Teorie

Teorie sintetizată: vectori și geometrie analitică

Publicat · de

Deschide PDF

Rezumat

Un vector are direcție, sens și lungime și se adună cu regula triunghiului sau a paralelogramului. În coordonate, adunarea vectorilor și înmulțirea cu un număr se fac pe componente. Ecuația dreptei, panta, distanța dintre două puncte și produsul scalar leagă calculul algebric de figurile geometrice.

Profil: Matematică-Informatică | Pondere Bacalaureat: Subiectul I, Exercițiul 5

1. Vectori în plan (sistemul cartezian)

Fie punctele $A\left( x_{A},y_{A} \right)$ și $B\left( x_{B},y_{B} \right)$ și vectorii de poziție $\overrightarrow{r_{A}} = x_{A}\overrightarrow{i} + y_{A}\overrightarrow{j}$, $\overrightarrow{r_{B}} = x_{B}\overrightarrow{i} + y_{B}\overrightarrow{j}$.

  • Vectorul liber $\overrightarrow{AB}$:

$$\overrightarrow{AB} = \left( x_{B} - x_{A} \right)\overrightarrow{i} + \left( y_{B} - y_{A} \right)\overrightarrow{j}$$

  • Lungimea (modulul) unui vector $\overrightarrow{v} = a\overrightarrow{i} + b\overrightarrow{j}$:

$$|\overrightarrow{v}| = \sqrt{a^{2} + b^{2}}$$

  • Distanța dintre două puncte $A$ și $B$:

$$AB = |\overrightarrow{AB}| = \sqrt{\left( x_{B} - x_{A} \right)^{2} + \left( y_{B} - y_{A} \right)^{2}}$$

  • Suma și diferența vectorilor:

$$\overrightarrow{u} = a_{1}\overrightarrow{i} + b_{1}\overrightarrow{j},\quad\overrightarrow{v} = a_{2}\overrightarrow{i} + b_{2}\overrightarrow{j}$$

$$\overrightarrow{u} \pm \overrightarrow{v} = \left( a_{1} \pm a_{2} \right)\overrightarrow{i} + \left( b_{1} \pm b_{2} \right)\overrightarrow{j}$$

  • Înmulțirea cu un scalar:

$$\alpha \cdot \overrightarrow{u} = \left( \alpha a_{1} \right)\overrightarrow{i} + \left( \alpha b_{1} \right)\overrightarrow{j}$$

  • Condiția de coliniaritate a doi vectori:

$$\overrightarrow{u}||\overrightarrow{v} < = > \frac{a_{1}}{a_{2}} = \frac{b_{1}}{b_{2}} < = > a_{1}b_{2} - a_{2}b_{1} = 0$$

  • Produsul scalar:

$$\overrightarrow{u} \cdot \overrightarrow{v} = |\overrightarrow{u}| \cdot |\overrightarrow{v}| \cdot \cos(\theta) = a_{1}a_{2} + b_{1}b_{2}$$

  • Cosinusul unghiului dintre doi vectori:

$$\cos(\theta) = \frac{a_{1}a_{2} + b_{1}b_{2}}{\sqrt{a_{1}^{2} + b_{1}^{2}} \cdot \sqrt{a_{2}^{2} + b_{2}^{2}}}$$

  • Condiția de perpendicularitate a doi vectori:

$$\overrightarrow{u}\bot\overrightarrow{v} < = > \overrightarrow{u} \cdot \overrightarrow{v} = 0 < = > a_{1}a_{2} + b_{1}b_{2} = 0$$

2. Puncte remarcabile și segmente

  • Mijlocul $M$ al segmentului $\lbrack AB\rbrack$:

$$x_{M} = \frac{x_{A} + x_{B}}{2},\quad y_{M} = \frac{y_{A} + y_{B}}{2} = > \overrightarrow{r_{M}} = \frac{\overrightarrow{r_{A}} + \overrightarrow{r_{B}}}{2}$$

  • Punctul $M$ care împarte $\lbrack AB\rbrack$ în raportul $k = \frac{MA}{MB}$:

$$x_{M} = \frac{x_{A} + kx_{B}}{1 + k},\quad y_{M} = \frac{y_{A} + ky_{B}}{1 + k} = > \overrightarrow{r_{M}} = \frac{\overrightarrow{r_{A}} + k\overrightarrow{r_{B}}}{1 + k}$$

  • Centrul de greutate $G$ al $\bigtriangleup ABC$:

$$x_{G} = \frac{x_{A} + x_{B} + x_{C}}{3},\quad y_{G} = \frac{y_{A} + y_{B} + y_{C}}{3} = > \overrightarrow{r_{G}} = \frac{\overrightarrow{r_{A}} + \overrightarrow{r_{B}} + \overrightarrow{r_{C}}}{3}$$

3. Ecuațiile dreptei în plan

  • Panta unei drepte ($m$):

    • Prin unghiul $\alpha$ făcut cu axa $Ox$: $m = {tg}(\alpha)$

    • Prin două puncte $A$ și $B$: $m = \frac{y_{B} - y_{A}}{x_{B} - x_{A}}$ (unde $x_{A} \neq x_{B}$)

  • Forme ale ecuației dreptei:

    • Explicită: $y = mx + n$ ($m$ = panta, $n$ = tăietura pe axa $Oy$)

    • Generală: $aX + bY + c = 0$ (panta $m = - \frac{a}{b}$)

    • Prin punct $A\left( x_{0},y_{0} \right)$ și pantă $m$:

$$y - y_{0} = m\left( x - x_{0} \right)$$

  • Prin două puncte $A\left( x_{A},y_{A} \right)$ și $B\left( x_{B},y_{B} \right)$:

$$\frac{x - x_{A}}{x_{B} - x_{A}} = \frac{y - y_{A}}{y_{B} - y_{A}}\quad$$

  • Prin tăieturi (intersecțiile cu axele): $\frac{x}{a} + \frac{y}{b} = 1$

4. Poziții relative a două drepte

Fie $d_{1}:y = m_{1}x + n_{1}$ și $d_{2}:y = m_{2}x + n_{2}$ (sau în forma generală $a_{1}x + b_{1}y + c_{1} = 0$, $a_{2}x + b_{2}y + c_{2} = 0$):

  • Paralelism:

$$d_{1}||d_{2} < = > m_{1} = m_{2} < = > \frac{a_{1}}{a_{2}} = \frac{b_{1}}{b_{2}} \neq \frac{c_{1}}{c_{2}}$$

  • Perpendicularitate:

$$d_{1}\bot d_{2} < = > m_{1} \cdot m_{2} = - 1 < = > a_{1}a_{2} + b_{1}b_{2} = 0$$

  • Identice (Coincid):

$$d_{1} \equiv d_{2} < = > m_{1} = m_{2}\text{~și~}n_{1} = n_{2} < = > \frac{a_{1}}{a_{2}} = \frac{b_{1}}{b_{2}} = \frac{c_{1}}{c_{2}}$$

  • Secante (Intersecție într-un punct):

$$m_{1} \neq m_{2} < = > \text{Sistemul~format~din~ecuațiile~celor~două~drepte~are~soluție~unică.}$$

5. Distanțe și arii

  • Distanța de la un punct $P\left( x_{0},y_{0} \right)$ la o dreaptă $d:aX + bY + c = 0$:

$${dist}(P,d) = \frac{|ax_{0} + by_{0} + c|}{\sqrt{a^{2} + b^{2}}}$$

6. Idei și strategii frecvente la BAC (Subiectul I, Ex. 5)

Tip de problemă Strategie de rezolvare
Dreaptă paralelă cu $d$ prin $A$ Scrii panta $m_{d}$. Panta dreptei căutate este $m = m_{d}$. Aplici $y - y_{A} = m\left( x - x_{A} \right)$.
Dreaptă perpendiculară pe $d$ prin $A$ Calculezi $m_{d}$. Panta căutată este $m = - \frac{1}{m_{d}}$. Aplici $y - y_{A} = m\left( x - x_{A} \right)$.
Simetricul punctului $A$ față de $B$ Punctul $B$ este mijlocul segmentului $\lbrack AA'\rbrack$. Aplici $x_{B} = \frac{x_{A} + x_{A'}}{2}$, $y_{B} = \frac{y_{A} + y_{A'}}{2}$.
Simetricul punctului $A$ față de o dreaptă $d$

1. Construiești $d'\bot d$ prin $A$.

2. Afli $M = d \cap d'$ (proiecția lui $A$).

3. $M$ este mijlocul lui $\lbrack AA'\rbrack$.

Calculul înălțimii din $A$ în $\bigtriangleup ABC$

1. Calculezi panta $m_{BC}$.

2. Panta înălțimii este $m_{h_{A}} = - \frac{1}{m_{BC}}$.

3. Scrii ecuația $y - y_{A} = m_{h_{A}}\left( x - x_{A} \right)$.

Echilibrul de vectori (Paralelogram) $ABCD$ paralelogram $\overrightarrow{AB} = \overrightarrow{DC} < = > \overrightarrow{r_{A}} + \overrightarrow{r_{C}} = \overrightarrow{r_{B}} + \overrightarrow{r_{D}}$.

Întrebări frecvente

Ce este un vector?

O mărime cu direcție, sens și lungime, reprezentată printr-o săgeată. Doi vectori sunt egali când au aceeași direcție, același sens și aceeași lungime.

Cum se adună doi vectori?

Cu regula triunghiului: așezi al doilea vector cu originea în vârful primului, iar suma unește originea primului cu vârful celui de-al doilea. În coordonate, aduni componentele separat.

Cum recunoști vectorii perpendiculari?

Doi vectori nenuli sunt perpendiculari exact când produsul lor scalar este zero. Din produsul scalar obții și unghiul dintre vectori sau lungimea proiecției unuia pe celălalt.