9.1 Wektor w układzie współrzędnych – podstawowe informacje
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (3 pkt)
Oblicz współrzędne wektora \(\vec{AB}\), jeśli:
a) \(A(-\sqrt{2}, 0),\ B(3\sqrt{2}, -\sqrt{2})\)
b) \(A\left(-\dfrac{1}{4}, \dfrac{2}{5}\right),\ B\left(\dfrac{3}{4}, 1\right)\)
a) \(A(-\sqrt{2}, 0),\ B(3\sqrt{2}, -\sqrt{2})\)
b) \(A\left(-\dfrac{1}{4}, \dfrac{2}{5}\right),\ B\left(\dfrac{3}{4}, 1\right)\)
a) \(\vec{AB} = [4\sqrt{2},\; -\sqrt{2}]\)
b) \(\vec{AB} = \left[1,\; \dfrac{3}{5}\right]\)
b) \(\vec{AB} = \left[1,\; \dfrac{3}{5}\right]\)
Wskazówki:
- Punkt wyjścia i definicja: Współrzędne wektora o danym początku i końcu opisują jego przesunięcie wzdłuż osi układu współrzędnych – pierwsza współrzędna odpowiada zmianie na osi \(OX\), a druga na osi \(OY\).
- Kluczowy wzór: Dla punktów \(A(x_A, y_A)\) oraz \(B(x_B, y_B)\) stosujemy fundamentalną zależność: \(\vec{AB} = [x_B - x_A,\; y_B - y_A]\). Zawsze odejmujemy współrzędne punktu początkowego (\(A\)) od współrzędnych punktu końcowego (\(B\)).
- Kolejność operacji: Obliczaj każdą współrzędną osobno. W podpunkcie a) pamiętaj o redukcji wyrazów podobnych z pierwiastkami, a w podpunkcie b) o sprowadzeniu liczb do wspólnego mianownika przy odejmowaniu ułamków.
- Weryfikacja wyniku: Skontroluj znaki współrzędnych – jeżeli punkt końcowy leży niżej lub bardziej na lewo niż początkowy, odpowiednia współrzędna wektora musi wyjść ujemna.
- Czego unikać (częsta pułapka): Uważaj na zamianę kolejności odejmowania (wyznaczenie wektora przeciwnego \(\vec{BA}\) zamiast \(\vec{AB}\)) oraz na znaki minus przy odejmowaniu wartości ujemnych: \(x_B - (-x_A) = x_B + x_A\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Wzór ogólny na współrzędne wektora w układzie współrzędnych:
Współrzędne wektora zaczepionego w punkcie \(A(x_A, y_A)\) o końcu w punkcie \(B(x_B, y_B)\) obliczamy, odejmując współrzędne początku od współrzędnych końca: $$ \vec{AB} = [x_B - x_A,\; y_B - y_A] $$ -
Podpunkt a) Obliczamy współrzędne wektora dla punktów \(A(-\sqrt{2}, 0)\) oraz \(B(3\sqrt{2}, -\sqrt{2})\):
Identyfikujemy współrzędne punktów: $$ x_A = -\sqrt{2},\quad y_A = 0,\quad x_B = 3\sqrt{2},\quad y_B = -\sqrt{2} $$ Wstawiamy dane do wzoru, zwracając szczególną uwagę na podwójny znak minus przy pierwszej współrzędnej: $$ \begin{aligned} \vec{AB} &= [x_B - x_A,\; y_B - y_A] \\[8pt] &= [3\sqrt{2} - (-\sqrt{2}),\; -\sqrt{2} - 0] \\[8pt] &= [3\sqrt{2} + \sqrt{2},\; -\sqrt{2}] \\[8pt] &= [4\sqrt{2},\; -\sqrt{2}] \end{aligned} $$ -
Podpunkt b) Obliczamy współrzędne wektora dla punktów \(A\left(-\dfrac{1}{4}, \dfrac{2}{5}\right)\) oraz \(B\left(\dfrac{3}{4}, 1\right)\):
Identyfikujemy współrzędne punktów: $$ x_A = -\dfrac{1}{4},\quad y_A = \dfrac{2}{5},\quad x_B = \dfrac{3}{4},\quad y_B = 1 $$ Wstawiamy wartości do wzoru i wykonujemy działania na ułamkach zwykłych: $$ \begin{aligned} \vec{AB} &= [x_B - x_A,\; y_B - y_A] \\[8pt] &= \left[\dfrac{3}{4} - \left(-\dfrac{1}{4}\right),\; 1 - \dfrac{2}{5}\right] \\[8pt] &= \left[\dfrac{3}{4} + \dfrac{1}{4},\; \dfrac{5}{5} - \dfrac{2}{5}\right] \\[8pt] &= \left[\dfrac{4}{4},\; \dfrac{3}{5}\right] \\[8pt] &= \left[1,\; \dfrac{3}{5}\right] \end{aligned} $$
Odpowiedź:
a) \(\vec{AB} = [4\sqrt{2},\; -\sqrt{2}]\)
b) \(\vec{AB} = \left[1,\; \dfrac{3}{5}\right]\)
a) \(\vec{AB} = [4\sqrt{2},\; -\sqrt{2}]\)
b) \(\vec{AB} = \left[1,\; \dfrac{3}{5}\right]\)
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 2 (2 pkt)
Punkt \(S\) jest punktem wspólnym odcinka \(AB\) i jego symetralnej. Wyznacz współrzędne punktu \(A\), jeśli: \(S(0, 0)\), \(\vec{SB} = [2, 3]\).
