Pisteen etäisyys suorasta ja tasosta

Vektorit antavat meille työkalut määrittää avaruuden pisteen etäisyys suorasta avaruudessa.

Esimerkki 1

Avaruuden suora kulkee pisteiden A(2,1,3) ja pisteen B(0,2,1) kautta. Selvitetään pisteen C(1,1,1) etäisyys suorasta.

Lyhin etäisyys on aina kohtisuora etäisyys suorasta. Merkitään pistettä C lähimpänä olevaa suoran pistettä kirjaimella D.

Merkitään hahmotteluun vektorit

Vektori CD voidaan esittää vektorin CA ja suoran suuntavektorin a avulla.

Tämän lisäksi vektori CD on kohtisuorassa suoran suuntavektoria a vastaan. Joten vektoreiden pistetulo on 0

Vektorit CA ja suoran suuntavektori a pisteiden A ja B välillä

Nyt voimme ilmoittaa vektorin CD näiden vektorien avulla

Muodostetaan vektorin CD ja vektorin a pistetulo

Pistetulon tulee olla 0

Tällöin vektori CD on

Pisteen C etäisyys suorasta on vektorin CD pituus

Pisteen C etäisyys pisteiden A ja B määräämästä suorasta on 1.

Esimerkki 2

Kolmiulotteinen koordinaatisto on valittu niin, että maanpinta on xy-tasossa ja pituusyksikkönä on metri. Maan alla oleva vesijohto kulkee pisteestä (0,0,−2) vektorin a suuntaan yhteensä 3 metriä. Sen jälkeen vesijohto täytyy liittää yhdysputken avulla runkoputkeen, joka kulkee pisteen ( 4,4,−3) kautta vektorin b suuntaan. Kuinka pitkä yhdysputken on vähintään oltava, jotta se riittää yhdistämään tämän vesijohdon runkoputkeen?

YO pitkä 2020s/6 (muokattu tehtävänantoa.)

Ratkaisu

Hahmotellaan tilanne GeoGebralla. Voi käännellä kuvaa alapuolella. Punaisella vektorilla on merkitty siirtymä pisteestä A(0,0,-2) pisteeseen C. Suoralla oleva lähin piste on D. Meidän tulisi selvittää pisteen C etäisyys suorasta.

Merkitään suoran pistettä B(4,4,-3). Tehtävänä on määrittää vektorin CD pituus.

Vektori CD on kohtisuorassa suoran suuntavektoria vastaan. (Lyhin etäisyys on aina kohtisuora etäisyys.)

Paikkavektorit ja vektorin a pituus.

Pääsemme pisteestä C pisteeseen D myös kulkemalla vektoria a vastaan 3 yksikköä, pisteen A paikkavektoria vastaan, pisteen B paikkavektoria myöden suoralle ja sitten suoran suuntavektorilla pisteeseen D.

Tästä saadaan vektoriksi

Pistetulo vektorin b kanssa

Tästä saadaan vektorin CD pituudeksi

Yhdysputken tulisi olla 2,9 metriä.

Tehtävän voi ratkaista myös monella muulla tavalla. Eräs tapa käydään läpi kappaleessa Ääriarvosovelluksia.

Katso miten tehtävä ratkeaa GeoGebralla.

Pisteen etäisyys tasosta

Esimerkki 3

Määritä pisteen (-2,-2,-2) etäisyys tasosta, jonka määräävät pisteet (1,1,1), (2,0,2) ja (0,3,3)

Ratkaisu

Merkitään pisteitä D(-2,-2,-2), A(1,1,1), B(2,0,2) ja C(0,3,3) sekä tason pistettä, joka on lähinnä pistettä D, E(x,y,z).

Tason suuntavektorit sekä pisteiden A ja D paikkavektorit

Vektori DE on kohtisuorassa tasoa vastaan, joten se on yhdensuuntainen tason normaalivektorin kanssa. On olemassa siis kerroin n siten että

Ristitulo laskimella (GeoGebran ristitulo-komento)

Joten

Vektori DE voidaan myös esittää, kun kuljetaan pisteestä D origon kautta tasolle ja tason suuntavektorien avulla pisteeseen E.

missä s ja t ovat reaalilukukertoimia. Vektorille DE saadaan esitys

Vektori DE on esitetty kahdella tavalla ja koska vektorien komponentit ovat yksikäsitteisiä, saadaan yhtälöryhmä, joka ratkaistaan laskimella.

Tällöin vektori DE ja sen pituus

Pisteen (-2,-2,-2) etäisyys tasosta on noin 3,53

Harjoituksia

1. Avaruuden suora kulkee pisteiden A(1,1,1) ja pisteen B(0,0,1) kautta. Määritä pisteen C(2,2,2) etäisyys suorasta.

Vihje

Esimerkki 1

2. Määritä origon etäisyys suorasta, joka kulkee pisteiden (-2,-2,-2) ja (3,1,0) kautta.

Vihje

Esimerkki 1

3. Origosta lähtevien vektorien a, b ja c kärjet määräävät tason. Laske origon etäisyys tästä tasosta.

YO pitkä 1984k/8b

Vihje

Muodosta tason suuntavektorit ja esitä lähimmän pisteen paikkavektori näiden avulla. Muista pistetulo!

4. Lentokone lähtee nousuun vektorin a suuntaisesti vaakatasoa kuvaavan xy-tason pisteestä (1500,2000). Samassa koordinaatistossa maantietä esittää yhtälö 2x + y = 200. Millä korkeudella lentokone ylittää maantien? Koordinaatiston pituusyksikkö on 1 m.

YO kevät 1990k/10a

Vihje

Suora, joka kuvaa maantietä muodostaa z-akselin suuntaisen tason. Määritä tason ja suoran, jota pitkin lentokone lentää, leikkauspiste.

5. Lentokone lentää vektorin a suuntaisesti 10 km korkeudella. Lentokone saapuu tutka-aseman havaintokenttään pisteessä (-30, 80, 10). Tutka-asema sijaitsee origossa. Kuinka läheltä tutka-asemaa lentokone lentää lähimmillään?

Vihje

Tutka-aseman etäisyys suorasta, jota pitkin lentokone lentää.

6. Pisteen (a,7,0) etäisyys tasosta 3x + 4y – 2 = 0 on 10. Määritä vakio a.

Vihje

Valitse tason lähin piste (x,y,z). Miten tämä liittyy tason normaalivektoriin?

7. Tasolla x + y – 3 = 0 ja suoralla, joka kulkee pisteiden (8,7,-8) ja (2,-2,4) kautta on yhteinen piste. Laske tämän pisteen etäisyys origosta.

Vihje

Pisteen paikkavektorin pituus.

8. Origon kautta kulkeva suora kulkee pisteen (1,2,3) kautta. Toinen suora kulkee pisteiden (-2,0,-2) ja (3,-5,0) kautta. Mikä on suorien välinen etäisyys?

Vihje

Merkitse vektori, joka muodostuu suorien etäisyydelle. Tämä vektori on kohtisuorassa suorien suuntavektoreita kohtaan. Esitä vektori kulkemalla suorien avulla alkupisteestä loppupisteeseen. Ratkaise aluksi kertoimet m ja n, eli suorien yhtälöissä olevat kertoimet.

Osion perustehtävät