24.1 Wektor w układzie współrzędnych. Podział odcinka
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (3 pkt)
Wyznacz liczby $m$ i $n$, dla których wektory $\vec{a} = [3m - 1, 2n + 5]$ oraz $\vec{b} = [m + 7, 4 - n]$:
a) są równe
b) są przeciwne
c) spełniają warunek $\vec{b} = 3 \cdot \vec{a}$.
a) $m = 4, n = -\frac{1}{3}$
b) $m = -\frac{3}{2}, n = -9$
c) $m = \frac{5}{4}, n = -\frac{11}{7}$
a) Dwa wektory są równe, gdy ich odpowiednie współrzędne są równe.\[ \vec{a} = \vec{b} \iff \begin{cases} 3m - 1 = m + 7 \\ 2n + 5 = 4 - n \end{cases} \]Rozwiązujemy pierwsze równanie:\[ 3m - m = 7 + 1 \]\[ 2m = 8 \]\[ m = 4 \]Rozwiązujemy drugie równanie:\[ 2n + n = 4 - 5 \]\[ 3n = -1 \]\[ n = -\frac{1}{3} \]Zatem $m = 4$ i $n = -\frac{1}{3}$.
b) Dwa wektory są przeciwne, gdy ich odpowiednie współrzędne są liczbami przeciwnymi.\[ \vec{a} = -\vec{b} \iff \begin{cases} 3m - 1 = -(m + 7) \\ 2n + 5 = -(4 - n) \end{cases} \]Rozwiązujemy pierwsze równanie:\[ 3m - 1 = -m - 7 \]\[ 4m = -6 \]\[ m = -\frac{3}{2} \]Rozwiązujemy drugie równanie:\[ 2n + 5 = -4 + n \]\[ n = -9 \]Zatem $m = -\frac{3}{2}$ i $n = -9$.
c) Warunek $\vec{b} = 3 \cdot \vec{a}$ jest spełniony, gdy współrzędne wektora $\vec{b}$ są trzykrotnością odpowiednich współrzędnych wektora $\vec{a}$.\[ \vec{b} = 3\vec{a} \iff \begin{cases} m + 7 = 3(3m - 1) \\ 4 - n = 3(2n + 5) \end{cases} \]Rozwiązujemy pierwsze równanie:\[ m + 7 = 9m - 3 \]\[ -8m = -10 \]\[ m = \frac{5}{4} \]Rozwiązujemy drugie równanie:\[ 4 - n = 6n + 15 \]\[ -7n = 11 \]\[ n = -\frac{11}{7} \]Zatem $m = \frac{5}{4}$ i $n = -\frac{11}{7}$.
Zadanie 2 (2 pkt)
Dane są wektory: $\vec{u}=[3, -1]$, $\vec{w}=[-4, 8]$ oraz punkt $B(2, 5)$. Oblicz współrzędne punktu A, wiedząc, że $\vec{AB} = 2 \cdot \vec{u} + 0,25 \cdot \vec{w}$.
Współrzędne punktu A to $A(-3, 5)$.
Niech $A=(x_A, y_A)$.
Najpierw obliczamy wektor $\vec{AB}$ korzystając z podanego wzoru.\[ 2 \cdot \vec{u} = 2 \cdot [3, -1] = [2 \cdot 3, 2 \cdot (-1)] = [6, -2] \]\[ 0,25 \cdot \vec{w} = 0,25 \cdot [-4, 8] = [0,25 \cdot (-4), 0,25 \cdot 8] = [-1, 2] \]Teraz obliczamy sumę wektorów:\[ \vec{AB} = 2 \cdot \vec{u} + 0,25 \cdot \vec{w} = [6, -2] + [-1, 2] = [6 + (-1), -2 + 2] = [5, 0] \]Współrzędne wektora $\vec{AB}$ można również zapisać jako różnicę współrzędnych punktów B i A:\[ \vec{AB} = [x_B - x_A, y_B - y_A] \]Podstawiając współrzędne punktu $B(2, 5)$ i $A(x_A, y_A)$:\[ \vec{AB} = [2 - x_A, 5 - y_A] \]Porównujemy obie formy wektora $\vec{AB}$:\[ [2 - x_A, 5 - y_A] = [5, 0] \]Prowadzi to do układu równań:\[ \begin{cases} 2 - x_A = 5 \\ 5 - y_A = 0 \end{cases} \]Rozwiązujemy układ:\[ 2 - x_A = 5 \implies x_A = 2 - 5 = -3 \]\[ 5 - y_A = 0 \implies y_A = 5 \]Współrzędne punktu A to $(-3, 5)$.
Zadanie 3 (2 pkt)
Odcinek AB podzielono na trzy odcinki równej długości. Wiedząc, że $A(2, 1)$, $B(11, -14)$, oblicz współrzędne punktów podziału.
Współrzędne punktów podziału to $P_1(5, -4)$ oraz $P_2(8, -9)$.
Niech punkty $P_1$ i $P_2$ będą punktami podziału odcinka AB. Oznacza to, że dzielą one odcinek AB na trzy równe części.
Krok 1: Obliczamy wektor $\vec{AB}$.\[ \vec{AB} = [x_B - x_A, y_B - y_A] \]\[ \vec{AB} = [11 - 2, -14 - 1] = [9, -15] \]Krok 2: Obliczamy wektor przesunięcia o $\frac{1}{3}$ długości odcinka AB.\[ \vec{v} = \frac{1}{3} \vec{AB} = \frac{1}{3} [9, -15] = [3, -5] \]Krok 3: Obliczamy współrzędne punktu $P_1$.
Punkt $P_1$ jest to punkt A przesunięty o wektor $\vec{v}$.\[ P_1 = A + \vec{v} = (2, 1) + [3, -5] = (2 + 3, 1 - 5) = (5, -4) \]Krok 4: Obliczamy współrzędne punktu $P_2$.
Punkt $P_2$ jest to punkt $P_1$ przesunięty o wektor $\vec{v}$.\[ P_2 = P_1 + \vec{v} = (5, -4) + [3, -5] = (5 + 3, -4 - 5) = (8, -9) \]Współrzędne punktów podziału to $(5, -4)$ i $(8, -9)$.
Zadanie 4 (3 pkt)
Punkt $S(1, 2)$ jest punktem przecięcia przekątnych równoległoboku $ABCD$. Wiedząc, że $A(-2, 5)$, $B(4, 0)$, wyznacz punkty $C$ i $D$.
Współrzędne punktów wynoszą: $C=(4, -1)$ oraz $D=(-2, 4)$.
W równoległoboku punkt przecięcia przekątnych jest środkiem każdej z nich. Oznaczmy współrzędne szukanych punktów jako $C = (x_C, y_C)$ i $D = (x_D, y_D)$.
Punkt $S$ jest środkiem odcinka $AC$. Korzystając ze wzoru na współrzędne środka odcinka $S = \left(\frac{x_A+x_C}{2}, \frac{y_A+y_C}{2}\right)$, możemy zapisać:\[1 = \frac{-2 + x_C}{2} \quad \text{oraz} \quad 2 = \frac{5 + y_C}{2}\]Rozwiązujemy pierwsze równanie:\[2 = -2 + x_C\]\[x_C = 4\]Rozwiązujemy drugie równanie:\[4 = 5 + y_C\]\[y_C = -1\]Zatem współrzędne punktu $C$ to $(4, -1)$.
Punkt $S$ jest również środkiem odcinka $BD$. Korzystając z tego samego wzoru $S = \left(\frac{x_B+x_D}{2}, \frac{y_B+y_D}{2}\right)$, otrzymujemy:\[1 = \frac{4 + x_D}{2} \quad \text{oraz} \quad 2 = \frac{0 + y_D}{2}\]Rozwiązujemy pierwsze równanie:\[2 = 4 + x_D\]\[x_D = -2\]Rozwiązujemy drugie równanie:\[4 = y_D\]Zatem współrzędne punktu $D$ to $(-2, 4)$.
Zadanie 5 (4 pkt)
Punkty $A(2, 5)$, $B(4, -1)$, $C(-3, 3)$ są wierzchołkami trójkąta $ABC$. Wyznacz:
a) długość środkowej $AE$
b) współrzędne punktu $S$ przecięcia się środkowych trójkąta.
a) Długość środkowej $AE$ wynosi $\frac{\sqrt{73}}{2}$.
b) Współrzędne punktu $S$ to $(1, \frac{7}{3})$.
a) Wyznaczamy współrzędne punktu $E$, który jest środkiem odcinka $BC$. Wzór na środek odcinka to:\[ E = \left( \frac{x_B + x_C}{2}, \frac{y_B + y_C}{2} \right) \]Podstawiamy współrzędne punktów $B(4, -1)$ i $C(-3, 3)$:\[ E = \left( \frac{4 + (-3)}{2}, \frac{-1 + 3}{2} \right) = \left( \frac{1}{2}, \frac{2}{2} \right) = \left(\frac{1}{2}, 1\right) \]Teraz obliczamy długość środkowej $AE$ jako długość odcinka o końcach w punktach $A(2, 5)$ i $E(\frac{1}{2}, 1)$. Wzór na długość odcinka:\[ |AE| = \sqrt{(x_A - x_E)^2 + (y_A - y_E)^2} \]\[ |AE| = \sqrt{\left(2 - \frac{1}{2}\right)^2 + (5 - 1)^2} = \sqrt{\left(\frac{3}{2}\right)^2 + 4^2} = \sqrt{\frac{9}{4} + 16} = \sqrt{\frac{9}{4} + \frac{64}{4}} = \sqrt{\frac{73}{4}} = \frac{\sqrt{73}}{2} \]b) Wyznaczamy współrzędne punktu $S$ przecięcia się środkowych (środka ciężkości) trójkąta. Wzór na współrzędne środka ciężkości to:\[ S = \left( \frac{x_A + x_B + x_C}{3}, \frac{y_A + y_B + y_C}{3} \right) \]Podstawiamy współrzędne wierzchołków $A$, $B$ i $C$:\[ S = \left( \frac{2 + 4 + (-3)}{3}, \frac{5 + (-1) + 3}{3} \right) = \left( \frac{3}{3}, \frac{7}{3} \right) = \left(1, \frac{7}{3}\right) \]
Grupa B
Zadanie 1 (3 pkt)
Wyznacz liczby $m$ i $n$, dla których wektory $\vec{p} = [4m + 2, 5 - n]$ oraz $\vec{q} = [2m - 8, 3n + 1]$:
a) są równe
b) są przeciwne
c) spełniają warunek $\vec{p} = -2 \cdot \vec{q}$.
a) $m = -5, n = 1$
b) $m = 1, n = -3$
c) $m = \frac{7}{4}, n = -\frac{7}{5}$
Zadanie 2 (2 pkt)
Dane są wektory: $\vec{u}=[-1, 4]$, $\vec{w}=[10, -5]$ oraz punkt $A(-3, 2)$. Oblicz współrzędne punktu B, wiedząc, że $\vec{AB} = 4 \cdot \vec{u} - 0,2 \cdot \vec{w}$.
Współrzędne punktu B to $B(-9, 19)$.
Zadanie 3 (2 pkt)
Odcinek AB podzielono na trzy odcinki równej długości. Wiedząc, że $A(-7, 10)$, $B(-19, 16)$, oblicz współrzędne punktów podziału.
Współrzędne punktów podziału to $P_1(-11, 12)$ oraz $P_2(-15, 14)$.
Zadanie 4 (3 pkt)
Punkt $S(-1, -4)$ jest punktem przecięcia przekątnych równoległoboku $ABCD$. Wiedząc, że $A(3, -2)$, $B(-5, -9)$, wyznacz punkty $C$ i $D$.
Współrzędne punktów wynoszą: $C=(-5, -6)$ oraz $D=(3, 1)$.
Zadanie 5 (4 pkt)
Punkty $A(-5, -2)$, $B(3, 6)$, $C(8, -1)$ są wierzchołkami trójkąta $ABC$. Wyznacz:
a) długość środkowej $BF$
b) współrzędne punktu $S$ przecięcia się środkowych trójkąta.
a) Długość środkowej $BF$ wynosi $\frac{3\sqrt{26}}{2}$.
b) Współrzędne punktu $S$ to $(2, 1)$.