\(A(-2, -3)\)
Wskazówki:
- Punkt wyjścia i analiza pojęciowa: Przypomnij sobie geometryczną definicję symetralnej odcinka. Jest to prosta prostopadła do odcinka przechodząca dokładnie przez jego środek. Punkt wspólny odcinka i jego symetralnej to zatem środek tego odcinka, co oznacza, że punkt \(S\) jest środkiem odcinka \(AB\).
- Główna metoda (własność wektorów): Skoro punkt \(S\) leży dokładnie w połowie odcinka \(AB\), wektory \(\vec{SA}\) oraz \(\vec{SB}\) mają identyczną długość i ten sam kierunek, lecz przeciwne zwroty. Zachodzi między nimi podstawowa relacja wektorowa: \(\vec{SA} = -\vec{SB}\).
- Kolejność operacji: Wyznacz współrzędne wektora przeciwnego \(\vec{SA}\) poprzez zmianę znaków składowych wektora \(\vec{SB}\), a następnie wyznacz współrzędne punktu \(A\), korzystając ze wzoru na współrzędne wektora \(\vec{SA} = [x_A - x_S, y_A - y_S]\).
- Metoda alternatywna i weryfikacja: Możesz również odczytać współrzędne punktu \(B(2, 3)\) i zastosować klasyczne wzory na współrzędne środka odcinka: \(x_S = \dfrac{x_A + x_B}{2}\) oraz \(y_S = \dfrac{y_A + y_B}{2}\), sprawdzając zgodność obu metod.
- Czego unikać (częsta pułapka): Uważaj na zwroty wektorów – wektor \(\vec{SA}\) jest wektorem przeciwnym do \(\vec{SB}\), a nie równym mu (\(\vec{SA} \neq \vec{SB}\)). Nie pomyl również początku z końcem wektora przy odejmowaniu współrzędnych.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Analiza geometryczna i rysunek pomocniczy stanu wyjściowego:
Symetralna odcinka to prosta prostopadła do niego, dzieląca go na dwie równe części. Skoro punkt \(S\) jest punktem wspólnym odcinka \(AB\) i jego symetralnej, to \(S\) jest środkiem odcinka \(AB\).
Z treści zadania znamy współrzędne środka \(S(0, 0)\) oraz wektor \(\vec{SB} = [2, 3]\). -
Sposób I – Wyznaczenie współrzędnych punktu \(A\) z zależności wektorowej:
Wektor \(\vec{SA}\) łączy środek odcinka z punktem \(A\), natomiast wektor \(\vec{SB}\) łączy środek odcinka z punktem \(B\). Mają one równe długości, leżą na jednej prostej, lecz są skierowane przeciwnie: $$\vec{SA} = -\vec{SB}$$ Podstawiamy dane współrzędne wektora \(\vec{SB} = [2, 3]\): $$\vec{SA} = -[2, 3] = [-2, -3]$$ Współrzędne wektora \(\vec{SA}\) wyrażają się przez różnicę współrzędnych końca i początku: $$\vec{SA} = [x_A - x_S, y_A - y_S]$$ Podstawiamy współrzędne punktu \(S(0, 0)\): $$\begin{aligned} [-2, -3] &= [x_A - 0, y_A - 0] \\[8pt] [-2, -3] &= [x_A, y_A] \end{aligned}$$ Przyrównując odpowiednie składowe: $$x_A = -2, \quad y_A = -3$$ Zatem punkt \(A\) ma współrzędne \(A(-2, -3)\). -
Sposób II – Wyznaczenie współrzędnych ze wzoru na środek odcinka:
Wektor \(\vec{SB}\) ma początek w punkcie \(S(0, 0)\) i koniec w punkcie \(B(x_B, y_B)\): $$\vec{SB} = [x_B - x_S, y_B - y_S] = [x_B - 0, y_B - 0] = [x_B, y_B]$$ Ponieważ \(\vec{SB} = [2, 3]\), współrzędne punktu \(B\) to \(B(2, 3)\).
Punkt \(S(x_S, y_S)\) jest środkiem odcinka \(AB\), więc jego współrzędne są średnimi arytmetycznymi współrzędnych punktów \(A\) i \(B\): $$x_S = \dfrac{x_A + x_B}{2}, \quad y_S = \dfrac{y_A + y_B}{2}$$ Wyznaczamy współrzędną \(x_A\): $$\begin{aligned} 0 &= \dfrac{x_A + 2}{2} \\[8pt] x_A + 2 &= 0 \\[8pt] x_A &= -2 \end{aligned}$$ Wyznaczamy współrzędną \(y_A\): $$\begin{aligned} 0 &= \dfrac{y_A + 3}{2} \\[8pt] y_A + 3 &= 0 \\[8pt] y_A &= -3 \end{aligned}$$ Obie metody prowadzą do tego samego wyniku: \(A(-2, -3)\). -
Rysunek wynikowy w kartezjańskim układzie współrzędnych:
Poniższy wykres ilustruje położenie obu końców odcinka \(A(-2, -3)\) i \(B(2, 3)\), jego środek \(S(0, 0)\) oraz prostą symetralną przechodzącą przez punkt \(S\).
Odpowiedź:
\(A(-2, -3)\)
\(A(-2, -3)\)
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 3 (2 pkt)
Dane są punkty \(A\), \(B\), \(C\), \(D\). Sprawdź, czy czworokąt \(ABCD\) jest równoległobokiem. Następnie oblicz jego obwód.
\(A(0, 0)\), \(B(2, 1)\), \(C(3, 4)\), \(D(1, 3)\)
\(A(0, 0)\), \(B(2, 1)\), \(C(3, 4)\), \(D(1, 3)\)
Czworokąt \(ABCD\) jest równoległobokiem. Obwód czworokąta wynosi \(2\sqrt{5} + 2\sqrt{10}\).
Wskazówki:
- Punkt wyjścia i analiza: Rozpocznij od wykonania szkicu pomocniczego w układzie współrzędnych i naniesienia punktów \(A, B, C, D\). Przypomnij sobie warunki równoległoboku: przeciwległe boki muszą być równoległe i równej długości, a przekątne muszą przecinać się dokładnie w swoich środkach.
- Kluczowa metoda i wzór: Najszybszym i najbardziej eleganckim sposobem jest zbadanie równości wektorów wyznaczających przeciwległe boki: \(\vec{AB}\) oraz \(\vec{DC}\) (gdzie \(\vec{PK} = [x_K - x_P,\; y_K - y_P]\)). Równość \(\vec{AB} = \vec{DC}\) gwarantuje jednocześnie równoległość i równość długości tych boków. Alternatywnie możesz sprawdzić, czy środki przekątnych \(AC\) i \(BD\) pokrywają się, korzystając ze wzoru na środek odcinka: \(S = \left(\dfrac{x_1 + x_2}{2},\; \dfrac{y_1 + y_2}{2}\right)\).
- Kolejność operacji: Po potwierdzeniu, że figura jest równoległobokiem, oblicz długości dwóch sąsiednich boków (np. \(|AB|\) oraz \(|AD|\)) za pomocą wzoru na odległość punktów: \(d = \sqrt{(x_2 - x_1)^2 + (y_2 - y_1)^2}\). Następnie wyznacz obwód jako sumę wszystkich boków: \(Obw = 2|AB| + 2|AD|\).
- Weryfikacja wyniku: Upewnij się, że długości boków są dodatnie oraz zapisane w najprostszej postaci pierwiastkowej. Pamiętaj, że wyrażenia \(2\sqrt{5} + 2\sqrt{10}\) nie można zsumować pod jeden wspólny pierwiastek – można jedynie wyłączyć liczbę \(2\) przed nawias: \(2(\sqrt{5} + \sqrt{10})\).
- Czego unikać (częsta pułapka): Zwróć szczególną uwagę na zwrot wektorów przy porównywaniu przeciwległych boków. Odcinek \(AB\) ma ten sam zwrot co odcinek \(DC\) (a nie \(CD\)). Zapisanie wektora \(\vec{CD}\) dałoby wektor o przeciwnych znakach (\([-2, -1]\)), co mogłoby błędnie zasugerować, że czworokąt nie jest równoległobokiem.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Szkic pomocniczy i naniesienie punktów w układzie współrzędnych:
Zaznaczamy w kartezjańskim układzie współrzędnych dane punkty: \(A(0, 0)\), \(B(2, 1)\), \(C(3, 4)\) oraz \(D(1, 3)\). Łączymy je pomocniczym zarysem, aby zilustrować badany czworokąt \(ABCD\). -
Weryfikacja, czy czworokąt \(ABCD\) jest równoległobokiem:
Aby czworokąt był równoległobokiem, jego przeciwległe boki muszą być parami równe i równoległe, bądź jego przekątne muszą dzielić się na połowy.
Sposób I – Wykorzystanie rachunku wektorowego (najbardziej intuicyjna metoda licealna):
Współrzędne wektora o początku w punkcie \(P(x_P, y_P)\) i końcu w punkcie \(K(x_K, y_K)\) wyznaczamy odejmując współrzędne początku od współrzędnych końca: $$\vec{PK} = [x_K - x_P,\; y_K - y_P]$$ Wyznaczamy wektory reprezentujące pierwszą parę przeciwległych boków (\(\vec{AB}\) oraz \(\vec{DC}\)): $$\begin{aligned} \vec{AB} &= [2 - 0,\; 1 - 0] = [2,\; 1] \\[8pt] \vec{DC} &= [3 - 1,\; 4 - 3] = [2,\; 1] \end{aligned}$$ Zauważmy, że wektory \(\vec{AB}\) i \(\vec{DC}\) są równe: $$\vec{AB} = \vec{DC} = [2,\; 1]$$ Równość wektorów oznacza, że proste zawierające te boki są równoległe (\(AB \parallel CD\)), a same boki mają jednakową długość (\(|AB| = |CD|\)).
Sprawdźmy drugą parę przeciwległych boków (\(\vec{AD}\) oraz \(\vec{BC}\)): $$\begin{aligned} \vec{AD} &= [1 - 0,\; 3 - 0] = [1,\; 3] \\[8pt] \vec{BC} &= [3 - 2,\; 4 - 1] = [1,\; 3] \end{aligned}$$ Mamy: $$\vec{AD} = \vec{BC} = [1,\; 3]$$ co dowodzi, że \(AD \parallel BC\) oraz \(|AD| = |BC|\).
Zatem czworokąt \(ABCD\) jest równoległobokiem.
Sposób II – Wyznaczenie środków przekątnych:
Czworokąt jest równoległobokiem wtedy i tylko wtedy, gdy jego przekątne przecinają się w punkcie dzielącym obie z nich na połowy. Przekątnymi czworokąta \(ABCD\) są odcinki \(AC\) oraz \(BD\). Współrzędne środka odcinka są średnimi arytmetycznymi współrzędnych jego końców.
Środek przekątnej \(AC\): $$\begin{aligned} S_{AC} &= \left(\dfrac{x_A + x_C}{2},\; \dfrac{y_A + y_C}{2}\right) \\[8pt] &= \left(\dfrac{0 + 3}{2},\; \dfrac{0 + 4}{2}\right) \\[8pt] &= \left(\dfrac{3}{2},\; 2\right) \end{aligned}$$ Środek przekątnej \(BD\): $$\begin{aligned} S_{BD} &= \left(\dfrac{x_B + x_D}{2},\; \dfrac{y_B + y_D}{2}\right) \\[8pt] &= \left(\dfrac{2 + 1}{2},\; \dfrac{1 + 3}{2}\right) \\[8pt] &= \left(\dfrac{3}{2},\; 2\right) \end{aligned}$$ Ponieważ punkty te są identyczne: $$S_{AC} = S_{BD} = \left(\dfrac{3}{2},\; 2\right)$$ przekątne dzielą się na połowy w tym samym punkcie, co ostatecznie potwierdza, że czworokąt \(ABCD\) jest równoległobokiem. -
Obliczenie długości boków oraz obwodu równoległoboku:
Długość odcinka o końcach \(P(x_P, y_P)\) i \(K(x_K, y_K)\) wyliczamy ze wzoru: $$|PK| = \sqrt{(x_K - x_P)^2 + (y_K - y_P)^2}$$ Obliczamy długość boku \(AB\): $$\begin{aligned} |AB| &= \sqrt{(2 - 0)^2 + (1 - 0)^2} \\[8pt] &= \sqrt{2^2 + 1^2} \\[8pt] &= \sqrt{4 + 1} = \sqrt{5} \end{aligned}$$ Z własności równoległoboku przeciwległy bok ma tę samą długość: $$|CD| = |AB| = \sqrt{5}$$ Obliczamy długość boku \(AD\): $$\begin{aligned} |AD| &= \sqrt{(1 - 0)^2 + (3 - 0)^2} \\[8pt] &= \sqrt{1^2 + 3^2} \\[8pt] &= \sqrt{1 + 9} = \sqrt{10} \end{aligned}$$ Podobnie dla przeciwległego boku \(BC\): $$|BC| = |AD| = \sqrt{10}$$ Obliczamy obwód równoległoboku \(ABCD\): $$\begin{aligned} Obw &= |AB| + |BC| + |CD| + |DA| \\[8pt] &= \sqrt{5} + \sqrt{10} + \sqrt{5} + \sqrt{10} \\[8pt] &= 2\sqrt{5} + 2\sqrt{10} \end{aligned}$$ Wynik możemy również zapisać w postaci iloczynowej: $$Obw = 2(\sqrt{5} + \sqrt{10})$$ -
Rysunek wynikowy z zaznaczonym równoległobokiem i wyliczonymi wielkościami:
Poniższy wykres przedstawia udowodniony równoległobok \(ABCD\) wraz z przekątnymi przecinającymi się w punkcie \(S\left(\dfrac{3}{2},\; 2\right)\) oraz wyznaczonymi długościami boków:
Odpowiedź:
Czworokąt \(ABCD\) jest równoległobokiem. Obwód czworokąta wynosi \(2\sqrt{5} + 2\sqrt{10}\) (lub \(2(\sqrt{5} + \sqrt{10})\)).
Czworokąt \(ABCD\) jest równoległobokiem. Obwód czworokąta wynosi \(2\sqrt{5} + 2\sqrt{10}\) (lub \(2(\sqrt{5} + \sqrt{10})\)).
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 4 (2 pkt)
Oblicz współrzędne wierzchołków \(C\) i \(D\) równoległoboku \(ABCD\), wiedząc, że \(A(1, 2)\), \(B(3, 1)\), a przekątne \(AC\) i \(BD\) przecinają się w punkcie \(S(-1, -2)\). Oblicz długości boków tego równoległoboku.
\(C(-3, -6)\), \(D(-5, -5)\)
Długości boków: \(|AB| = |CD| = \sqrt{5}\), \(|BC| = |AD| = \sqrt{85}\)
Długości boków: \(|AB| = |CD| = \sqrt{5}\), \(|BC| = |AD| = \sqrt{85}\)
Wskazówki:
- Punkt wyjścia i analiza wstępna: Przypomnij sobie kluczową własność każdego równoległoboku – jego przekątne przecinają się w jednym punkcie, który dzieli każdą z nich dokładnie na dwie równe połowy. Oznacza to, że punkt \(S\) jest środkiem odcinka \(AC\) oraz środkiem odcinka \(BD\).
- Główna metoda i powiązanie pojęciowe: Aby wyznaczyć brakujące współrzędne wierzchołków \(C\) i \(D\), skorzystaj ze wzoru na współrzędne środka odcinka o końcach w znanych punktach (bądź z własności wektorów równych: \(\vec{AS} = \vec{SC}\) oraz \(\vec{BS} = \vec{SD}\)).
- Kolejność operacji: Ułóż niezależne równania dla pierwszej współrzędnej \(x\) oraz drugiej współrzędnej \(y\) dla wierzchołka \(C\), a następnie powtórz procedurę dla wierzchołka \(D\). Po wyznaczeniu wszystkich czterech punktów zastosuj wzór na odległość dwóch punktów w układzie współrzędnych, by obliczyć długości boków.
- Interpretacja i weryfikacja końcowa: W równoległoboku przeciwległe boki mają jednakowe długości (\(|AB| = |CD|\) oraz \(|BC| = |AD|\)). Wystarczy więc policzyć odległości dla dwóch sąsiednich boków, np. \(|AB|\) oraz \(|BC|\), i sprawdzić, czy przeciwległe odcinki dają identyczny wynik.
- Czego unikać (częsta pułapka): Uważaj na znaki minus przy odejmowaniu liczb ujemnych – we wzorze na odległość oraz wektor odjęcie współrzędnej ujemnej daje plus (np. \(x - (-1) = x + 1\)). Zwróć też uwagę na kolejność liter w nazwie równoległoboku: przekątne to \(AC\) oraz \(BD\), a nie \(AB\) czy \(AD\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Rysunek pomocniczy i własności przekątnych równoległoboku:
W dowolnym równoległoboku \(ABCD\) przekątne \(AC\) i \(BD\) przecinają się w punkcie \(S\), który jest jednocześnie środkiem symetrii figury i środkiem każdej z tych przekątnych. Na poniższym szkicu pomocniczym naniesiono wyłącznie dane wyjściowe zadania: wierzchołki \(A(1, 2)\) i \(B(3, 1)\), odcinek \(AB\) oraz punkt przecięcia przekątnych \(S(-1, -2)\). Linie przerywane wyznaczają kierunki przekątnych, na których muszą znaleźć się szukane punkty \(C\) i \(D\). -
Wyznaczenie współrzędnych wierzchołków \(C\) i \(D\) – Sposób I (wzór na środek odcinka):
Współrzędne środka odcinka o końcach \(P_1(x_1, y_1)\) i \(P_2(x_2, y_2)\) wyrażają się wzorami: $$x_S = \dfrac{x_1 + x_2}{2}, \quad y_S = \dfrac{y_1 + y_2}{2}$$ Wyznaczamy współrzędne wierzchołka \(C(x_C, y_C)\), wiedząc, że punkt \(S(-1, -2)\) jest środkiem przekątnej \(AC\), gdzie \(A(1, 2)\): $$\begin{aligned} -1 &= \dfrac{1 + x_C}{2} \quad \Big/ \cdot 2 \\[8pt] -2 &= 1 + x_C \\[8pt] x_C &= -2 - 1 \\[8pt] x_C &= -3 \end{aligned}$$ Dla współrzędnej \(y_C\): $$\begin{aligned} -2 &= \dfrac{2 + y_C}{2} \quad \Big/ \cdot 2 \\[8pt] -4 &= 2 + y_C \\[8pt] y_C &= -4 - 2 \\[8pt] y_C &= -6 \end{aligned}$$ Zatem wierzchołek \(C\) ma współrzędne: $$C(-3, -6)$$ W analogiczny sposób wyznaczamy współrzędne wierzchołka \(D(x_D, y_D)\), wykorzystując fakt, że punkt \(S(-1, -2)\) jest środkiem przekątnej \(BD\), gdzie \(B(3, 1)\): $$\begin{aligned} -1 &= \dfrac{3 + x_D}{2} \quad \Big/ \cdot 2 \\[8pt] -2 &= 3 + x_D \\[8pt] x_D &= -2 - 3 \\[8pt] x_D &= -5 \end{aligned}$$ Dla współrzędnej \(y_D\): $$\begin{aligned} -2 &= \dfrac{1 + y_D}{2} \quad \Big/ \cdot 2 \\[8pt] -4 &= 1 + y_D \\[8pt] y_D &= -4 - 1 \\[8pt] y_D &= -5 \end{aligned}$$ Zatem wierzchołek \(D\) ma współrzędne: $$D(-5, -5)$$ -
Wyznaczenie współrzędnych wierzchołków \(C\) i \(D\) – Sposób II (rachunek wektorowy):
Ponieważ punkt \(S\) leży w połowie drogi między przeciwległymi wierzchołkami, wektor przesunięcia z punktu \(A\) do \(S\) jest dokładnie taki sam jak wektor przesunięcia z punktu \(S\) do \(C\): $$\vec{AS} = \vec{SC}$$ Obliczamy współrzędne wektora \(\vec{AS}\): $$\begin{aligned} \vec{AS} &= [x_S - x_A, \; y_S - y_A] \\[8pt] &= [-1 - 1, \; -2 - 2] \\[8pt] &= [-2, -4] \end{aligned}$$ Współrzędne wektora \(\vec{SC}\) wynoszą: $$\vec{SC} = [x_C - (-1), \; y_C - (-2)] = [x_C + 1, \; y_C + 2]$$ Przyrównując odpowiednie współrzędne obu wektorów: $$\begin{aligned} x_C + 1 &= -2 \implies x_C = -3 \\[8pt] y_C + 2 &= -4 \implies y_C = -6 \end{aligned}$$ Otrzymujemy wierzchołek \(C(-3, -6)\).
W ten sam sposób dla wierzchołka \(D\) zachodzi równość wektorów \(\vec{BS} = \vec{SD}\): $$\begin{aligned} \vec{BS} &= [x_S - x_B, \; y_S - y_B] \\[8pt] &= [-1 - 3, \; -2 - 1] \\[8pt] &= [-4, -3] \end{aligned}$$ Współrzędne wektora \(\vec{SD}\) to \([x_D + 1, \; y_D + 2]\). Przyrównujemy: $$\begin{aligned} x_D + 1 &= -4 \implies x_D = -5 \\[8pt] y_D + 2 &= -3 \implies y_D = -5 \end{aligned}$$ Otrzymujemy wierzchołek \(D(-5, -5)\). -
Obliczenie długości boków równoległoboku \(ABCD\):
Długość odcinka o końcach \(P_1(x_1, y_1)\) i \(P_2(x_2, y_2)\) wyraża się wzorem: $$|P_1P_2| = \sqrt{(x_2 - x_1)^2 + (y_2 - y_1)^2}$$ Obliczamy długość boku \(AB\), podstawiając współrzędne punktów \(A(1, 2)\) oraz \(B(3, 1)\): $$\begin{aligned} |AB| &= \sqrt{(3 - 1)^2 + (1 - 2)^2} \\[8pt] &= \sqrt{2^2 + (-1)^2} \\[8pt] &= \sqrt{4 + 1} = \sqrt{5} \end{aligned}$$ W równoległoboku przeciwległe boki mają jednakowe długości, zatem bok \(CD\) ma tę samą miarę: $$|CD| = |AB| = \sqrt{5}$$ Obliczamy długość boku \(BC\), podstawiając współrzędne punktów \(B(3, 1)\) oraz \(C(-3, -6)\): $$\begin{aligned} |BC| &= \sqrt{(-3 - 3)^2 + (-6 - 1)^2} \\[8pt] &= \sqrt{(-6)^2 + (-7)^2} \\[8pt] &= \sqrt{36 + 49} = \sqrt{85} \end{aligned}$$ Przeciwległy bok \(AD\) ma taką samą długość co bok \(BC\): $$|AD| = |BC| = \sqrt{85}$$ -
Rysunek wynikowy i interpretacja w układzie współrzędnych:
Poniższy wykres przedstawia zrekonstruowany równoległobok \(ABCD\) wraz z obiema przecinającymi się przekątnymi, wyznaczonymi wierzchołkami oraz obliczonymi długościami boków.
Odpowiedź:
Współrzędne wierzchołków równoległoboku to \(C(-3, -6)\) oraz \(D(-5, -5)\).
Długości boków wynoszą: \(|AB| = |CD| = \sqrt{5}\) oraz \(|BC| = |AD| = \sqrt{85}\).
Współrzędne wierzchołków równoległoboku to \(C(-3, -6)\) oraz \(D(-5, -5)\).
Długości boków wynoszą: \(|AB| = |CD| = \sqrt{5}\) oraz \(|BC| = |AD| = \sqrt{85}\).
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 5 (2 pkt)
Wyznacz liczby \(m\) i \(n\) wiedząc, że:
a) wektory \(\vec{a} = [m, 2m + n]\) i \(\vec{b} = [n + 5, 1]\) są równe
b) wektory \(\vec{c} = [m + n, m - 2n]\) i \(\vec{d} = [-3, 0]\) są przeciwne
a) wektory \(\vec{a} = [m, 2m + n]\) i \(\vec{b} = [n + 5, 1]\) są równe
b) wektory \(\vec{c} = [m + n, m - 2n]\) i \(\vec{d} = [-3, 0]\) są przeciwne
a) \(m = 2,\ n = -3\)
b) \(m = 2,\ n = 1\)
b) \(m = 2,\ n = 1\)
Wskazówki:
- Punkt wyjścia i analiza: Zidentyfikuj pierwszą i drugą współrzędną każdego z wektorów w obu podpunktach: dla wektora \(\vec{u} = [u_x, u_y]\) pierwsza wielkość to współrzędna pozioma, a druga to współrzędna pionowa.
- Kluczowa metoda i warunki: Skorzystaj z fundamentalnych własności wektorów w układzie współrzędnych:
• Dwa wektory są równe (\(\vec{a} = \vec{b}\)), gdy ich odpowiednie współrzędne są równe: \(a_x = b_x\) oraz \(a_y = b_y\).
• Dwa wektory są przeciwne (\(\vec{c} = -\vec{d}\)), gdy ich odpowiednie współrzędne są liczbami przeciwnymi: \(c_x = -d_x\) oraz \(c_y = -d_y\) (co jest równoważne warunkowi \(\vec{c} + \vec{d} = \vec{0}\)). - Kolejność operacji: Zbuduj dla każdego podpunktu układ dwóch równań liniowych z dwiema niewiadomymi \(m\) i \(n\). Wyznacz jedną zmienną z prostszego równania i podstaw ją do drugiego, a po znalezieniu pierwszej liczby oblicz drugą.
- Weryfikacja wyniku: Wstaw wyznaczone wartości \(m\) i \(n\) do początkowych współrzędnych wektorów i sprawdź, czy w podpunkcie a) wektory są identyczne, a w podpunkcie b) ich współrzędne sumują się do zera.
- Czego unikać (częsta pułapka): Przy wektorach przeciwnych pamiętaj o zmianie znaku OBU współrzędnych. Zwróć szczególną uwagę na znaki minus przy liczbach ujemnych: liczba przeciwna do \(-3\) to \(-(-3) = 3\), natomiast liczba przeciwna do \(0\) to \(-0 = 0\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Podpunkt a) Wyznaczenie liczb \(m\) i \(n\) dla wektorów równych \(\vec{a} = [m, 2m + n]\) oraz \(\vec{b} = [n + 5, 1]\):
Dwa wektory są równe wtedy i tylko wtedy, gdy ich odpowiadające sobie współrzędne są równe. Przyrównujemy pierwszą współrzędną do pierwszej, a drugą do drugiej: $$ \begin{cases} m = n + 5 \\ 2m + n = 1 \end{cases} $$ Układ rozwiązujemy metodą podstawiania. Wyrażenie \(m = n + 5\) z pierwszego równania wstawiamy w miejsce \(m\) do drugiego równania: $$ \begin{aligned} 2(n + 5) + n &= 1 \\[8pt] 2n + 10 + n &= 1 \\[8pt] 3n + 10 &= 1 \\[8pt] 3n &= 1 - 10 \\[8pt] 3n &= -9 \quad \Big/ : 3 \\[8pt] n &= -3 \end{aligned} $$ Mając wyznaczoną wartość \(n = -3\), obliczamy \(m\): $$ \begin{aligned} m &= n + 5 \\[8pt] m &= -3 + 5 \\[8pt] m &= 2 \end{aligned} $$ Sprawdzamy współrzędne wektorów dla wyznaczonych wartości \(m = 2\) i \(n = -3\): $$ \begin{aligned} \vec{a} &= [2, 2 \cdot 2 + (-3)] = [2, 4 - 3] = [2, 1] \\[8pt] \vec{b} &= [-3 + 5, 1] = [2, 1] \end{aligned} $$ Oba wektory mają identyczne współrzędne \([2, 1]\), co potwierdza ich równość. -
Podpunkt b) Wyznaczenie liczb \(m\) i \(n\) dla wektorów przeciwnych \(\vec{c} = [m + n, m - 2n]\) oraz \(\vec{d} = [-3, 0]\):
Dwa wektory są przeciwne (\(\vec{c} = -\vec{d}\)), gdy ich odpowiednie współrzędne są liczbami przeciwnymi: $$ \begin{cases} c_x = -d_x \\ c_y = -d_y \end{cases} $$ Ponieważ dla wektora \(\vec{d}\) mamy \(d_x = -3\) oraz \(d_y = 0\), liczby do nich przeciwne wynoszą: $$ -d_x = -(-3) = 3, \quad -d_y = -0 = 0 $$ Zapisujemy układ równań: $$ \begin{cases} m + n = 3 \\ m - 2n = 0 \end{cases} $$ Z drugiego równania natychmiast wyznaczamy zależność między zmiennymi: $$ m = 2n $$ Podstawiamy \(m = 2n\) do pierwszego równania: $$ \begin{aligned} 2n + n &= 3 \\[8pt] 3n &= 3 \quad \Big/ : 3 \\[8pt] n &= 1 \end{aligned} $$ Obliczamy wartość \(m\): $$ \begin{aligned} m &= 2n \\[8pt] m &= 2 \cdot 1 \\[8pt] m &= 2 \end{aligned} $$ Sprawdzamy współrzędne wektorów dla \(m = 2\) i \(n = 1\): $$ \begin{aligned} \vec{c} &= [2 + 1, 2 - 2 \cdot 1] = [3, 2 - 2] = [3, 0] \\[8pt] \vec{d} &= [-3, 0] \end{aligned} $$ Wektor przeciwny do \(\vec{d}\) to \(-\vec{d} = -[-3, 0] = [3, 0] = \vec{c}\), co potwierdza poprawność rozwiązania. -
Weryfikacja algebraiczna i podsumowanie wyników:
Sprawdzamy sumę wektorów przeciwnych wyznaczonych w podpunkcie b: $$ \vec{c} + \vec{d} = [3 + (-3), 0 + 0] = [0, 0] = \vec{0} $$ Suma wektora i wektora do niego przeciwnego jest wektorem zerowym \(\vec{0}\), co ostatecznie dowodzi poprawności wyznaczonych parametrów.
Odpowiedź:
a) \(m = 2,\ n = -3\)
b) \(m = 2,\ n = 1\)
a) \(m = 2,\ n = -3\)
b) \(m = 2,\ n = 1\)
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Grupa B
Zadanie 1 (3 pkt)
Oblicz współrzędne wektora $\overrightarrow{AB}$, jeśli:
a) $A(\sqrt{5}, \sqrt{3}), B(\sqrt{5}, -2\sqrt{3})$
b) $A\left(\frac{2}{3}, -\frac{1}{6}\right), B\left(\frac{1}{3}, \frac{5}{6}\right)$
a) $[0, -3\sqrt{3}]$ $\quad$ b) $\left[-\frac{1}{3}, 1\right]$
Zadanie 2 (2 pkt)
Punkt $S$ jest punktem wspólnym odcinka $AB$ i jego symetralnej. Wyznacz współrzędne punktu $A$, jeśli: $S(1, 1), \overrightarrow{SB} = [-1, 4]$.
$(2, -3)$
Zadanie 3 (2 pkt)
Dane są punkty $A, B, C, D$. Sprawdź, czy czworokąt $ABCD$ jest\\ równoległobokiem. Następnie oblicz jego obwód.
$A(1, 2), B(4, 3), C(3, 6), D(0, 5)$
Czworokąt $ABCD$ jest równoległobokiem.
Jego obwód wynosi $4\sqrt{10}$.
Zadanie 4 (2 pkt)
Oblicz współrzędne wierzchołków $C$ i $D$ równoległoboku $ABCD$, wiedząc, że $A(0, 0), B(3, 1)$, a przekątne $AC$ i $BD$ przecinają się w punkcie $S(2, 0)$. Oblicz długości boków tego równoległoboku.
Współrzędne wierzchołków to $C(4, 0)$ i $D(1, -1)$.
Długości boków wynoszą $\sqrt{10}$ i $\sqrt{2}$.
Zadanie 5 (2 pkt)
Wyznacz liczby $m$ i $n$ wiedząc, że:
a) wektory $\overrightarrow{a}=[2m+n, m-n]$ i $\overrightarrow{b}=[7, 2]$ są równe
b) wektory $\overrightarrow{c}=[m+3n, m-n]$ i $\overrightarrow{d}=[-5, -1]$ są przeciwne
a) $m=3, n=1$ $\quad$ b) $m=2, n=1$
