Нахождение угла между векторами, примеры и решения. Углы с сонаправленными сторонами

На этом уроке мы дадим определение сонаправленных лучей и докажем теорему о равенстве углов с сонаправленными сторонами. Далее дадим определение угла между пересекающимися прямыми и скрещивающимися прямыми. Рассмотрим, каким может быть угол между двумя прямыми. В конце урока решим несколько задач на нахождение углов между скрещивающимися прямыми.

Тема: Параллельность прямых и плоскостей

Урок: Углы с сонаправленными сторонами. Угол между двумя прямыми

Любая прямая, например ОО 1 (Рис. 1.), рассекает плоскость на две полуплоскости. Если лучи ОА и О 1 А 1 параллельны и лежат в одной полуплоскости, то они называются сонаправленными .

Лучи О 2 А 2 и ОА не являются сонаправленными (Рис. 1.). Они параллельны, но не лежат в одной полуплоскости.

Если стороны двух углов сонаправленны, то такие углы равны.

Доказательство

Пусть нам даны параллельные лучи ОА и О 1 А 1 и параллельные лучи ОВ и О 1 В 1 (Рис. 2.). То есть, мы имеем два угла АОВ и А 1 О 1 В 1 , чьи стороны лежат на сонаправленных лучах. Докажем, что эти углы равны.

На стороне луча ОА и О 1 А 1 выберем точки А и А 1 так, чтобы отрезки ОА и О 1 А 1 были равны. Аналогично, точки В и В 1 выберем так, чтобы отрезки ОВ и О 1 В 1 были равны.

Рассмотрим четырехугольник А 1 О 1 ОА (Рис. 3.) ОА и О 1 А 1 А 1 О 1 ОА А 1 О 1 ОА ОО 1 и АА 1 параллельны и равны.

Рассмотрим четырехугольник В 1 О 1 ОВ . В этом четырехугольники стороны ОВ и О 1 В 1 параллельны и равны. По признаку параллелограмма, четырехугольник В 1 О 1 ОВ является параллелограммом. Так как В 1 О 1 ОВ - параллелограмм, то стороны ОО 1 и ВВ 1 параллельны и равны.

И прямая АА 1 параллельна прямой ОО 1 , и прямая ВВ 1 параллельна прямой ОО 1 , значит прямые АА 1 и ВВ 1 параллельны.

Рассмотрим четырехугольник В 1 А 1 АВ . В этом четырехугольники стороны АА 1 и ВВ 1 параллельны и равны. По признаку параллелограмма, четырехугольник В 1 А 1 АВ является параллелограммом. Так как В 1 А 1 АВ - параллелограмм, то стороны АВ и А 1 В 1 параллельны и равны.

Рассмотрим треугольники АОВ и А 1 О 1 В 1 . Стороны ОА и О 1 А 1 равны по построению. Стороны ОВ и О 1 В 1 также равны по построению. А как мы доказали, и стороны АВ и А 1 В 1 тоже равны. Значит, треугольники АОВ и А 1 О 1 В 1 равны по трем сторонам. В равных треугольниках против равных сторон лежат равные углы. Значит, углы АОВ и А 1 О 1 В 1 равны, что и требовалось доказать.

1) Пересекающиеся прямые.

Если прямые пересекающиеся, то мы имеем четыре разных угла. Углом между двумя прямыми , называется наименьший из углов между двумя прямыми. Угол между пересекающимися прямыми а и b обозначим α (Рис. 4.). Угол α такой, что .

Рис. 4. Угол между двумя пересекающимимся прямыми

2) Скрещивающиеся прямые

Пусть прямые а и b скрещивающиеся. Выберем произвольную точку О . Через точку О проведем прямую а 1 , параллельную прямой а , и прямую b 1 , параллельную прямой b (Рис. 5.). Прямые а 1 и b 1 пересекаются в точке О . Угол между двумя пересекающимися прямыми а 1 и b 1 , угол φ, и называется углом между скрещивающимися прямыми.

