解析几何第四吕林根课后习题答案第一章.docx
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1、解析几何第四吕林根课后习题答案第一章第一章 矢量与坐标 1.1 矢量的概念 1.下列情形中的矢量终点各构成什么图形? 把空间中一切单位矢量归结到共同的始点; 把平行于某一平面的一切单位矢量归结到共同的始点; 把平行于某一直线的一切矢量归结到共同的始点; 把平行于某一直线的一切单位矢量归结到共同的始点. 解:单位球面; 单位圆 直线; 相距为2的两点 A F 2. 设点O是正六边形ABCDEF的中心, 在矢量OA、OB、 OC、OD、OE、 OF、AB、BC、CD、 DE、EF B O E 和FA中,哪些矢量是相等的? 解:如图1-1,在正六边形ABCDEF中, 相等的矢量对是: C 图 1-1
2、 OA和EF;OB和FA;OC和AB;OE和CD;OF和DE. 3. 设在平面上给了一个四边形ABCD,点K、L、M、N分别是边、 的中点,求证:KLNM. 当ABCD是空间四边形时,这等式是否也成立? 证明:如图1-2,连结AC, 则在DBAC中, KL中,NM1AC. KL与AC方向相同;在DDAC21AC. NM与AC方向相同,从而2KLNM且KL与NM方向相同,所以KLNM. 4. 如图1-3,设ABCD-EFGH是一个平行六面体,在下列各对矢量中,找出相等的矢量和互为相反矢量的矢量: CD; (2) AE、CG; (3) AC、(1) AB、EG; (4) AD、GF; (5) BE
3、、CH. 解:相等的矢量对是、和; 互为反矢量的矢量对是和。 1.2 矢量的加法 1.要使下列各式成立,矢量a,b应满足什么条件? a+b=a-b; a+b=a+b; a+b=a-b; a-b=a+b; 图13 a-b=a-b. 解:a,b所在的直线垂直时有a+b=a-b; a,b同向时有a+b=a+b; ab,且a,b反向时有a+b=a-b; a,b反向时有a-b=a+b; a,b同向,且ab时有a-b=a-b. 1.3 数量乘矢量 1 试解下列各题 化简(x-y)(a-b)-(x+y)(a-b) 已知a=e1+2e2-e3,b=3e1-2e2+2e3,求a+b,a-b和3a+2b 3x+4
4、y=a 从矢量方程组,解出矢量x,y 2x-3y=b解 (x-y)(a-b)-(x+y)(a-b)=xa+xb-ya-yb-xa+xb-ya+yb=2xb-2ya a+b=e1+2e2-e3+3e1-2e2+2e3=4e1+e3, a-b=e1+2e2-e3-(3e1-2e2+2e3)=-2e1+4e2-3e3, 3a-2b=3(e1+2e2-e3)-2(3e1-2e2+2e3)=-3e1+10e2-7e3 2 已知四边形ABCD中,AB=a-2c,CD=5a+6b-8c,对角线AC、BD的中点分别为E、F,求EF 1111 解 EF=CD+AB=(5a+6b-8c)+(a-2c)=3a+3b
5、-5c 2222 3 设AB=a+5b,BC=-2a+8b,CD=3(a-b),证明:A、B、D三点共线 证明 BD=BC+CD=-2a+8b+3(a-b)=a+5b=AB AB与BD共线,又B为公共点,从而A、B、D三点共线 4 在四边形ABCD中,AB=a+2b,BC=-4a-b,CD=-5a-3b,证明ABCD为梯形 证明AD=AB+BC+CD=(a+2b)+(-4a-b)+(5a-3b)=2(-4a-b)=2BC ADBC,ABCD为梯形 6. 设L、M、N分别是ABC的三边BC、CA、AB的中点,证明:三中线矢量AL, BM, CN可 以构成一个三角形. 证明: QAL=1(AB+A
6、C) 21 BM=(BA+BC) 21 CN=(CA+CB) 21 AL+BM+CN=(AB+AC+BA+BC+CA+CB)=0 2 从而三中线矢量AL,BM,CN构成一个三角形。 OA+OB+OC=OL+OM+ON. 7. 设L、M、N是ABC的三边的中点,O是任意一点,证明 证明 QOA=OL+LA OB=OM+MB OC=ON+NC OA+OB+OC=OL+OM+ON+(LA+MB+NC) =OL+OM+ON-(AL+BM+CN) 由上题结论知:AL+BM+CN=0 OA+OB+OC=OL+OM+ON 8. 如图1-5,设M是平行四边形ABCD的中心,O是任意一点,证明 OA+OB+OC
7、+OD4OM. 证明:因为OM1(OA+OC), OM21(OB+OD), 2所以 2OM1(OA+OB+OC+OD) 2所以 OA+OB+OC+OD4OM. 9 在平行六面体ABCDEFG中,证明图1-5 AC+AF+AH=2AG 证明 AC+AF+AH=AC+AF+AD+DH=AC+AF+FG+CG=2AG 10. 用矢量法证明梯形两腰中点连续平行于上、下两底边且等于它们长度和的一半 证明 已知梯形ABCD,两腰中点分别为M、N,连接AN、BN MN=MA+AN=MA+AD+DN, MN=MB+BN=MB+BC+CN, MN=AD+BC,即 11 MN=(AD+BC) ,故MN平行且等于(
8、AD+BC) 2211. 用矢量法证明,平行四边行的对角线互相平分. 证明:如图1-4,在平行四边形ABCD中,O是对角线AC,BD的交点 QAD=OD-OABC=OC-OB但 AD=BC图1-4 OD-OA=OC-OBOA+OC=OD+OB由于(OA+OC)AC,(OB+OD)BD,而AC不平行于BD, OA+OC=OD+OB=0, 从而OA=OC,OB=OD。 12. 设点O是平面上正多边形A1A2An的中心,证明: 证明:因为 rOA1+OA2+OAn0. OA1OA3lOA2, OA2OA4lOA3, OAn-1+OA1lOAn, OAnOA2lOA1, 所以 2(OA1+OA2+OA
9、n) l(OA1+OA2+OAn), r所以 (l2)(OA1+OA2+OAn)0. 显然 l2, 即 l20. r所以 OA1+OA2+OAn0. 13在12题的条件下,设P是任意点,证明:PA1+PA2+K+PAn=nPO 证明:QOA1+OA2+L+OAn=0 PA1-PO+PA2-PO+L+PAn-PO=0 ()()() 即 PA1+PA2+L+PAn=nPO 1.4 矢量的线性关系与矢量的分解 1在平行四边形ABCD中, 设对角线AZ=a,BD=b,求AB,BC,CD,DA. 解:AB=-1111b-a,BC=b+a,CD=b-a,DA=-b+a设边BC和CD的()()()()222
10、2中点M和N,且AM=P,AN=q求BC,CD。 解:AC=12(q-P),BC=2MC=212(q-P)-P=q-3P CD=2CN=2(AN-AC)=2-112p+q+2q=q+p 2在平行六面体ABCD-EFGH中,设AB=e1,AD=e2,AE=e3,三个 面上对角线矢量设为AC=p,AH=q,AF=r,试把矢量a=lp+mq+gr写成的线性组合。 证明:AC=p=e2-e1,AH=q=e3-e2, AF=r=e3-e1, a=lAC+mAH+gAF =-(l+g)e1+(l-m)e2+(m+g)e3 3. 设一直线上三点A, B, P满足APlPB(l1),O是空间任意一点,求证:
11、OPOA+lOB1+l证明:如图1-7,因为 APOPOA, PBOBOP, 所以 OPOAl (OBOP), (1+l)OPOA+lOB, 图1-7 从而 OPOA+lOB1+l. 4. 在DABC中,设AB=e1,AC=e2. e1,e2,e3(1) 设D、E是边BC三等分点,将矢量AD,AE分解为e1,e2的线性组合; 设AT是角A的平分线(它与BC交于T点),将AT分解为e1,e2的线性组合 解:QBC=AC-AB=e2-e1,BD= 因为 11BC=e2-e1, 33112121AD=AB+BD=e2+e1-e1=e1+e2,同理AE=e2+e1 333333()|BT|e1| ,|
12、TC|e1|且 BT与TC方向相同, 所以 BT|e1|TC. |e2|e1+AT由上题结论有 |e1|e2|e|e+|e1|e221. |e|e1|+|e2|1+1|e2|e25在四面体OABC中,设点G是DABC的重心,求矢量OG对于矢量 OA,OB,OC的分解式。 解:QG是DABC的重心。连接AG并延长与BC交于P QAP=12211AB+AC,AG=AP=AB+AC=AB+AC 2332311同理BG=BA+BC,CG=CA+CB C O 331OG=OA+AG=OA+AB+BC G P 31 OG=OB+BG=OB+BA+BC A B 3 1 OG=OC+CG=OC+CA+CB 3
