Исследовать функции методом дифференциального исчисления и схематично построить их графики.

 

121. а) ; б) .

122. а) ; б) .

123. а) ; б) .

124. а) ; б) .

125. а) ; б) .

126. а) ; б) .

127. а) ; б) .

128. а) ; б) .

129. а) ; б) .

130. а) ; б) .

 

 

Решение типового варианта

Пример 1. Даны векторы , , , в некотором базисе. Показать, что векторы , , образуют базис и найти координаты вектора в этом базисе.

Решение:

Для того, чтобы три вектора могли образовывать базис пространства , необходимо и достаточно, чтобы они были линейно независимы. Это значит, определитель, столбцами которого являются координаты векторов системы, должен быть отличен от нуля.

Вычислим определитель D системы.

.

Вывод: векторы , , линейно независимы и образуют базис в .

Разложение вектора по базису , , в векторной форме имеет вид:

,

где х₁, х₂, х₃ – искомые координаты вектора в данном базисе.

В координатной форме это разложение имеет вид:

(24;20;6)= х₁ (2;4;1)+ х₂ (1;3;6)+ х₃ (5;3;1)

или

(24;20;6)=(2 х₁ + х₂ +5 х₃;4 х₁ +3 х₂ +3 х₃; х₁ +6 х₂ + х₃).

В левой и правой частях полученного равенства стоят два вектора. Они равны и поэтому равны их одноименные координаты. Получим систему трех уравнений с тремя неизвестными:

.

Систему решаем по формулам Крамера. Для этого, кроме определителя D, вычисляем D ₁, D ₁, D ₃, полученные из определителя D заменой соответствующих столбцов столбцом свободных членов системы.

 

 

Координаты вектора определяются по формулам:

; ; .

Таким образом, разложение вектора по базису , , имеет вид: или (2; 0; 4).

Проверка. Подставим в правую часть полученного разложения координаты векторов , , :

= 2 (2; 4; 1)+ 4 (5; 3; 1;)=(4; 8; 2)+(20; 12; 4)=(24; 20; 6)= .

Получили координаты вектора . Значит, разложение вектора по базису , , найдено верно.

 

Пример 2. Даны координаты вершин пирамиды ABCD: A(10; 6; 6), B(- 2; 8; 2), C(6; 8; 9), D(7; 10; 3).

Найти:

1) Длину ребра АВ;

2) Угол между ребрами АВ и АD;

3) Уравнение прямой АВ;

4) Уравнение плоскости АВС;

5) Угол между ребром АD и гранью АВС;

6) Площадь грани АВС;

7) Объем пирамиды;

8) Уравнение высоты, опущенной из вершины D на грань АВС.

Сделать чертеж.

Решение:

1) Если ребро АВ обозначить за вектор , то длина ребра - это длина вектора. Находим координаты вектора :

=(- 2-10; 8-6; 2-6)=(- 12; 2;- 4).

Если =(х; у: z), то его длина .

Следовательно,

.

2) Угол между ребрами АВ и АD – это угол между векторами и . Находим координаты вектора .

=(7-10; 10-6;3-6)=(-3;4;-3).

Из пункта 1) нам известны координаты вектора =(- 12; 2;- 4). Угол между двумя векторами находится по формуле:

.

Если векторы и имеют координаты =(х₁; у₁: z₁), (х₂; у₂: z₂) соответственно, то эта формула перепишется в виде:

.

Следовательно, получаем

 

Итак, .

3) Уравнение прямой, проходящей через две точки М₁(х₁; у₁; z₁) и М₂(х₂; у₂; z₂) имеет вид:

или равносильное ему уравнение:

,

где =(l,m,n) – координаты направляющего вектора прямой М₁М₂.

Направляющий вектор прямой – это вектор, параллельный прямой. В нашем случае прямая проходит через точки А(10; 6; 6) и В(- 2; 8; 2).Следовательно, уравнение прямой АВ:

.

Итак, каноническое уравнение прямой АВ:

где направляющий вектор

4) Уравнение плоскости по трем точкам находится по формуле:

, (*)

где А(х₁; у₁; z₁); В (х₂; у₂; z₂); С(х₃; у₃; z₃) – точки, через которые проходит плоскость. Подставляя координаты точек А, В, С в формулу (*), получим:

 

.

Считаем определитель, разложив его по первой строке.

D=а₁₁А₁₁+а₁₂А₁₂+а₁₃А₁₃,

где - алгебраические дополнения элементов , а М_{i j} – минор элемента . Минором элемента матрицы называется определитель, получаемый (вычеркиванием строки и столбца, на пересечении которых он расположен) из данного. Следовательно,

 

.

Итак, уравнение плоскости АВС:

.

