-y-1 (-x+y+1)/2 -3 -2 -1 0 1 2 3 x -3 -2 -1 0 1 2 3 y -3 0 3 z p Slika 3.16: Pravac kao presjek ravnina Primjer 3.11 Ako pravac p le¡zi u x-y ravnini, tada svi izrazi koji sadr¡ze varijablu z u (3.6), (3.7) i (3.8) nestaju. Posebno, (3.8) prelazi u b (x − x1) = a (y − y1). Ako je a 6= 0, imamo y − y1 = b a (x − x1). Ozna¡cimo li koeficijent smjera s k = b a , dobijemo jednad¡zbu pravaca kroz to¡cku T1 = (x1, y1) s koeficijentom smjera k, y − y1 = k (x − x1). Ako odaberemo to¡cku T1 = (0, l), pri ¡cemu je l odsje¡cak na y-osi, dobijemo poznatu jednad¡zbu y = k x + l. 3.14 Ravnina Ravnina je u prostoru E zadana s tri to¡cke T1, T2 i T3 koje ne le¡ze na istom pravcu. Za svaku to¡cku T koja le¡zi u ravnini vektori −−→ T1T, −−→ T1T2 i −−→ T1T3 su komplanarni (slika 3.17). Stoga je volumen paralelopipeda ¡sto ga razapinju ti vektori jednak nula (primjer 3.8), odnosno −−→ T1T · (−−→ T1T2 × −−→ T1T3) = 0. (3.10)
|
|
barjak
|
#97
|
Post: 706
31. Lip 2009. 08:49:57
|
ravnina
3.14 Ravnina 97 Uz oznake r1 = −−→ OT1, r = −→ OT, n = −−→ T1T2 × −−→ T1T3, jednad¡zba (3.10) prelazi u vektorsku jednad¡zbu ravnine (r − r1) · n = 0. (3.11) Vektor n je normalni vektor ili normala ravnine . Svaki vektor kolinearan s n je takoder normala ravnine . r T T T T r n 2 3 1 r1 Slika 3.17: Ravnina u prostoru Ako je u koordinatnom sustavu (O, i, j, k) n = {A,B,C}, r1 = {x1, y1, z1}, r = {x, y, z}, tada vektorska jednad¡zba ravnine (3.11) prelazi u jednad¡zbu ravnine kroz to¡cku T1 = (x1, y1, z1), A(x − x1) + B(y − y1) + C(z − z1) = 0. (3.12) Sredivanje gornje jednad¡zbe daje op´ci oblik jednad¡zbe ravnine Ax + By + Cz + D = 0. (3.13)
|
|
barjak
|
#98
|
Post: 706
31. Lip 2009. 08:50:44
|
vektorska algebra i analiticka geometrija
98 VEKTORSKA ALGEBRA I ANALITI¡CKA GEOMETRIJA U obje jednad¡zbe (3.12) i (3.13) brojevi A, B i C su skalarne komponente vektora normale n. Ako je T = (x, y, z), Ti = (xi, yi, zi), i = 1, 2, 3, tada jednad¡zbu (3.10) mo¡zemo zapisati pomo´cu determinante. To nam daje jednad¡zbu ravnine kroz tri to¡cke,
x − x1 y − y1 z − z1 x2 − x1 y2 − y1 z2 − z1 x3 − x1 y3 − y1 z3 − z1
= 0. (3.14) Zadatak 3.6 Poka¡zite da je jednad¡zba (3.14) ekvivalentna s
x y z 1 x1 y1 z1 1 x2 y2 z2 1 x3 y3 z3 1
= 0. Ako ravnina ne prolazi ishodi¡stem i ako za to¡cke T1, T2 i T3 odaberemo sjeci¡sta ravnine s koordinatnim osima, T1 = (a, 0, 0), T2 = (0, b, 0), T3 = (0, 0, c), a, b, c 6= 0, tada iz (3.14) rje¡savanjem determinante
x − a y z −a b 0 −a 0 c
= 0 dobijemo segmentni oblik jednad¡zbe ravnine x a + y b + z c = 1, a, b, c 6= 0. 3.15 Primjene Pomo´cu vektora i operacija s njima te pomo´cu raznih oblika jednad¡zbi pravca i ravnine mo¡zemo ispitivati ¡citav niz meduodnosa i svojstava: a) Medusobni odnosi pravaca i ravnina. 1. Pravci p1 i p2 su paralelni, p1 k p2, ako za njihove vektore smjera vrijedi s1 = t s2, t ∈ R. Paralelni pravci mogu, ali ne moraju le¡zati jedan na drugom.
|
|
barjak
|
#99
|
Post: 706
31. Lip 2009. 08:51:27
|
primene
3.15 Primjene 99 2. Pravci p1 i p2 su okomiti, p1 ⊥ p2, ako za njihove vektore smjera vrijedi s1 · s2 = 0. Okomiti pravci se mogu sje´ci, ali mogu biti i mimosmjerni. 3. Ravnine 1 i 2 su paralelne, 1 k 2, ako za njihove normale vrijedi n1 = t n2, t ∈ R. Paralelne ravnine mogu, ali ne moraju le¡zati jedna na drugoj. 4. Ravnine 1 i 2 su okomite, 1 ⊥ 2, ako za njihove normale vrijedi n1 · n2 = 0. Okomite ravnine se sijeku u pravcu. 5. Kut izmedu pravaca p1 i p2 nalazimo pomo´cu skalarnog produkta vektora smjera, cos∠(p1, p2) = s1 · s2 |s1| |s2| . 6. Kut izmedu ravnina 1 i 2 nalazimo pomo´cu skalranog produkta normala, cos∠(1, 2) = n1 · n2 |n1| |n2| . 7. Kut izmedu pravca p i ravnine nalazimo pomo´cu skalranog produkta vektora smjera i normale sin∠(p, ) = s · n |s| |n| . b) Sjeci¡sta. 1. To¡cka T u kojoj se sijeku pravci p1 i p2, T = p1 ∩ p2. 2. Pravac p koji je presjek ravnina 1 i 2, p = 1 ∩ 2. 3. To¡cka T u kojoj pravac p sije¡ce ravninu , T = p ∩ : sjeci¡ste tra¡zimo tako da parametarsku jednad¡zbu pravca uvrstimo u op´ci oblik jednad¡zbe ravnine i rije¡simo linearni sustav od jedne jednad¡zbe s jednom nepoznanicom (primjer 3.12). c) Projekcije. 1. Projekcija to¡cke T na pravac p (primjer 3.13). 2. Projekcija to¡cke T na ravninu (primjer 3.14). 3. Projekcija pravca p na ravninu . Naj¡ce¡s´ce tra¡zimo ortogonalne projekcije, ali mo¡zemo tra¡ziti i projekcije u bilo kojem smjeru. d) Udaljenosti.
|
|
Stron : Wstecz 1 . . . 4 5 6 [7] 8 9 10 Dalej |
|
Nie masz dosyæ przywileji aby odpowiedzieæ w tym forum.
|