Teoria
Geometria analitica nello spazio
Come si descrivono con le coordinate i punti, i vettori, i piani, le rette e le superfici sferiche dello spazio, come si calcolano distanze, angoli e prodotti tra vettori e come si stabilisce la posizione reciproca di rette e piani.
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Coordinate cartesiane nello spazio
1. Sistema di riferimento cartesiano nello spazio
Un sistema di riferimento cartesiano nello spazio è formato da tre rette orientate, gli assi , e , che passano per uno stesso punto , detto origine, e sono perpendicolari a due a due; su tutti e tre gli assi si usa la stessa unità di misura. Gli assi si orientano in modo che, guardando il piano degli assi e dal semiasse positivo delle , la rotazione di un angolo retto che porta il semiasse positivo delle sul semiasse positivo delle sia antioraria.
Per un punto dello spazio si conducono i tre piani che passano per e sono perpendicolari agli assi. Questi piani intersecano gli assi in tre punti, e le loro coordinate sugli assi sono le coordinate di , che si scrive . I numeri , e si chiamano ascissa, ordinata e quota di .
Per esempio, il punto si raggiunge partendo dall’origine, spostandosi di unità nel verso dell’asse , poi di unità nel verso dell’asse , e salendo infine di unità nel verso dell’asse . Il punto si trova sotto , nel piano degli assi e , e si chiama proiezione di su quel piano.
Piani coordinati e punti sugli assi
I tre piani che contengono due assi si chiamano piani coordinati. Il piano degli assi e è formato dai punti con quota nulla, quindi ha equazione ; allo stesso modo il piano degli assi e ha equazione e il piano degli assi e ha equazione . Un punto sull’asse ha nulle l’ordinata e la quota, cioè ha coordinate ; i punti degli assi e hanno coordinate e . Per esempio sta nel piano e sta sull’asse .
2. Distanza tra due punti
La distanza tra i punti e è
La formula si ottiene applicando due volte il teorema di Pitagora. Sia il punto che ha la stessa quota di e si trova sulla verticale di . Il segmento è orizzontale, quindi per la formula della distanza nel piano . Il segmento è verticale e misura , perciò il triangolo è rettangolo in e .
Per e le differenze delle coordinate sono , e , quindi
La distanza di un punto dall’origine è ; per il punto si ottiene , che è la lunghezza della diagonale del parallelepipedo con vertici opposti nell’origine e in .
3. Punto medio di un segmento
Il punto medio del segmento di estremi e ha come coordinate le medie delle coordinate degli estremi:
Per e si ottiene . La formula serve anche al contrario. Se è il punto medio di e , allora , e , cioè ; il punto si chiama simmetrico di rispetto a .
Baricentro di un triangolo
Il baricentro del triangolo di vertici , e è il punto in cui si incontrano le tre mediane. Le sue coordinate sono le medie delle coordinate dei tre vertici:
Per , e si ha .
Vettori nello spazio
1. Vettori e loro componenti
Un vettore è individuato da una direzione, un verso e un modulo, cioè una lunghezza. Si indica con e si rappresenta con una freccia; due frecce parallele, con lo stesso verso e la stessa lunghezza rappresentano lo stesso vettore. Siano , e i vettori di modulo diretti come i semiassi positivi , e . Ogni vettore si scrive in un solo modo come
e i numeri , e sono le componenti di ; si scrive . Il vettore che va dal punto al punto ha per componenti le differenze delle coordinate:
Il modulo di è la lunghezza della freccia, quindi per la formula della distanza vale . Per e si ha e , che è la distanza tra e .
2. Somma di vettori e prodotto per un numero
La somma di due vettori si ottiene con la regola del parallelogramma, come nel piano, e in componenti si calcola componente per componente. Il prodotto di un numero reale per un vettore moltiplica per tutte le componenti:
Il vettore ha la stessa direzione di , lo stesso verso se e verso opposto se , e ha modulo . Per e si ha e .
Un vettore di modulo si chiama versore. Dividendo un vettore non nullo per il suo modulo si ottiene il versore con la stessa direzione e lo stesso verso. Per esempio ha modulo , quindi il suo versore è .
La teoria continua con 7 altri paragrafi (prodotto scalare e prodotto vettoriale, equazione del piano, piani paralleli e perpendicolari…), oltre a tutte le schede svolte, le soluzioni e il PDF.
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