5) Требуется найти угол между ребром АD и гранью АВС. Это равносильно нахождению угла между прямой АD и плоскостью АВС. Угол между прямой и плоскостью Ах+Ву+Сz+D=0 определяется по формуле:

,

где - координаты нормального вектора плоскости АВС.

- координаты направляющего вектора прямой АD.

Находим уравнение прямой АD по двум точкам:

.

Следовательно,

АD: , .

Т.к. уравнение плоскости АВС: , то ее нормальный вектор .

Значит,

.

.

6) Площадь грани АВС – это площадь треугольника АВС. Если треугольник построен на векторах и , то его площадь считается по формуле:

.

Из пункта 1) имеем =(- 12; 2;- 4).Находим координаты вектора .

=(6-10;8-6;9-6)=(-4;2;3).

Далее необходимо найти векторное произведение .Составляем определитель и вычисляем его, раскладывая по первой строке.

находим длину полученного вектора:

.

Следовательно,

.

7) Объем пирамиды равен объема параллелепипеда, построенного на векторах , , . Координаты этих векторов найдены ранее: , , .

Следовательно, .

8) Грань АВС имеет нормальный вектор . Для того, чтобы составить уравнение высоты, надо знать направляющий вектор той прямой, где лежит высота. Т.к. DH^ABC(DH-высота), то ( -параллелен прямой DH, а - перпендикулярен АВС). Следовательно, в качестве направляющего вектора прямой DHможно взять нормальный вектор плоскости АВС. Т.е. . Уравнение высоты имеет вид:

.

Итак, получили уравнение высоты DH:

.

Пример 3. Даны вершины треугольника А(1;-1), В(-2;-6), С(-6;3). Требуется: 1) вычислить длину высоты и медианы, проведенной из вершины В; написать их уравнения; 2) написать уравнения прямой, проходящей через вершину В параллельно стороне АС; 3) найти угол между прямыми АВ и АС; 4) найти точку В₁ симметричную точке В относительно прямой АС.

Решение:

1.а) Составим уравнение медианы, проведенной из вершины В. Пусть М – середина АС. Найдем её координаты:

.

Уравнение прямой по двум точкам находится по формуле:

.

BМ: Þ Þ .

Приведем это уравнение к общему виду прямой.

-14(х +2) = у +6 Þ -1 4х - 28 = у +6Þ ВМ: 14х+у+34=0.

(Общий вид прямой А х + В у+С=0).

Длину медианы ВМ вычисляем по формуле: .

Тогда

1.б) Составим уравнение стороны АС – основания высоты ВН по известным двум точкам

АС: Þ Þ .

Приведем это уравнение к общему виду прямой.

4(х -1) = -7(у +1) Þ 4х - 4 = -7 у -7Þ АС: 4х+7у+3=0.

Угловой коэффициент этой прямой . Две прямые перпендикулярны, если: . Т. к. АС ^ ВН, то .

Составим уравнение высоты ВН, зная, ее угловой коэффициент и точку В.

.

Þ 4 (у+6)=7(х+2) Þ 4 у+24=7х+14.

ВН: 7х-4у-10=0.

 

Вычислим длину высоты ВН, как расстояние от точки В до прямой АС, по формуле . Тогда получим

2) Известно, что если прямые параллельны, то их угловые коэффициенты совпадают. Следовательно, т. к BL|| AC,то .

Составляем уравнение прямой BL, зная ее угловой коэффициент и точку B(-2;-6), через которую проходит эта прямая, т. е.

.

Þ7 у+42=-4х-8 Þ BL: 4х+7у+50=0.

3) Найдем угол между прямыми АВ и АС. Составим уравнение прямой АВ по известным двум точкам

Þ . 5(х +2) = 3(у +6) Þ 5 х+10 = 3 у +18Þ АВ: 5х-3у-8=0.

Угловой коэффициент АВ: . Знаем, что .

Воспользуемся формулой

.

Для данного случая

.

4) Из п.1.б) известны уравнения стороны АС: 4х+7у+3=0 и высоты ВН: 7х-4у-10=0. Найдем точку их пересечения:

.

- точка пересечения стороны АС и высоты ВН. Эта же точка является серединой отрезка ВВ₁. Зная формулы координат середины отрезка

,

выведем формулы

Для данного случая получаем: Окончательно имеем: .

Пример 4. Линия, заданная уравнением r=r(j) в полярной системе координат. Требуется:

1) построить линию по точкам, начиная от j=0 до j=2p и придавая j значения через промежуток ;

2) найти уравнение данной линии в декартовой системе координат, у которой начало совпадает с полюсом, а положительная полуось абсцисс с полярной осью;

3) по уравнению в декартовой прямоугольной системе координат определить, какая это линия:

.