13、 ()()()()()由得 3OG=OA+OB+OC+ =OA+OB+OC 即OG=1(AB+AC+BA)+1BC+CA+CB 33()1OA+OB+OC 3()6用矢量法证明以下各题 三角形三中线共点 证明:设BC,CA,AB中,点分别为L,M,N。AL与BM交于P1,AL于CN交于P2 BM于CN交于P3,取空间任一点O,则 A 21BM=OB+BA+BC 3311 =OB+OA-OB+OC-OB=OA+OB+OC A 331同理OP2=OA+OB+OC N M 31 OP3=OA+OB+OC B L C 3OP1=OB+BP1=OB+()()() P1,P2,P3三点重合 O 三角形三中
14、线共点 7已知矢量a,b不共线,问c=2a-b与d=3a-2b是否线性相关? 证明:设存在不全为0的l,m,使得lc+md=0 即 l2a-b+b(-l-2m)=0a(2l-3m)+b(-l-2m)=0 ()故由已知a,b不共线得2l-3m=0-l-2m=0m=0l=0与假设矛盾, 故不存在不全为0的l,m,使得lc+md=0成立。所以c,d线性无关。 rrr8. 证明三个矢量ae1+3e2+2e3, b4e16e2+2e3,c3e1+12e211e3共面,r其中a能否用b,c线性表示?如能表示,写出线性表示关系式. 证明:由于矢量e1, e2, e3不共面,即它们线性无关. rr考虑表达式
15、la+mb+vc0,即 rl (e1+3e2+2e3)+m (4e16e2+2e3)+v (3e1+12e211e3)0, r或 (l+4m3v) e1+(3l6m12v) e2+(2l+2m11v) e30. 由于e1, e2, e3线性无关,故有 -l+4m-3v=0,12v=0, 3l6m2l+2m+11v=0.解得 l10,m1,v2. rrr由于 l100,所以a能用b,c线性表示 r1r1rabc. 1059证明三个矢量la-mb,mb-nc,nc-la共面。 证明:Q(la-mb)+(mb-nc)+(nc-la)=0 三个矢量线性相关,从而三个矢量共面。 OCOBl(OAOB),
16、 所以 BClBA, 从而 BC/BA. 故 A,B,C三点共线. 1.5 标架与坐标 3. 在空间直角坐标系O;ri,rj,kr下,求P(2,3,1),M(a, b, c)关于 (1) 坐标平面;(2) 坐标轴;(3) 坐标原点的各个对称点的坐标. 解:M (a, b, c)关于xOy平面的对称点坐标为(a, b, c), M (a, b, c)关于yOz平面的对称点坐标为(a, b, c), M (a, b, c)关于xOz平面的对称点坐标为(a,b, c), M (a, b, c)关于x轴平面的对称点坐标为(a,b,c), M (a, b, c)关于y轴的对称点的坐标为(a, b,c),
17、 M (a, b, c)关于z轴的对称点的坐标为(a,b, c). 类似考虑P (2,3,1)即可. 8. 已知矢量a, b, c的分量如下: (1) a0, 1, 2,b0, 2, 4,c1, 2, 1; (2) a1, 2, 3,b2, 1, 0,c0, 5, 6. 试判别它们是否共面?能否将c表成a,b的线性组合?若能表示,写出表示式0-12解:(1) 因为 02-40,所以 a, b, c三矢量共面, 12-1又因为a, b的对应坐标成比例,即a/b,但ca, 故不能将c表成a, b的线性组合. 123(2) 因为 2-100,所以 a, b, c三矢量共面. 056又因为 a, b的
18、对应坐标不成比例,即ab, 故可以将c表成设 clar+mbra, b的线性组合. , 亦即0, 5, 6l1, 2, 3+m2, 1, 0 从而 l+2m=0, 2l-m=0, 3l=6.解得 l2,m1, . rrr所以 c2ab. 7已知A,B,C三点坐标如下: 在标架O;e1,e2下,A(0,1),B(2,-2),C(-2,4). 在标架O;e1,e2,e3下,A(0,1,0),B(-1,0,-2),C(-2,3,4)判别它们是否共线?若共线,写出AB和AC的线形关系式. 解:因为AB=(2,-3),AC=(-2,3) 所以AB=-AC 共线 AB=-1,-1,-2,AC=-2,2,4
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- 解析几何 第四 吕林根 课后 习题 答案 第一章
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