MAA4 ANALYYTTINEN GEOMETRIA & VEKTORIT
Itseisarvo, yhtälöryhmä ja suoran yhtälö (1 op)
Itseisarvo, yhtälöryhmä ja suoran yhtälö (1 op)
Analyyttisessä geometriassa pistejoukolla (käyrä tai funktio) on aina jokin sääntö (yhtälö), joka kertoo mitkä kaikki koordinaatiston pisteet pistejoukkoon kuuluvat. Sääntö sitoo x- ja y-koordinaatit toisiinsa ja näistä pisteistä (x, y) muodostuu sitten erilaisia käyriä, kuten suoria, paraabeleja tai ympyröitä.
On vaikea määritellä mikä vektori oikeastaan on. Parempi onkin keskittyä vain siihen, mitä ominaisuuksia vektorilla on. Matematiikassa ominaisuuksia on kaksi: suunta ja suuruus (=pituus). Sen sijaan vektorilla ei ole sellaista ominaisuutta kuin sijainti. Vektori pysyy siis samana sijaitsee se missä tahansa, joten sitä on sallittua siirtää paikasta toiseen.
KAPPALEET 3-10 (2 op.)
I VIIKKO
Pistejoukon yhtälö 0 + 15 + 0
Paraabeli 0 + 4 + 6
II VIIKKO
Ympyrä 8 + 7 + 7
"No Ville moi!"
III-VI VIIKKO
Perusominaisuudet 4 + 8 + 0
Vektorin pituus 5 + 6 + 1
vektorin avulla liikkuminen
Komponentteihin jako 0 + 4 + 1
Nspire
Yhdensuuntaisuus 5 + 4 + 1
Pistetulo 5 + 7 + 6
Koe
Positiivisen luvun itseisarvo on sama kuin itse luku, mutta negatiivisen luvun itseisarvo on luvun vastaluku. Toisin sanoen:
|a| = a, jos a > 0 tai a = 0
|a| = -a, jos a < 0
Itseisarvon tulos on siis AINA positiivinen (tai nolla).
Esimerkki 1
Ratkaise yhtälö |2x-1| = 7.
Lausekkeen, josta itseisarvo otetaan, on oltava joko 7 tai -7.
2x-1 = 7 tai 2x-1 = -7
2x=8 tai 2x=-6
x=4 tai x=-3
Esimerkki 2
Ratkaise yhtälö |x-1| = |3-2x|.
Lausekkeet, joista itseisarvot otetaan, on oltava joko samat tai toistensa vastaluvut.
x-1 = 3-2x tai x-1 = -(3-2x)
x+2x=3+1 tai x-1=-3+2x
3x=4 tai -x=-2
x=4/3 tai x=2
Yhtälössä on yleensä yksi tuntematon x, joka ratkaistaan. Yhtälöparissa on kaksi tuntematonta, usein x ja y, joiden ratkaisemiseksi tarvitaan kaksi yhtälöä. Kun tuntemattomien määrä kasvaa, tarvitaan yhtä monta yhtälöä kuin mikä on tuntemattomien lukumäärä.
Yhtälöparien ja yhtälöryhmien yleisin ratkaisukeino (jos Nspireä ei saa käyttää) on sijoituskeino.
Tavallisen yhtälöparin ratkaisu (x, y) on graafisesti tarkasteltuna kyseisten yhtälöiden muodostamien käyrien leikkauspiste. Näitä ratkaisuja eli leikkauspisteitä voi olla myös useita.
Esimerkki 1
Esimerkki 2
Jos tehtävä tarjoaa mahdollisuuden hyödyntää yhteenlaskukeinoa jossakin kohdassa, se usein helpottaa laskemista.
Kulmakerroin on pystysuoran muutoksen ja vaakasuoran muutoksen suhde.
Suorat ovat kohtisuorassa, jos niiden kulmakertoimet ovat toistensa käänteislukujen vastalukuja eli niiden kulmakertoimien tulo on -1.
Poikkeus, jos kyseessä on vaaka- ja pystysuora.
Vaakasuoran suoran kulmakerroin on nolla.
Pystysuoralla suoralla ei ole kulmakerrointa.
Suoran suuntakulma on suoran ja x-akselin välinen kulma.
Jos suora on laskeva, sen suuntakulma on negatiivinen.
Voidaan laskea kulmakertoimen ja trigonometrian avulla.
