Координати і вектори на площині

Координатний метод переводить геометрію в алгебру: точки стають парами чисел, відрізки — різницями, а питання про перпендикулярність — рівнянням. Це найнадійніший спосіб розв'язувати геометричні задачі на НМТ, бо він майже не залежить від акуратності рисунка. Вектори додають до цього ще один шар — вони кодують не лише довжину, а й напрям.

Координати точок

У прямокутній системі координат кожна точка задається парою чисел (x;y)(x;\,y). Для двох точок A(x1;y1)A(x_1;y_1) і B(x2;y2)B(x_2;y_2):

d=AB=(x2x1)2+(y2y1)2,M=(x1+x22; y1+y22),d = AB = \sqrt{(x_2-x_1)^2 + (y_2-y_1)^2}, \qquad M = \left(\dfrac{x_1+x_2}{2};\ \dfrac{y_1+y_2}{2}\right),

де ddвідстань між точками, а MMсередина відрізка ABAB.

Формула відстані — це теорема Піфагора в координатах: різниці x2x1x_2 - x_1 і y2y1y_2 - y_1 є катетами прямокутного трикутника, а сам відрізок ABAB — його гіпотенузою. Тому в різницях порядок не важливий: вони однаково підносяться до квадрата.

А от середина відрізка — це середнє арифметичне координат, тут ніяких квадратів немає. Плутати ці дві формули — типова помилка.

Приклад 1 — відстань і середина

Дано точки A(1;2)A(1;\,2) і B(7;10)B(7;\,10). Знайдемо відстань між ними й середину відрізка.

  1. Різниці координат: 71=67 - 1 = 6 і 102=810 - 2 = 8;
  2. відстань: d=62+82=100=10d = \sqrt{6^2 + 8^2} = \sqrt{100} = 10;
  3. середина: M(1+72; 2+102)=M(4;6)M\left(\dfrac{1+7}{2};\ \dfrac{2+10}{2}\right) = M(4;\,6).

Відповідь: d=10d = 10, M(4;6)M(4;\,6). Знову спрацювала трійка (6,8,10)(6, 8, 10).

Вектори

Вектор AB\vec{AB} має координати (x2x1;y2y1)(x_2-x_1;\,y_2-y_1) — різниці координат кінця й початку. Модуль (довжина) вектора a(x;y)\vec{a}(x;y):

a=x2+y2.|\vec{a}| = \sqrt{x^2 + y^2}.

Дії з векторами виконують покоординатно:

a±b=(x1±x2; y1±y2),ka=(kx; ky).\vec{a} \pm \vec{b} = (x_1 \pm x_2;\ y_1 \pm y_2), \qquad k\vec{a} = (kx;\ ky).

Порядок «кінець мінус початок» принциповий: вектори AB\vec{AB} і BA\vec{BA} мають протилежні координати, бо це той самий відрізок, пройдений у різні боки. Довжина ж у них однакова.

Скалярний добуток

Скалярний добуток двох векторів — число:

ab=x1x2+y1y2=abcosφ,\vec{a}\cdot\vec{b} = x_1 x_2 + y_1 y_2 = |\vec{a}|\,|\vec{b}|\cos\varphi,

де φ\varphi — кут між векторами. Звідси зручний критерій перпендикулярності:

ab    ab=0.\vec{a} \perp \vec{b} \iff \vec{a}\cdot\vec{b} = 0.

Результат скалярного добутку — саме число, а не вектор. Його знак одразу каже про кут: додатний — кут гострий, від'ємний — тупий, нуль — прямий. Це дозволяє визначати вид кута, взагалі не обчислюючи його.

Друга форма запису дає й спосіб знайти сам кут:

cosφ=x1x2+y1y2ab.\cos\varphi = \dfrac{x_1 x_2 + y_1 y_2}{|\vec{a}|\cdot|\vec{b}|}.