Рис. 5. Угол между двумя скрещивающимися прямыми

Зависит ли величина угла от выбранной точки О? Выберем точку О 1 . Через точку О 1 проведем прямую а 2 , параллельную прямой а , и прямую b 2 , параллельную прямой b (Рис. 6.). Угол между пересекающимися прямыми а 2 и b 2 обозначим φ 1 . Тогда углы φ и φ 1 - углы с сонаправленными сторонами. Как мы доказали, такие углы равны между собой. Значит, величина угла между скрещивающимися прямыми не зависит от выбора точки О .

Прямые ОВ и СD параллельны, ОА и СD скрещиваются. Найдите угол между прямыми ОА и СD , если:

1) ∠АОВ = 40°.

Выберем точку С . Через нее проходи прямая СD . Проведем СА 1 параллельно ОА (Рис. 7.). Тогда угол А 1 СD - угол между скрещивающимися прямыми ОА и СD . По теореме об углах с сонаправленными сторонами, угол А 1 СD равен углу АОВ , то есть 40°.

Рис. 7. Найти угол между двумя прямыми

2) ∠АОВ = 135°.

Сделаем то же самое построение (Рис. 8.). Тогда угол между скрещивающимися прямыми ОА и СD равен 45°, так как он наименьший из углов, которые получаются при пересечении прямых СD и СА 1 .

3) ∠АОВ = 90°.

Сделаем то же самое построение (Рис. 9.). Тогда все углы, которые получаются при пересечении прямых СD и СА 1 равны 90°. Искомый угол равен 90°.

1) Докажите, что середины сторон пространственного четырехугольника являются вершинами параллелограмма.

Доказательство

Пусть нам дан пространственный четырехугольник ABCD . M, N, K, L - середины ребер BD, AD, AC, BC соответственно (Рис. 10.). Нужно доказать, что MNKL - параллелограмм.

Рассмотрим треугольник АВD . МN МN параллельна АВ и равняется ее половине.

Рассмотрим треугольник АВС . LК - средняя линия. По свойству средней линии, LК параллельна АВ и равняется ее половине.

И МN , и LК параллельны АВ . Значит, МN параллельна LК по теореме о трех параллельных прямых.

Получаем, что в четырехугольнике MNKL - стороны МN и LК параллельны и равны, так как МN и LК равны половине АВ . Значит, по признаку параллелограмма, четырехугольник MNKL - параллелограмм, что и требовалось доказать.

2) Найдите угол между прямыми АВ и СD , если угол МNК = 135°.

Как мы уже доказали, МN параллельна прямой АВ . NК - средняя линия треугольника АСD , по свойству, NК параллельна DС . Значит, через точку N проходят две прямые МN и NК , которые параллельны скрещивающимся прямым АВ и DС соответственно. Значит, угол между прямыми МN и NК является углом между скрещивающимися прямыми АВ и DС . Нам дан тупой угол МNК = 135°. Угол между прямыми МN и NК - наименьший из углов, полученных при пересечении этих прямых, то есть 45°.

Итак, мы рассмотрели углы с сонаправленными сторонами и доказали их равенство. Рассмотрели углы между пересекающимися и скрещивающимися прямыми и решили несколько задач на нахождение угла между двумя прямыми. На следующем уроке мы продолжим решение задач и повторение теории.

1. Геометрия. 10-11 класс: учебник для учащихся общеобразовательных учреждений (базовый и профильный уровни) / И. М. Смирнова, В. А. Смирнов. - 5-е издание, исправленное и дополненное - М. : Мнемозина, 2008. - 288 с. : ил.

2. Геометрия. 10-11 класс: Учебник для общеобразовательных учебных заведений / Шарыгин И. Ф. - М.: Дрофа, 1999. - 208 с.: ил.

3. Геометрия. 10 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений с углубленным и профильным изучением математики /Е. В. Потоскуев, Л. И. Звалич. - 6-е издание, стереотип. - М. : Дрофа, 008. - 233 с. :ил.

В) BC и D 1 В 1 .

Рис. 11. Найти угол между прямыми

4. Геометрия. 10-11 класс: учебник для учащихся общеобразовательных учреждений (базовый и профильный уровни) / И. М. Смирнова, В. А. Смирнов. - 5-е издание, исправленное и дополненное - М.: Мнемозина, 2008. - 288 с.: ил.

Задания 13, 14, 15 стр. 54

Пусть на плоскости или в трехмерном пространстве заданы два ненулевых вектора и . Отложим от произвольной точки O векторы и . Тогда справедливо следующее определение.

Определение.

Углом между векторами и называется угол между лучами OA и OB .

Угол между векторами и будем обозначать как .

Угол между векторами может принимать значения от 0 до или, что то же самое, от до .

Когда векторы и сонаправленные, когда векторы и противоположно направленные.

Определение.

Векторы и называются перпендикулярными , если угол между ними равен ( радиан).

Если хотя бы один из векторов и нулевой, то угол не определен.

Нахождение угла между векторами, примеры и решения.

Косинус угла между векторами и , а значит и сам угол, в общем случае может быть найден либо с использованием скалярного произведения векторов, либо с использованием теоремы косинусов для треугольника, построенного на векторах и .

Разберем эти случаи.

По определению скалярное произведение векторов есть . Если векторы и ненулевые, то можно разделить обе части последнего равенства на произведение длин векторов и , и мы получим формулу для нахождения косинуса угла между ненулевыми векторами : . Эту формулу можно использовать, если известны длины векторов и их скалярное произведение.

Пример.

Вычислите косинус угла между векторами и , а также найдите сам угол, если длины векторов и равны 3 и 6 соответственно, а их скалярное произведение равно -9 .

Решение.

В условии задачи даны все величины необходимые для применения формулы . Вычисляем косинус угла между векторами и : .

Теперь находим угол между векторами: .

Ответ :

Существуют задачи, где векторы заданы координатами в прямоугольной системе координат на плоскости или в пространстве. В этих случаях для нахождения косинуса угла между векторами можно использовать все ту же формулу , но в координатной форме. Получим ее.

Длина вектора есть корень квадратный из суммы квадратов его координат, скалярное произведение векторов равно сумме произведений соответствующих координат. Следовательно, формула для вычисления косинуса угла между векторами на плоскости имеет вид , а для векторов в трехмерном пространстве - .

Пример.

Найдите угол между векторами , заданными в прямоугольной системе координат.

Решение .

Можно сразу воспользоваться формулой :

А можно для нахождения косинуса угла между векторами использовать формулу , предварительно вычислив длины векторов и скалярное произведение по координатам:

Ответ:

К предыдущему случаю сводится задача, когда даны координаты трех точек (например А , В и С ) в прямоугольной системе координат и требуется найти какой-нибудь угол (например, ).

Действительно, угол равен углу между векторами и . Координаты этих векторов вычисляются как разность соответствующих координат точек конца и начала вектора .

Пример .

На плоскости в декартовой системе координат заданы координаты трех точек . Найдите косинус угла между векторами и .

Решение .

Определим координаты векторов и по координатам заданных точек:

Теперь воспользуемся формулой для нахождения косинуса угла между векторами на плоскости в координатах:

Ответ:

Угол между векторами и также можно вычислить по теореме косинусов . Если отложить от точки O векторы и , то по теореме косинусов в треугольнике ОАВ мы можем записать , что эквивалентно равенству , откуда находим косинус угла между векторами . Для применения полученной формулы нам нужны лишь длины векторов и , которые легко находятся по координатам векторов и . Однако, этот метод практически не используется, так как косинус угла между векторами проще найти по формуле .

Вычисление ортогональной проекции(сво-во проекции):

Проекция вектора на ось l равна произведению модуля вектора на косинус угла φ между вектором и осью, т.е. пр cosφ.

Док-во: Если φ= < , то пр l =+ = *cos φ.

Если φ> (φ≤ ), то пр l =- =- * cos( -φ) = cosφ (см.рис10)

Если φ= , то пр l = 0 = соs φ.

Следствие : Проекция вектора на ось положительна (отрицательна), если вектор образует с осью острый (тупой) угол, и равна нуле, если этот угол - прямой.

Следствие : Проекции равных векторов на одну и ту же ось равны между собой.

Вычисление ортогональной проекции суммы векторов (сво-во проекции):

Проекция суммы нескольких векторов на одну и ту же ось равна сумме их проекций на эту ось.

Док-во: Пусть, например, = + + . Имеем пр l =+ =+ + - , т.е. пр l ( + + ) = пр l + пр l + пр l (см.рис11)

РИС. 11

Вычисление произведения вектора на число:

При умножеии вектора на число λ его проекция на ось так же умножается на это число, т.е. пр l (λ* )= λ* пр l .

Док-во: При λ > 0 имеем пр l (λ* )= *cos φ = λ* φ = λ*пр l

При λl (λ* )= *cos( -φ)=- * (-cosφ) = * cosφ= λ *пр l .

Свойство справедливо и при

Таким образом, линейные операции над векторами приводят к соответствующим линейным операциям над проекциями этих векторов.

Состоящая из двух различных лучей, выходящих из одной точки. Лучи наз. сторонами У., а их общее начало - вершиной У. Пусть [ ВА ),[ ВС ) - стороны угла, В - его вершина, - плоскость, определяемая сторонами У. Фигура делит плоскость на две фигуры Фигура i==l, 2, также наз. У. или плоским углом, наз. внутренней областью плоского У.
Два угла наз. равными (или конгруэнтными), если они могут быть совмещены так, что совпадут их соответствующие стороны и вершины. От любого луча на плоскости в данную сторону от него можно отложить единственный У., равный данному У. Сравнение У. осуществляется двумя способами. Если У. рассматривается как пара лучей с общим началом, то для выяснения вопроса, какой из двух У. больше, необходимо совместить в одной плоскости вершины У. и одну пару их сторон (см. рис. 1). Если вторая сторона одного У. окажется расположенной внутри другого У., то говорят, что первый У. меньше, чем второй. Второй способ сравнения У. основан на сопоставлении каждому У. нек-рого числа. Равным У. будет соответствовать одинаковое градусов или (см. ниже), большему У.- большее число, меньшему -меньшее.

Два У. наз. смежными, если у них общая вершина и одна сторона, а две другие стороны образуют прямую (см. рис. 2). Вообще, У., имеющие общую вершину и одну общую сторону, наз. прилежащими. У. наз. вертикальными, если стороны одного являются продолжениями за вершину сторон другого У. Вертикальные У. равны между собой. У., у к-рого стороны образуют прямую, наз. развернутым. Половина развернутого У. наз. прямым У. Прямой У. можно эквивалентно определить иначе: У., равный своему смежному, наз. прямым. Внутренняя плоского У., не превосходящего развернутого, является выпуклой областью на плоскости. За единицу измерения У. принимается 90-я доля прямого У., наз. градусом.

Используется и т. мера У. Числовое значение радианной меры У. равно длине дуги, высекаемой сторонами У. из единичной окружности. Один радиан приписывается У., соответствующему дуге, к-рой равна ее радиусу. Развернутый У. равен радиан.
При пересечении двух прямых, лежащих в одной плоскости, третьей прямой образуются У. (см. рис. 3): 1 и 5, 2 и 6, 4 и 8, З и 7 - наз. соответственными; 2 и 5, 3 и 8 - внутренними односторонними; 1 и 6, 4 и 7 - внешними односторонними; 3 и 5, 2 и 8- внутренними накрест лежащими; 1 и 7, 4 и 6 - внешними накрест лежащими.

В практич. задачах целесообразно рассматривать У. как меру поворота фиксированного луча вокруг его начала до заданного положения. В зависимости от направления поворота У. в этом случае можно рассматривать как положительные, так и отрицательные. Тем самым У. в этом смысле может иметь своей величиной любое . У. как поворота луча рассматривается в теории тригонометрич. функций: для любых значений аргумента (У.) можно определить значения тригонометрич. функций. Понятие У. в геометрич. системе, в основу к-рой положена точечно-векторная аксиоматика, в корне отличается от определений У. как фигуры - в этой аксиоматике под У. понимают определенную метрич. величину, связанную с двумя векторами с помощью операции скалярного умножения векторов. Именно, каждая пара векторов аи bопределяет нек-рый угол - число, связанное с векторами формулой

где (a, b ) - скалярное произведение векторов.
Понятие У. как плоской фигуры и как нек-рой числовой величины применяется в различных геометрич. задачах, в к-рых У. определяется специальным образом. Так, под У. между пересекающимися кривыми, имеющими определенные касательные в точке пересечения, понимают У., образованный этими касательными.
За угол между прямой и плоскостью принимается У., образованный прямой и ее прямоугольной проекцией на плоскость; он измеряется в пределах от 0

Математическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . И. М. Виноградов . 1977-1985 .

Синонимы :

Смотреть что такое "УГОЛ" в других словарях:

уголёк - угол/ёк/ … Морфемно-орфографический словарь

Муж. перелом, излом, колено, локоть, выступ или залом (впадина) об одной грани. Угол линейный, всякие две встречные черты и промежуток их; угол плоскостной или в плоскостях, встреча двух плоскостей или стен; угол толстый, теловой, встреча в одной … Толковый словарь Даля

Угла, об угле, на (в) углу и (мат.) в угле, м. 1. Часть плоскости между двумя прямыми линиями, исходящими из одной точки (мат.). Вершина угла. Стороны угла. Измерение угла градусами. Прямой угол. (90°). Острый угол. (менее 90°). Тупой угол.… … Толковый словарь Ушакова

УГОЛ - (1) атаки угол между направлением воздушного потока, набегающего на крыло самолёта, и хордой сечения крыла. От этого угла зависит значение подъёмной силы. Угол, при котором подъёмная сила максимальна, называется критическим углом атаки. У… … Большая политехническая энциклопедия

- (плоский) геометрическая фигура, образованная двумя лучами (сторонами угла), выходящими из одной точки (вершины угла). Всякий угол с вершиной в центре некоторой окружности (центральный угол) определяет на окружности дугу АВ, ограниченную точками… … Большой Энциклопедический словарь

Глава угла, из за угла, медвежий угол, непочатый угол, по всем углам.. Словарь русских синонимов и сходных по смыслу выражений. под. ред. Н. Абрамова, М.: Русские словари, 1999. угол вершина, угловая точка; пеленг, пристанище, девятина, румб,… … Словарь синонимов

угол - угол, род. угла; предл. об угле, в (на) углу и в речи математиков в угле; мн. углы, род. углов. В предложных и устойчивых сочетаниях: за угол и допустимо за угол (зайти, завернуть и т. п.), с угла на угол (двигаться, располагаться и т. п.), угол… … Словарь трудностей произношения и ударения в современном русском языке

УГОЛ, угла, об угле, на (в) углу, муж. 1. (в угле.). В геометрии: плоская фигура, образованная двумя лучами (в 3 знач.), исходящими из одной точки. Вершина угла. Прямой у. (90°). Острый у. (меньше 90°). Тупой у. (более 90°). Внешние и внутренние… … Толковый словарь Ожегова

угол - УГОЛ, угла, м. Четверть ставки, при объявлении которой загибается край карты. ◘ Туз и дама пик с углом // Убиты. А.И.Полежаев. День в Москве, 1832. ◘ После обеда рассыпает он червонцы на стол, тасует карты; понтёры трещат колодами,… … Карточная терминология и жаргон XIX века

Данный материал посвящен такому понятию, как угол между двумя пересекающимися прямыми. В первом пункте мы поясним, что он из себя представляет, и покажем его на иллюстрациях. Потом разберем, какими способами можно найти синус, косинус этого угла и сам угол (отдельно рассмотрим случаи с плоскостью и трехмерным пространством), приведем нужные формулы и покажем на примерах, как именно они применяются на практике.

Для того чтобы понять, что такое угол, образующийся при пересечении двух прямых, нам потребуется вспомнить само определение угла, перпендикулярности и точки пересечения.

Определение 1

Мы называем две прямые пересекающимися, если у них есть одна общая точка. Эта точка называется точкой пересечения двух прямых.

Каждая прямая разделяется точкой пересечения на лучи. Обе прямые при этом образуют 4 угла, из которых два – вертикальные, а два – смежные. Если мы знаем меру одного из них, то можем определить и другие оставшиеся.

Допустим, нам известно, что один из углов равен α . В таком случае угол, который является вертикальным по отношению к нему, тоже будет равен α . Чтобы найти оставшиеся углы, нам надо вычислить разность 180 ° - α . Если α будет равно 90 градусам, то все углы будут прямыми. Пересекающиеся под прямым углом линии называются перпендикулярными (понятию перпендикулярности посвящена отдельная статья).

Взгляните на рисунок:

Перейдем к формулированию основного определения.

Определение 2

Угол, образованный двумя пересекающимися прямыми – это мера меньшего из 4 -х углов, которые образуют две эти прямые.

Из определения нужно сделать важный вывод: размер угла в этом случае будет выражен любым действительным числом в интервале (0 , 90 ] . Если прямые являются перпендикулярными, то угол между ними в любом случае будет равен 90 градусам.

Умение находить меру угла между двумя пересекающимися прямыми полезно для решения многих практических задач. Метод решения можно выбрать из нескольких вариантов.

Для начала мы можем взять геометрические методы. Если нам известно что-то о дополнительных углах, то можно связать их с нужным нам углом, используя свойства равных или подобных фигур. Например, если мы знаем стороны треугольника и нужно вычислить угол между прямыми, на которых эти стороны расположены, то для решения нам подойдет теорема косинусов. Если у нас в условии есть прямоугольный треугольник, то для подсчетов нам также пригодится знание синуса, косинуса и тангенса угла.

Координатный метод тоже весьма удобен для решения задач такого типа. Поясним, как правильно его использовать.

У нас есть прямоугольная (декартова) система координат O x y , в которой заданы две прямые. Обозначим их буквами a и b . Прямые при этом можно описать с помощью каких-либо уравнений. Исходные прямые имеют точку пересечения M . Как определить искомый угол (обозначим его α) между этими прямыми?

Начнем с формулировки основного принципа нахождения угла в заданных условиях.

Нам известно, что с понятием прямой линии тесно связаны такие понятия, как направляющий и нормальный вектор. Если у нас есть уравнение некоторой прямой, из него можно взять координаты этих векторов. Мы можем сделать это сразу для двух пересекающихся прямых.

Угол, образуемый двумя пересекающимися прямыми, можно найти с помощью:

• угла между направляющими векторами;
• ­угла между нормальными векторами;
• угла между нормальным вектором одной прямой и направляющим вектором другой.

Теперь рассмотрим каждый способ отдельно.

1. Допустим, что у нас есть прямая a с направляющим вектором a → = (a x , a y) и прямая b с направляющим вектором b → (b x , b y) . Теперь отложим два вектора a → и b → от точки пересечения. После этого мы увидим, что они будут располагаться каждый на своей прямой. Тогда у нас есть четыре варианта их взаимного расположения. См. иллюстрацию:

Если угол между двумя векторами не является тупым, то он и будет нужным нам углом между пересекающимися прямыми a и b . Если же он тупой, то искомый угол будет равен углу, смежному с углом a → , b → ^ . Таким образом, α = a → , b → ^ в том случае, если a → , b → ^ ≤ 90 ° , и α = 180 ° - a → , b → ^ , если a → , b → ^ > 90 ° .

