Luận văn Thạc sĩ Toán học: Tích ngoài của ba vectơ trong không gian và ứng dụng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận văn là tìm hiểu và trình bày một cách hệ thống về tích ngoài hai vectơ trong mặt phẳng và tích ngoài của ba vectơ trong không gian. Đồng thời trình bày ứng dụng của tích ngoài của hai vectơ trong mặt phẳng, tích ngoài của ba vectơ trong không gian. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Toán học: Tích ngoài của ba vectơ trong không gian và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHẠM NGỌC THÀNH TÍCH NGOÀI CỦA BA VECTƠ TRONG KHÔNG GIAN VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC THÁI NGUYÊN, NĂM 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHẠM NGỌC THÀNH TÍCH NGOÀI CỦA BA VECTƠ TRONG KHÔNG GIAN VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: PHƯƠNG PHÁP TOÁN SƠ CẤP Mã số: 60.46.01.13 LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRỊNH THANH HẢI THÁI NGUYÊN, NĂM 2020
i Mục lục Mục lục i Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt iv Danh mục các hình vẽ v Phần mở đầu 1 1 Một số kiến thức chuẩn bị 3 1.1 Tích ngoài hai vectơ trong mặt phẳng . . . . . . . . . . . . 3 1.1.1 Định nghĩa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.2 Tính chất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.3 Biểu thức tọa độ của tích ngoài hai vectơ . . . . . . 4 1.1.4 Mối quan hệ giữa tích ngoài và tích vô hướng của hai vectơ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.5 Diện tích của tam giác . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.6 Diện tích của hình bình hành . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.7 Diện tích của tứ giác . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 Tích ngoài ba vectơ trong không gian . . . . . . . . . . . . 5 1.2.1 Định nghĩa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.2 Tính chất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.3 Biểu thức xác định của tích ngoài ba vectơ . . . . . 6 1.2.4 Điều kiện đồng phẳng của ba vectơ khác vectơ không 7 1.2.5 Tích ngoài ba vectơ trong hình học Euclid . . . . . . 7 1.2.6 Thể tích hình hộp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
ii 2 Vận dụng tích ngoài hai vectơ để giải quyết một số bài toán trong hình học phẳng 11 2.1 Ứng dụng của tích ngoài hai vectơ trong mặt phẳng . . . . 11 2.1.1 Hệ thức giữa ba vectơ bất kì . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.2 Công thức cộng cung trong lượng giác . . . . . . . . 12 2.1.3 Đường thẳng, giao điểm của hai đường thẳng . . . . 12 2.1.4 Điều kiện đồng quy của ba đường thẳng . . . . . . 13 2.1.5 Định lý Céva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2 Một số ví dụ minh họa ứng dụng của tích ngoài hai vectơ trong quá trình giải toán hình học phẳng . . . . . . . . . . 15 3 Vận dụng tích ngoài ba vectơ để giải quyết một số bài toán hình học không gian 25 3.1 Ứng dụng của tích ngoài ba vectơ trong không gian . . . . . 25 3.1.1 Thể tích hình tứ diện . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1.2 Điều kiện đồng phẳng cho bốn điểm . . . . . . . . . 26 3.1.3 Phương trình mặt phẳng trong hình học Euclid . . . 27 3.1.4 Định lý Thales trong không gian . . . . . . . . . . . 28 3.2 Một số ví dụ minh họa ứng dụng của tích ngoài ba vectơ trong quá trình giải toán hình học không gian . . . . . . . . 29 Kết luận 55 Tài liệu tham khảo 57
iii Lời cảm ơn Luận văn này được thực hiện tại trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên và hoàn thành dưới sự hướng dẫn của Phó Giáo sư - Tiến sĩ Trịnh Thanh Hải. Tác giả xin trân trọng bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới thầy, người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, động viên khích lệ và tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu luận văn. Qua bản luận văn này, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, Ban chủ nhiệm khoa Toán - Tin, cùng các giảng viên đã tham gia giảng dạy và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tác giả học tập và nghiên cứu trong suốt thời gian qua. Tác giả cũng xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và tất cả mọi người đã quan tâm, động viên và giúp đỡ để tác giả có thể hoàn thành luận văn của mình. Tác giả xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày ... tháng ... năm 2020 Tác giả luận văn Phạm Ngọc Thành
iv Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt → − → − (→ −a, b) Góc lượng giác giữa hai véc tơ → − a, b. (a, b) Góc giữa hai đường thẳng a, b. S[XY Z] Diện tích đại số của 4XY Z . SXY Z Diện tích hình học của 4XY Z . → − → − − → − → − a ↑↑ b (→ a ↑↓ b ) Hai véc tơ → −a , b cùng hướng (ngược hướng). → − → − → − a k b Hai vectơ → −a , b cùng phương. VTCP Vectơ chỉ phương. VTPT Vectơ pháp tuyến. BĐT Bất đẳng thức.
v Danh mục các hình vẽ Hình 1:.......................................................................................... 8 Hình 2:.......................................................................................... 8 Hình 3:.......................................................................................... 9 Hình 4:........................................................................................ 14 Hình 5:........................................................................................ 15 Hình 6:........................................................................................ 16 Hình 7:........................................................................................ 17 Hình 8:........................................................................................ 18 Hình 9:........................................................................................ 19 Hình 10:...................................................................................... 20 Hình 11:...................................................................................... 22 Hình 12:...................................................................................... 23 Hình 13:...................................................................................... 26 Hình 14:...................................................................................... 28 Hình 15:...................................................................................... 29 Hình 16:...................................................................................... 30 Hình 17:...................................................................................... 31 Hình 18:...................................................................................... 35 Hình 19:...................................................................................... 36 Hình 20:...................................................................................... 37 Hình 21:...................................................................................... 38 Hình 22:...................................................................................... 39 Hình 23:...................................................................................... 40 Hình 24:...................................................................................... 41 Hình 25:...................................................................................... 42
vi Hình 26:...................................................................................... 45 Hình 27:...................................................................................... 46 Hình 28:...................................................................................... 47 Hình 29:...................................................................................... 48 Hình 30:...................................................................................... 49 Hình 31:...................................................................................... 50 Hình 32:...................................................................................... 50 Hình 33:...................................................................................... 51
1 Mở đầu 1. Lý do chọn đề tài Trong chương trình giáo dục trung học phổ thông đối với môn toán, nội dung tích ngoài của vectơ, mà cụ thể là tích ngoài của hai vectơ trong mặt phẳng, tích ngoài của ba vectơ trong không gian chưa được đưa vào giảng dạy mà các nội dung này chỉ được đề cập đến trong chương trình môn toán dành cho học sinh chuyên toán. Trong các đề thi học sinh giỏi, có rất nhiều bài liên quan đến tích ngoài của hai vectơ trong mặt phẳng, tích ngoài của ba vectơ trong không gian. Xuất phát từ thực tế trên, với mong muốn đưa ra một cách hệ thống kiến thức về tích ngoài hai vectơ trong mặt phẳng, tích ngoài ba vectơ trong không gian và ứng dụng khái niệm, tính chất của tích ngoài hai vectơ trong mặt phẳng, tích ngoài ba vectơ trong không gian để giải một số bài toán, tác giả đã lựa chọn đề tài "Tích ngoài của ba vectơ trong không gian và ứng dụng". 2. Mục đích nghiên cứu Tìm hiểu và trình bày một cách hệ thống về tích ngoài hai vectơ trong mặt phẳng và tích ngoài của ba vectơ trong không gian. Đồng thời trình bày ứng dụng của tích ngoài của hai vectơ trong mặt phẳng, tích ngoài của ba vectơ trong không gian.
2 3. Nhiệm vụ nghiên cứu Luận văn có nhiệm vụ: a. Tìm hiểu về tích ngoài hai vectơ trong mặt phẳng: Định nghĩa, tính chất, biểu thức tọa độ tích ngoài hai vectơ, mối quan hệ giữa tích ngoài và tích vô hướng của hai vectơ, diện tích tam giác, diện tích hình bình hành, diện tích tứ giác b. Tìm hiểu về tích ngoài ba vectơ trong không gian: Định nghĩa, tính chất, biểu thức xác định của tích ngoài ba vectơ, điều kiện đồng phẳng của ba vectơ, tích ngoài ba vectơ trong hình học Euclid, thể tích hình hộp c. Tìm hiểu về ứng dụng tích ngoài hai vectơ trong mặt phẳng và tích ngoài của ba vectơ trong không gian d. Sưu tầm một số bài toán hình học phẳng, hình học không gian trong các đề thi tuyển sinh Đại học, Cao Đẳng; đề thi THPT Quốc Gia; đề thi chọn học sinh giỏi trong nước và Quốc tế có thể khai thác tính chất tích ngoài hai vectơ, tích ngoài của ba vectơ để giải. Sau đó đưa ra lời giải các bài toán đó 4. Nội dung luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo luận văn được trình bày trong ba chương: Chương 1. Một số kiến thức chuẩn bị. Chương 2. Vận dụng tích ngoài hai vectơ để vào giải quyết một số bài toán hình học phẳng. Chương 3. Vận dụng tích ngoài ba vectơ vào giải một số bài toán hình học không gian. Một cách cụ thể, luận văn sẽ trình bày các kết quả chính ở các tài liệu tham khảo [1].
3 Chương 1 Một số kiến thức chuẩn bị Trong chương 1, luận văn chọn lọc và trình bày một số kiến thức liên quan đến tích ngoài của hai vectơ trong mặt phẳng và tích ngoài của ba vectơ trong không gian. 1.1 Tích ngoài hai vectơ trong mặt phẳng 1.1.1 Định nghĩa → − Tích ngoài của hai vectơ → − a , b kí hiệu là [~a, ~b] là một số được xác định như sau: " → − → − a = 0 * Nếu → − − thì [~a, ~b] = 0 → b = 0 " → − → − a 6= 0 − → → − − → → − * Nếu → − − thì [~a, ~b] = | a |.| b |. sin( a , b ). → b 6= 0 Từ định nghĩa trên ta có ngay hệ quả hiển nhiên: → − → − a k b ⇔ [~a, ~b] = 0. 1.1.2 Tính chất Tích ngoài của hai vectơ có các tính chất cơ bản sau đây: i) [~a, ~b] = −[~b, ~a](phản giao hoán). → − − ii) [~a, b + → c ] = [~a, ~b] + [~a, ~c] (phân phối). iii) [k~a, l~b] = (kl)[~a, ~b].
4 1.1.3 Biểu thức tọa độ của tích ngoài hai vectơ → − Định lý 1.1. Trên mặt phẳng tọa độ cho hai vectơ → − a (x1 ; y1 ), b (x2 ; y2 ). Khi đó [~a, ~b] = x1 y2 − x2 y1 . 1.1.4 Mối quan hệ giữa tích ngoài và tích vô hướng của hai vectơ Trong hình học phẳng, với hai vectơ tùy ý ~a và ~b, ta có biểu thức: (~a.~b)2 + [~a, ~b]2 = ~a2 .~b2 . 1.1.5 Diện tích của tam giác Diện tích đại số của tam giác ABC là một số đại số (có thể dương, 1 −→ −→ âm hoặc bằng không), kí hiệu là S[ABC] = [AB, AC]. 2 Định lý 1.2. i) Nếu tam giác ABC có hướng dương thì S[ABC] = SABC . ii) Nếu tam giác ABC có hướng âm thì S[ABC] = −SABC . −→ Hệ quả 1.1. Trên mặt phẳng tọa độ cho tam giác ABC . Biết rằng AB = −→ 1 (x1 ; y1 ), AC = (x2 ; y2 ). Khi đó SABC = |x1 y2 − x2 y1 |. 2 Tính chất 1.1. Cho tam giác ABC và mỗi điểm M thì i) S[ABC] = S[M AB] + S[M BC] + S[M CA] (Hệ thức Chasle về diện tích). −−→ −−→ −−→ ii) S[M BC] M A + S[M CA] M B + S[M AB] M C = ~0. iii) Nếu điểm M thuộc đường thẳng BC ta có: 1 −−→ −−→ S[ABC] = S[M AB] + S[M CA] = [BC, M A]. 2 1.1.6 Diện tích của hình bình hành Diện tích đại số của hình bình hành ABCD là một số đại số (có thể −→ −→ dương, âm hoặc bằng không), kí hiệu là S[ABCD] = [AB, AC].
5 1.1.7 Diện tích của tứ giác Diện tích đại số của tứ giác lồi ABCD được tính theo công thức sau 1 −→ −−→ S[ABCD] = [AC, BD]. 2 Chứng minh. Theo hệ thức Chasle về diện tích đại số, ta có S[ABCD] = S[AAB] + S[ABC] + S[ACD] + S[ADA] 1 −→ −→ 1 −→ −−→ = 0 + [AB, AC] + [AC, AD] + 0 2 2 1 −→ −−→ −→ = [AC, AD − AB] 2 1 −→ −−→ = [AC, BD]. 2 1.2 Tích ngoài ba vectơ trong không gian 1.2.1 Định nghĩa Tích ngoài của ba vectơ → − x ,→ − y ,→ −z trong không gian là một hàm vectơ của ba vectơ → − x ,→ −y ,→ − z nhận giá trị thực và tuyến tính theo từng vectơ → −x , y , z và phản đối xứng theo → → − → − − x ,→ −y ,→ − z , kí hiệu là [→ − x ,→ − y ,→ − z ]. 1.2.2 Tính chất Tích ngoài của ba vectơ trong không gian có hai tính chất cơ bản sau đây: i) Tuyến tính đối với mỗi vectơ, nghĩa là đối với → − x chẳng hạn ta có: * [→ − x +→ 1 − x ,→ 2 −y ,→ − z ] = [→ − x ,→ 1 −y ,→ − z ] + [→ − x ,→ 2 −y ,→ − z] * [α→ − x ,→ − y ,→ − z ] = α[→ − x ,→ − y ,→ − z] ii) Phản xứng nghĩa là nếu hoán vị hai vectơ nào đó cho nhau, thì giá trị của tích ngoài đổi thành số đối xứng. Chẳng hạn ta có: * [→ −x ,→ − y ,→ − z ] = −[→−y ,→ − x ,→ − z] * Đặc biệt:[→ − x ,→ − x ,→ − z]=0
6 * Nếu trong ba vectơ → − x ,→ − y ,→ − z có hai vectơ cùng phương thì tích ngoài của chúng bằng không. Chẳng hạn: Nếu → − y = α→ − x thì [→ − x , α→ − x ,→ − z ] = α[→ − x ,→ − x ,→ − z]=0 1.2.3 Biểu thức xác định của tích ngoài ba vectơ Chọn ba vectơ tùy ý không đồng phẳng → − u ,→ − v ,→ − w thỏa mãn [→− u ,→ −v ,→ − w] = δ , δ 6= 0 khi đó bộ ba vectơ → − x ,→ − y ,→ − z có thể phân tích theo → − u ,→ − v ,→ − w như sau: → − → − → − → −  x = x1 u + x2 v + x3 w → −y = y1 → − u + y2 → − v + y3 → − w (1.1) → − → − → − → − z = z1 u + z2 v + z3 w . Ta có [→ −x ,→ − y ,→ − z ] = [x1 → − u +x2 → − v +x3 → − w , y1 → − v +y3 → u +y2 → − − w , z1 → − u +z2 → − v +z3 → − w] Ta khai triển vế phải dựa vào hai tính chất tuyến tính và phản xứng, cuối cùng sẽ được: [→ −x ,→ −y ,→ − z ] = (x1 y2 z3 + x2 y3 z1 + x3 y1 z2 − x3 y2 z1 − x2 y1 z3 − x1 y3 z2 ) × [→ − u ,→ − v ,→− w
]
x1 x2 x3
Quy ước
y1 y2 y3
=x1 y2 z3 + x2 y3 z1 + x3 y1 z2 − x3 y2 z1 − x2 y1 z3 − x1 y3 z2