ישר/וקטור מאונך למישור ותכונותיו

30%
📖שיעור
50 דקות

ישר/וקטור מאונך למישור ותכונותיו

נגדיר מתי וקטור (וישר) מאונך למישור, נוכיח את התנאי המספיק — ניצבות לשני וקטורים לא קולינאריים של המישור — ונשתמש בו כדי לזהות גובה של גוף ולהוכיח ניצבות במרחב.

ישר/וקטור מאונך למישור ותכונותיו

מבוא

בשיעור הקודם בדקנו ניצבות בין שני וקטורים בעזרת התנאי . כעת נעלה רמה: מתי וקטור מאונך למישור שלם? זהו הכלי המרכזי לזיהוי גובה של מנסרה או פירמידה — וגובה הוא בדיוק מה שנצטרך כדי לחשב נפחים בשיעור הבא.

מטרות השיעור

  • להגדיר מתי וקטור (או ישר) מאונך למישור
  • להבין ולהוכיח את התנאי המספיק: ניצבות לשני וקטורים לא קולינאריים של המישור
  • ליישם את התנאי לבדיקת ניצבות בהצגה אלגברית ( ו-)
  • להבין שמקצוע (או וקטור) המאונך למישור הבסיס משמש גובה של הגוף

הרעיון המרכזי

הגדרה: וקטור מאונך למישור

וקטור נקרא מאונך למישור אם הוא מאונך לכל וקטור המונח במישור . בדומה, ישר מאונך למישור אם הוא מאונך לכל ישר העובר דרך נקודת החיתוך שלו עם המישור.

התנאי המספיק לניצבות וקטור למישור

לא צריך לבדוק את כל הווקטורים במישור. מספיק לבדוק שניים:

משפט: אם וקטור מאונך לשני וקטורים לא קולינאריים המגדירים מישור , אז מאונך למישור כולו.

הוכחת התנאי המספיק

נניח ו-, כאשר לא קולינאריים.

יהי וקטור כלשהו במישור . לפי המשפט על צירוף לינארי במישור, אפשר לכתוב את באופן יחיד כצירוף לינארי של שני הווקטורים הפורשים: עבור מספרים s, t מתאימים.

נחשב את המכפלה הסקלרית של עם , תוך שימוש בחוק הפילוג ובהומוגניות:

קיבלנו עבור כל וקטור במישור, כלומר מאונך לכל וקטור במישור — ומכאן מאונך למישור. מ.ש.ל.

המסקנה הגאומטרית: גובה של גוף

אם מקצוע או וקטור מאונך למישור הבסיס של גוף, אז הוא גובה הגוף — ואורכו הוא הגובה שנציב בנוסחת הנפח. לכן נוסח עבודה שכיח בבגרות הוא: "הוכיחו ש- מאונך למישור הבסיס", ומיד אחריו "מצאו את נפח הגוף".


דוגמאות מפורטות

דוגמה 1: בדיקת ניצבות לשני וקטורים פורשים

האם הווקטור n=(2,2,1)n=(2,2,1) מאונך למישור הנפרש על ידי u=(1,1,0)u=(1,-1,0) ו-v=(1,0,2)v=(1,0,-2)?

וגם .

1

שלב 1 — בודקים אי-קולינאריות

u ו-v אינם כפולה זה של זה (הרכיב השלישי של u הוא 0 ושל v הוא 2)-2), ולכן הם פורשים מישור.

דוגמה 2: מדוע ניצבות לישר אחד אינה מספיקה

הווקטור n=(0,0,1)n=(0,0,1) מאונך ל-u=(1,0,0)u=(1,0,0). האם מכאן נובע ש-n מאונך לכל מישור המכיל את u?

חייבים לבדוק שני כיוונים בלתי תלויים. כיוון אחד משאיר חופש סיבוב סביב הישר.

1

שלב 1 — בודקים ניצבות ל-u

nu=01+00+10=0n \cdot u = 0 \cdot 1 + 0 \cdot 0 + 1 \cdot 0 = 0, אכן n מאונך ל-u.

דוגמה 3: זיהוי מקצוע כגובה פירמידה

בפירמידה SABCD הבסיס ABCD מלבן במישור z=0z=0 עם A(0,0,0),B(6,0,0),D(0,4,0)A(0,0,0), B(6,0,0), D(0,4,0), והקודקוד S(0,0,8)S(0,0,8). הוכיחו שהמקצוע AS הוא גובה הפירמידה.

ו- מישור הבסיס ⟸ גובה.

1

שלב 1 — וקטורי הבסיס

AB=BA=(6,0,0),AD=DA=(0,4,0)AB = B-A = (6,0,0), AD = D-A = (0,4,0). הם לא קולינאריים ופורשים את מישור הבסיס.

דוגמה 4: הוכחת ניצבות עם וקטורים לא ציריים

האם n=(1,2,2)n=(1,2,-2) מאונך למישור הנפרש על ידי u=(2,1,0)u=(2,-1,0) ו-v=(2,1,2)v=(2,1,2)?

התנאי המספיק עובד גם כשהווקטורים אינם מקבילים לצירים — צריך רק שיהיו לא קולינאריים.

1

שלב 1 — אי-קולינאריות

u ו-v אינם כפולה זה של זה, ולכן פורשים מישור.

בדיקה מהירה

בדיקה מהירה

מהו התנאי המספיק לכך שווקטור n מאונך למישור π\pi?

כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם

בדיקה מהירה

מישור נפרש על ידי הווקטורים u=(1,2,2)u=(1,2,2) ו-v=(2,2,1)v=(2,-2,1). איזה מהווקטורים הבאים מאונך למישור זה?

כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם

תשובה מספרית

בסרטוט נתונה פירמידה SABCD שבסיסה ABCD מלבן במישור z=0z=0, עם A(0,0,0),B(6,0,0),D(0,4,0)A(0,0,0), B(6,0,0), D(0,4,0), והקודקוד S(0,0,8)S(0,0,8). הוכחתם שהמקצוע AS מאונך למישור הבסיס. מהו אורך גובה הפירמידה?

כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם


טעויות נפוצות

טעות נפוצה: חושבים שניצבות לישר אחד מספיקה

מאונך ל- בלבד — לא מספיק. צריך וגם עם לא קולינאריים.

למה זה קורה?

נדמה שאם וקטור מאונך לישר במישור, הוא 'נשען' על המישור בניצב.

איך מתקנים?

ניצבות לישר אחד משאירה חופש סיבוב. נדרשת ניצבות לשני וקטורים לא קולינאריים של המישור.

טעות נפוצה: בודקים ניצבות לשני וקטורים קולינאריים

אם , אז ניצבות לשניהם זהה לניצבות ל- בלבד — לא מספיק.

למה זה קורה?

לא שמים לב ששני הווקטורים שנבחרו הם בעצם אותו כיוון (כפולה זה של זה).

איך מתקנים?

לפני היישום בדקו שהווקטורים לא קולינאריים — שאינם כפולה זה של זה — אחרת אינם פורשים מישור.

טעות נפוצה: שוכחים שמקצוע מאונך לבסיס הוא הגובה

אם הוכחתם בסיס, אז הוא הגובה לנוסחת הנפח.

למה זה קורה?

מסיימים את ההוכחה ומחפשים גובה אחר במקום להשתמש במקצוע שכבר הוכח כמאונך.

איך מתקנים?

מקצוע (או וקטור) שהוכח כמאונך למישור הבסיס הוא בדיוק הגובה; אורכו נכנס ישירות לנוסחת הנפח.

סיכום

מה למדנו?

  • וקטור מאונך למישור מאונך לכל וקטור במישור.
  • תנאי מספיק: ניצבות לשני וקטורים לא קולינאריים של המישור גוררת ניצבות למישור כולו.
  • ההוכחה: כל וקטור במישור הוא , ולכן .
  • בהצגה אלגברית: בודקים ו-.
  • מקצוע המאונך למישור הבסיס הוא גובה הגוף.

זכרו: שני כיוונים בלתי תלויים — לא אחד. בשיעור הבא נשתמש בגובה הזה כדי לחשב נפחים של מנסרות ופירמידות.


תרגול נוסף

עברו לתרגול כדי להתאמן על בדיקת ניצבות לשני וקטורים, הוכחת ניצבות וקטור למישור וזיהוי גובה של גוף!

תרגול