Приклад 2 — скалярний добуток і кут

Дано вектори a(3;4)\vec{a}(3;\,4) і b(4;3)\vec{b}(-4;\,3). Знайдемо їхній скалярний добуток і з'ясуємо, чи перпендикулярні вони.

  1. Скалярний добуток: 3(4)+43=12+12=03 \cdot (-4) + 4 \cdot 3 = -12 + 12 = 0;
  2. добуток дорівнює нулю, отже вектори перпендикулярні.

Відповідь: ab=0\vec{a} \cdot \vec{b} = 0, вектори перпендикулярні. Зауваж: обидва мають однакову довжину 9+16=5\sqrt{9+16} = 5 — це той самий вектор, повернутий на 90°90°.

Колінеарність

Вектори a(x1;y1)\vec{a}(x_1;y_1) і b(x2;y2)\vec{b}(x_2;y_2) колінеарні (паралельні), якщо їхні координати пропорційні, тобто

x1y2y1x2=0.x_1 y_2 - y_1 x_2 = 0.

Швидка перевірка

Колінеарність зручно перевіряти через «навхрест»: x1y2=y1x2x_1 y_2 = y_1 x_2. Якщо рівність виконується — вектори колінеарні (лежать на паралельних прямих).

Дві умови теми зручно тримати поруч, бо їх легко переплутати:

ПитанняУмоваЩо обчислюємо
Перпендикулярні?x1x2+y1y2=0x_1 x_2 + y_1 y_2 = 0добуток «однойменних», сума
Колінеарні?x1y2y1x2=0x_1 y_2 - y_1 x_2 = 0добуток «навхрест», різниця
Приклад 3 — колінеарність

Чи колінеарні вектори a(2;6)\vec{a}(2;\,6) і b(5;15)\vec{b}(5;\,15)?

  1. Перевіряємо навхрест: 215652 \cdot 15 - 6 \cdot 5;
  2. рахуємо: 3030=030 - 30 = 0.

Відповідь: так, колінеарні. Справді, b=2,5a\vec{b} = 2{,}5\,\vec{a} — один вектор є кратним іншому.

Типові помилки

  • Плутають формули відстані й середини. У відстані — різниці й корінь, у середині — суми й ділення на два.
  • Беруть координати вектора як «початок мінус кінець». Правило одне: кінець мінус початок.
  • Плутають умови перпендикулярності й колінеарності. Перша — сума добутків однойменних координат, друга — різниця «навхрест».
  • Вважають скалярний добуток вектором. Це число, і питання «які його координати» не має сенсу.
  • Забувають корінь у модулі вектора. Вираз x2+y2x^2 + y^2 — це квадрат довжини.

Перевір себе

Розібрані приклади

Так виглядають задачі цієї теми в тренажері. Тут вони розібрані повністю — у самому тренажері числа в умові щоразу нові, а розв’язання відкривається після вашої відповіді.

  1. Приклад 1. Відстань між точками

    Знайдіть відстань між точками A(4;5) A(-4;-5) і B(3;29). B(3;-29).

    Відповідь: 2525

    Розв'язання: d=(7)2+(24)2=49+576=625=25d = \sqrt{(7)^2 + (-24)^2} = \sqrt{49 + 576} = \sqrt{625} = 25
  2. Приклад 2. Модуль вектора

    Знайдіть модуль вектора a(9;12). \vec{a}(9;-12).

    Відповідь: 1515

    Розв'язання: a=(9)2+(12)2=81+144=225=15|\vec{a}| = \sqrt{(9)^2 + (-12)^2} = \sqrt{81 + 144} = \sqrt{225} = 15
  3. Приклад 3. Скалярний добуток

    Знайдіть скалярний добуток a(4;2)b(2;6). \vec{a}(-4;-2) \cdot \vec{b}(-2;6).

    Відповідь: 4-4

    Розв'язання: ab=42+26=8+12=4\vec{a}\cdot\vec{b} = -4\cdot-2 + -2\cdot6 = 8 + -12 = -4