Yhtälön muodostamiseksi pitää siis tietää suoralta yksi piste (x0, y0) ja suoran kulmakerroin. Kulmakerroin saadaan yleensä joko
laskemalla se kahden, suoralta tiedetyn pisteen avulla,
päättelemällä se yhdensuuntaisuudesta tai kohtisuoruudesta jonkin toisen suoran kanssa tai
derivaatan avulla (ei vielä tällä kurssilla).
Esimerkki
Määritä suoran yhtälö, kun se kulkee pisteen (3, -4) kautta ja sen kulmakerroin on 2.
Sijoitetaan luvut kaavaan.
y - (-4) = 2(x - 3)
Avataan sulut: y + 4 = 2x - 6
Siirretään termit omille puolilleen, jolloin saadaan kulmakerroinmuodossa y = 2x - 10.
Yleisessä muodossa yhtälö on -2x + y + 10 = 0.
Huomaa, että kaavaa käytettäessä suoran yhtälön pitää olla yleisessä muodossa
ax + by + c = 0.
Esimerkki 1
Minkä suoran y = 2x-1 pisteen etäisyys pisteestä (5, -1) on 5?
RATKAISU
Merkitään kysyttyä pistettä (x,y) = (x, 2x-1). Kahden pisteen välinen etäisyys lasketaan Pythagoraan lauseella.
Esimerkki 2
Minkä suoran 4x + y = 0 pisteen etäisyys suorasta x + 2y + 1 = 0 on 2? Anna vastaus desimaalilukuna kahden desimaalin tarkkuudella.
RATKAISU
Merkitään kysyttyä pistettä (x,y) = (x, -4x). Pisteen etäisyys suorasta saadaan omalla kaavallaan.
Jos käyrän muoto tunnetaan ja siltä tiedetään riittävästi pisteitä (x, y), käyrän yhtälö voidaan määrittää ratkaisemalla tuntemattomat vakiot yhtälöryhmästä, johon x:n ja y:n paikoille sijoitetaan tunnetut pisteet.
Pisteitä pitää tietää yhtä monta, kuin käyrän yhtälössä on vakioita
Itse yhtälöryhmän voi ratkaista yleensä Nspirellä
Jos kyseessä on funktio, laskimeen kannattaa kirjoittaa ensin funktion lauseke f(x):= ja käyttää sitten sitä.
Funktiossa jokaista mahdollista x:n arvoa vastaa tasan yksi y:n arvo eli funktion arvo.
Jos jotakin x:n arvoa vastaa yksi tai useampi y:n arvo, kyseessä on käyrä. Kaikki funktiot ovat siis myös käyriä, mutta kaikki käyrät eivät ole funktioita.
Suora ja ylös tai alas aukeava paraabeli ovat funktioita, mutta pystysuora viiva, ympyrä tai sivulle aukeava paraabeli eivät ole.
Hyperbelin ja ellipsin yhtälöä ei lukiossa käsitellä
Akselien leikkauspisteissä toinen koordinaatti on nolla eli pisteet ovat muotoa (x, 0) ja (0, y).
Kahden käyrän leikkauspisteet saadaan yhtälöparilla.
y = kx + a
(tai ax + by + c = 0)
Yleensä käytetään ylempää eli kulmakerroinmuotoa. Tällöin yhtälön määrittämiseen riittää kaksi pistettä (x, y), koska vakioitakin on vain kaksi (k ja a).
y = ax² + bx + c
x = ay² + by + c
Alempi on sivulle eli oikealle tai vasemmalle aukeava paraabeli.
(x - p)² + (y - q)² = r²
(tai x² + y² + ax + by + c = 0)
Ylempi muoto on ympyrän keskipistemuoto ja siitä nähdään suoraan ympyrän keskipiste (p, q) ja säde r.
Esimerkki: Paraabeli
Pystysuuntaisen paraabelin yhtälössä voi käyttää f(x):=, koska paraabeli ON funktio.
Kahden kirjaimen väliin on laskimessa laitettava kertomerkki.
Esimerkki: Ympyrä
Ympyrän yhtälössä, f(x) ei toimi, koska ympyrä EI OLE funktio.
Koska r on ympyrän säde, voidaan rajata |r > 0.
Kun tunnetaan kolme pistettä, ympyrän tai paraabelin yhtälön voi tehdä myös Geogebralla. Geogebra tekee laskut kuitenkin likiarvoina (desimaalilukuina), joten jos kyseessä ei ole kokonaisluvut, käytä Nspireä.
Valitse Implisiittinen. Sillä voi piirtää myös funktioita, mutta yleensä ei kannata.
Geogebra valitsee käyrä- tai funktiomuodon tilanteesta riippuen.
Kahden pisteen välinen etäisyys eli janan pituus lasketaan Pythagoraan lauseella, jossa toinen kateetti on x-koordinaattien erotus (muutos) ja toinen y-koordinaattien erotus.
(Myöhemmin kurssilla lasketaan vektorin pituus aivan samalla tavalla.).
Janan keskipiste saadaan ottamalla sen päätepisteiden koordinaattien keskiarvo. Keskiarvo lasketaan erikseen x-koordinaateista ja erikseen y-koordinaateista.
Muotoa y = ax² + bx + c oleva paraabeli aukeaa
ylös, jos a > 0
alas, jos a < 0.
Muotoa x = ay² + by + c oleva paraabeli aukeaa
oikealle, jos a > 0
vasemmalle, jos a < 0.
Paraabeli on aina symmetrinen.
Paraabeli koostuu pisteistä, joiden etäisyys tietystä pisteestä (=paraabelin polttopiste) ja tietystä suorasta (=paraabelin johtosuora) on sama.
Helpoin keino paraabelin huipun määrittämiseen on derivointi (ei vielä tällä kurssilla). Joskus voidaan kuitenkin hyödyntää paraabelin symmetrisyyttä, jolloin huippu löytyy esimerkiksi paraabelin nollakohtien puolivälistä.
Paraabelin yhtälö voidaan esittää myös huippumuodossa
Jotta vakio a saadaan ratkaistua, pitää huippupisteen lisäksi tietää myös jokin toinen paraabelin piste.
Jokaisen ympyrän kehällä olevan pisteen (x, y) etäisyys ympyrän keskipisteestä on sama (=r eli ympyrän säde). Tämä etäisyys voidaan laskea Pythagoraan lauseella, josta muodostuu ympyrän yhtälö keskipistemuodossa.
Esimerkki
Ympyrän (x - 4)² + (y + 5)² = 9 keskipiste on (4, -5) ja sen säde on 3.
Huomaa, että keskipisteen koordinaatit ovat yhtälössä esiintyvien lukujen vastaluvut.
Ympyrän yhtälö voidaan esittää myös avattuna eli yleisessä muodossa, jolloin se on x² + y² + ax + by + c = 0, missä a, b ja c ovat jotain lukuja.
(Hyperbeli)
(Ellipsi)
Vektoreiden helppous laskemisessa tulee usein siitä, että voit katsoa erikseen mitä x-akselilla tapahtuu ja mitä y-akselilla tapahtuu.
Kahden pisteen välinen vektori (GG)
Vektorien summa (GG)
Poikkeuksena nollavektori on vektori, jonka pituus on 0 ja jolla ei ole suuntaa
Yleisesti vektorilla EI OLE sellaista ominaisuutta kuin sijainti eli vektoria saa vapaasti siirrellä paikasta toiseen. Mutta termi paikkavektori tarkoittaa nimenomaan origosta (0, 0) lähtevää vektoria.
Esimerkki
Ratkaisu
Vaikka kyse on Pythagoraan lauseesta, neliöjuuri otetaan yleensä heti.
Pituutta merkitään itseisarvomerkeillä.
Pituutta laskiessa miinusmerkit katoavat aina.
Yksikkövektori on vektori, jonka pituus on 1.
Kolmiulotteisen vektorin pituus lasketaan samalla tavalla:
Esimerkkejä
Kuinka monta punaista vektoria ja kuinka monta vihreää vektoria tarvitaan, että niistä saadaan yhteensä keltainen vektori?
Vektoreilla laskiessa tulee usein yhtälöpareja tai jopa kolmen yhtälön yhtälöryhmiä. Älä pelkää kirjaimia ja yhtälöitä, vaan käytä niitä avuksi ongelman ratkaisemiseen!
Vektorit v, u ja w ovat kaikki yhdensuuntaisia. Lisäksi v ja u ovat samansuuntaisia ja vektori w on niiden kanssa vastakkaissuuntainen.
Koska yhdensuuntaiset vektorit ovat toistensa monikertoja, yhdensuuntaisuutta voi tutkia yhtälön avulla. Jos kerroin x on olemassa, vektorit ovat yhdensuuntaisia.
Määritä p siten, että vektorit 8i + 3j ja 56i + pj ovat yhdensuuntaisia.
Kerrotaan i:n kertoimet keskenään ja j:n kertoimet keskenään ja plussataan tulokset yhteen.
Jos pistetulon tulos on nolla, vektorit ovat kohtisuorassa toisiaan vasten.
Jos tulos on positiivinen, kyseessä on terävä kulma
Jos tulos on negatiivinen, kyseessä on tylppä kulma