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 . Для двох точок і :
де — відстань між точками, а — середина відрізка .
Формула відстані — це теорема Піфагора в координатах: різниці і є катетами прямокутного трикутника, а сам відрізок — 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.
Дано точки і . Знайдемо відстань між ними й середину відрізка.
- Різниці координат: і ;
- відстань: ;
- середина: .
Відповідь: , . Знову спрацювала трійка .
Вектори
Вектор має координати — різниці координат кінця й початку. Модуль (довжина) вектора :
Дії з векторами виконують покоординатно:
Порядок «кінець мінус початок» принциповий: вектори і мають протилежні координати, бо це той самий відрізок, пройдений у різні боки. Довжина ж у них однакова.
Скалярний добуток
Скалярний добуток двох векторів — число:
де — кут між векторами. Звідси зручний критерій перпендикулярності:
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:
Дано вектори і . Знайдемо їхній скалярний добуток і з'ясуємо, чи перпендикулярні вони.
- Скалярний добуток: ;
- добуток дорівнює нулю, отже вектори перпендикулярні.
Відповідь: , вектори перпендикулярні. Зауваж: обидва мають однакову довжину — це той самий вектор, повернутий на .
Колінеарність
Вектори і колінеарні (паралельні), якщо їхні координати пропорційні, тобто
Колінеарність зручно перевіряти через «навхрест»: . Якщо рівність виконується — вектори колінеарні (лежать на паралельних прямих).
Дві умови теми зручно тримати поруч, бо їх легко переплутати:
| Питання | Умова | Що обчислюємо |
|---|---|---|
| Перпендикулярні? | добуток «однойменних», сума | |
| Колінеарні? | добуток «навхрест», різниця |
Чи колінеарні вектори і ?
- Перевіряємо навхрест: ;
- рахуємо: .
Відповідь: так, колінеарні. Справді, — 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 — це квадрат довжини.