Решение:

1) Рассмотрим первый способ построения кривой. Придавая углу значения через промежуток , вычисляем соответствующие значения, радиуса r и записываем в виде таблицы найденные полярные координаты точек.

j	0								p
r	0,25	0,26	0,29	0,36	0,5	0,81	1,71	6,57	¥
j								2p
r	6,57	1,71	0,81	0,5	0,36	0,29	0,26	0,25

 

По найденным точкам строим кривую в полярной системе координат (см. рис.)

 

 

 

Рис.

 

2) Перейдем к прямоугольным координатам, используя формулы:

и .

Подставляя выражение для r и соsj в заданное уравнение

,

получаем:

.

Выполняем преобразования, чтобы освободиться от знаменателя.

;

, ;

.

Перенося 2х в правую часть и возводя в квадрат обе части равенства, имеем:

.

Преобразуя, получаем уравнение кривой в каноническом виде.

- парабола.

3) Полученное уравнение определяет параболу, ось симметрии которой ось абсцисс, а вершина находится в точке , ветви направлены влево.

Данные результаты соответствуют результатам, полученным ранее (см. рис.).

 

Пример 5. Дана система линейных уравнений:

доказать ее совместность и решить тремя способами:

1) Методом Гаусса;

2) По формулам Крамера;

3) Средствами матричного исчисления.

Решение: Теорема Кронекера-Капелли. Система совместна тогда и только тогда, когда ранг матрицы этой системы равен рангу ее расширенной матрицы, т. е. r (A) =r (A₁), где

, .

Расширенная матрица системы имеет вид:

.

Умножим первую строку на (–3),а вторую на (2); прибавим после этого элементы первой строки к соответствующим элементам второй строки; вычтем из второй строки третью. В полученной матрице первую строку оставляем без изменений.

 

~

Разделим элементы третьей строки на (6) и поменяем местами вторую и третью строки:

~ ~

Умножим вторую строку на (–11) и прибавим к соответствующим элементам третьей строки.

~

Разделим элементы третьей строки на (10).

~ ; ~ .

Найдем определитель матрицы А.

.

Следовательно, r (A) =3. Ранг расширенной матрицы r (A₁) так же равен 3, т.е.

r (A) =r (A₁)= 3 Þ система совместна.

 

1) Исследуя систему на совместность, расширенную матрицу преобразовали по методу Гаусса.

Метод Гаусса состоит в следующем:

1. Приведение матрицы к треугольному виду, т. е. ниже главной диагонали должны находиться нули (прямой ход).

2. Из последнего уравнения находим х₃ и подставляем его во второе, находим х₂, и зная х₃, х₂ подставляем их в первое уравнение, находим х₁ (обратный ход).

Запишем, преобразованную по методу Гаусса, расширенную матрицу

~

в виде системы трех уравнений:

Þ х₃=1

х₂=х₃ Þ х₃=1

2х₁=4+х₂+х₃ Þ 2х₁=4+1+1 Þ

Þ 2х₁=6 Þ х₁=3

Ответ: х₁=3, х₂=1, х₃=1.

2) Решим систему по формулам Крамера: если определитель системы уравнений Δ отличен от нуля, то система имеет единственное решение, которое находится по формулам

; ; .

Вычислим определитель системы Δ:

Т.к. определитель системы отличен от нуля, то согласно правилу Крамера, система имеет единственное решение. Вычислим определители Δ₁, Δ₂, Δ₃. Они получаются из определителя системы Δ заменой соответствующего столбца на столбец свободных коэффициентов.

Находим по формулам неизвестные:

; ;

Ответ: х₁=3, х₂=1, х₃=1 .

3) Решим систему средствами матричного исчисления, т. е. при помощи обратной матрицы.

А×Х=В Þ Х=А^-1× В, где А^-1 – обратная матрица к А,

- столбец свободных членов,

- матрица-столбец неизвестных.

Обратная матрица считается по формуле:

(*)

где D - определитель матрицы А, А_ij – алгебраические дополнения элемента а _ij матрицы А. D = 60 (из предыдущего пункта). Определитель отличен от нуля, следовательно, матрица А обратима, и обратную к ней матрицу можно найти по формуле (*). Найдем алгебраические дополнения для всех элементов матрицы А по формуле:

А_ij= (-1) ^i+j M_ij .

Запишем обратную матрицу.

.

Сделаем проверку по формуле: А^-1× А=Е.

 

А^-1А =

Вывод: так как произведение А^-1× А дает единичную матрицу, то обратная матрица А^-1 найдена верно и решение системы определяется по формуле Х=А^-1×В.

.

Ответ: х₁=3, х₂=1, х₃=1.

Проверка. Подставим полученные значения в систему. Получим:

Т. к. неизвестные х₁, х₂, х₃ обратили каждое уравнение в тождество, то они найдены верно.

 

Пример 6. Решить систему методом Гаусса и найти какие-нибудь два базисных решения системы.

Решение: