指向矢矢量应理解为定义直线在平面或空间中的方向的矢量。因此,可以将平行于该线的矢量视为其方向矢量。
这是有可能的,这要归功于欧几里得几何学的一个公理,说两个点定义了一条线。然后,由这两点形成的定向段也定义了所述线的指向矢。
图1.一条线的导向向量。(自行阐述)
给定属于线(L)的点P并给定该线的指向矢矢量u,就可以完全确定该线。
直线和指向矢矢量的方程
图2.直线和指向矢矢量的方程式。(自行阐述)
给定坐标P:(Xo,I)的点P和直线(L)的向量u指向矢,坐标Q:(X,Y)的每个点Q必须满足向量PQ与u平行。如果PQ与u成正比,则可以保证这最后一个条件:
PQ =t⋅ ü
在上面的表达式中,t是属于实数的参数。
如果写了PQ和u的笛卡尔分量,则上式写成如下:
(X-Xo,Y-Yo)=t⋅(a,b)
如果向量相等的分量相等,则获得以下方程对:
X-Xo =a⋅tyY-I =b⋅t
线的参数方程
通过将实值分配给变量参数t来确定属于线(L)的点的X和Y坐标,该点穿过坐标点(Xo,Yo)并平行于指向矢矢量u =(a,b):
{X = Xo +a⋅t; Y = I +b⋅t}
例子1
为了说明线的参数方程的含义,我们将其作为方向矢量
u =(a,b)=(2,-1)
作为线的已知点
P =(Xo,I)=(1,5)。
该线的参数方程为:
{X = 1 +2⋅t; Y = 5-1⋅t; -∞
为了说明该方程式的含义,请参见图3,其中参数t改变了其值,坐标点(X,Y)的点Q在直线上的位置不同。
图3. PQ = t u。(自行阐述)
矢量形式的线
给定直线上的点P及其指向矢u,直线的方程式可以写成矢量形式:
OQ = OP +λ⋅ ü
在上式中,Q是除线外的任何点,而λ是实数。
该线的矢量方程式适用于任何尺寸,甚至可以定义一条超线。
在指向矢矢量u =(a,b,c)和点P =(Xo,Yo,Zo)的三维情况下,属于该线的通用点Q =(X,Y,Z)的坐标为:
(X,Y,Z)=(Xo,Yo,Zo)+λ⋅(a,b,c)
例子2
再次考虑具有作为引导向量的线
u =(a,b)=(2,-1)
作为线的已知点
P =(Xo,I)=(1,5)。
所述线的向量方程为:
(X,Y)=(1,5)+λ⋅(2,-1)
线和指向矢矢量的连续形式
从参数形式开始,清除并等于参数λ,我们有:
(X-Xo)/ a =(Y-Yo)/ b =(Z-Zo)/ c
这是直线方程的对称形式。请注意,a,b和c是指向矢矢量的分量。
例子3
考虑具有作为引导向量的线
u =(a,b)=(2,-1)
作为线的已知点
P =(Xo,I)=(1,5)。找到它的对称形状。
该线的对称或连续形式为:
(X-1)/ 2 =(Y-5)/(-1)
直线方程的一般形式
XY平面中直线的一般形式称为方程,其结构如下:
A⋅X+B⋅Y= C
对称形式的表达式可以重写为通用形式:
b⋅X-a⋅Y=b⋅Xo-a⋅Yo
与线条的一般形状相比,它是:
A = b,B = -a和C =b⋅Xo-a⋅Yo
例子3
求导向量为u =(2,-1)的线的一般形式
并通过点P =(1,5)。
要找到一般形式,我们可以使用给定的公式,但是将选择替代路径。
我们首先找到导向向量u的对偶向量w,该向量定义为通过交换u的分量并将第二个乘以-1所获得的向量:
w =(-1,-2)
对偶向量w对应于指向矢向量v的顺时针旋转90° 。
我们将w与(X,Y)和(Xo,Yo)标量相乘并设置为相等:
(-1,-2)•(X,Y)=(-1,-2)•(1,5)
-X-2Y = -1-2⋅5= -11
最后剩下:
X + 2Y = 11
直线方程的标准形式
它被称为XY平面中线的标准形式,其具有以下结构:
Y =m⋅X+ d
其中m代表斜率,d代表Y轴截距。
给定方向向量u =(a,b),斜率m为b / a。
通过用X和Y替换已知点Xo,I来获得Y d:
I =(b / a)Xo + d。
简而言之,m = b / a和d = I-(b / a)Xo
注意,斜率m是指向矢矢量的y分量与其x分量之间的商。
例子4
求导向量为u =(2,-1)的线的标准形式
并通过点P =(1,5)。
m =-½和d = 5-(-½)1 = 11/2
Y =(-1/2)X + 11/2
解决的练习
-练习1
找出线(L)的指向矢矢量,该线是平面(Π)的交点:X-Y + Z = 3和平面(Ω):2X + Y = 1。
然后写直线(L)方程的连续形式。
解
从平面(Ω)间隙的等式Y:Y = 1 -2X
然后,我们用平面方程(Π)代替:
X-(1-2X)+ Z = 3⇒3X + Z = 4⇒Z = 4-3X
然后我们对X进行参数化,选择参数化X =λ
这意味着该行具有一个矢量方程式,该方程式如下:
(X,Y,Z)=(λ,1-2λ,4-3λ)
可以重写为:
(X,Y,Z)=(0,1,4)+λ(1,-2,-3)
显然,向量u =(1,-2,-3)是线(L)的指向矢向量。
线(L)的连续形式为:
(X-0)/ 1 =(Y-1)/(-2)=(Z-4)/(-3)
-练习2
给定平面5X + a Y + 4Z = 5
方程为X / 1 =(Y-2)/ 3 =(Z -2)/(-2)的线
确定a的值,以使平面和直线平行。
解决方案2
向量n =(5,a,4)是垂直于平面的向量。
向量u =(1,3,-2)是直线的定向向量。
如果线与平面平行,则n•v = 0。
(5,a,4)•(1,3,-2)= 5 +3 a -8 = 0⇒a = 1。
参考文献
- Fleming,W。,&Varberg,DE(1989)。初等数学。Prentice Hall PTR。
- Kolman,B.(2006年)。线性代数。培生教育。
- Leal,JM和Viloria,NG(2005)。平面分析几何。梅里达-委内瑞拉:社论委内瑞拉
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- 佩雷斯,CD(2006)。预先计算。培生教育。
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