Исходя из того, что косинусы равных углов равны, мы можем переписать получившиеся равенства так: cos α = cos a → , b → ^ , если a → , b → ^ ≤ 90 ° ; cos α = cos 180 ° - a → , b → ^ = - cos a → , b → ^ , если a → , b → ^ > 90 ° .

Во втором случае были использованы формулы приведения. Таким образом,

cos α cos a → , b → ^ , cos a → , b → ^ ≥ 0 - cos a → , b → ^ , cos a → , b → ^ < 0 ⇔ cos α = cos a → , b → ^

Запишем последнюю формулу словами:

Определение 3

Косинус угла, образованного двумя пересекающимися прямыми, будет равен модулю косинуса угла между его направляющими векторами.

Общий вид формулы косинуса угла между двумя векторами a → = (a x , a y) и b → = (b x , b y) выглядит так:

cos a → , b → ^ = a → , b → ^ a → · b → = a x · b x + a y + b y a x 2 + a y 2 · b x 2 + b y 2

Из нее мы можем вывести формулу косинуса угла между двумя заданными прямыми:

cos α = a x · b x + a y + b y a x 2 + a y 2 · b x 2 + b y 2 = a x · b x + a y + b y a x 2 + a y 2 · b x 2 + b y 2

Тогда сам угол можно найти по следующей формуле:

α = a r c cos a x · b x + a y + b y a x 2 + a y 2 · b x 2 + b y 2

Здесь a → = (a x , a y) и b → = (b x , b y) – это направляющие векторы заданных прямых.

Приведем пример решения задачи.

Пример 1

В прямоугольной системе координат на плоскости заданы две пересекающиеся прямые a и b . Их можно описать параметрическими уравнениями x = 1 + 4 · λ y = 2 + λ λ ∈ R и x 5 = y - 6 - 3 . Вычислите угол между этими прямыми.

Решение

У нас в условии есть параметрическое уравнение, значит, для этой прямой мы сразу можем записать координаты ее направляющего вектора. Для этого нам нужно взять значения коэффициентов при параметре, т.е. прямая x = 1 + 4 · λ y = 2 + λ λ ∈ R будет иметь направляющий вектор a → = (4 , 1) .

Вторая прямая описана с помощью канонического уравнения x 5 = y - 6 - 3 . Здесь координаты мы можем взять из знаменателей. Таким образом, у этой прямой есть направляющий вектор b → = (5 , - 3) .

Далее переходим непосредственно к нахождению угла. Для этого просто подставляем имеющиеся координаты двух векторов в приведенную выше формулу α = a r c cos a x · b x + a y + b y a x 2 + a y 2 · b x 2 + b y 2 . Получаем следующее:

α = a r c cos 4 · 5 + 1 · (- 3) 4 2 + 1 2 · 5 2 + (- 3) 2 = a r c cos 17 17 · 34 = a r c cos 1 2 = 45 °

Ответ : данные прямые образуют угол в 45 градусов.

Мы можем решить подобную задачу с помощью нахождения угла между нормальными векторами. Если у нас есть прямая a с нормальным вектором n a → = (n a x , n a y) и прямая b с нормальным вектором n b → = (n b x , n b y) , то угол между ними будет равен углу между n a → и n b → либо углу, который будет смежным с n a → , n b → ^ . Этот способ показан на картинке:

Формулы для вычисления косинуса угла между пересекающимися прямыми и самого этого угла с помощью координат нормальных векторов выглядят так:

cos α = cos n a → , n b → ^ = n a x · n b x + n a y + n b y n a x 2 + n a y 2 · n b x 2 + n b y 2 α = a r c cos n a x · n b x + n a y + n b y n a x 2 + n a y 2 · n b x 2 + n b y 2

Здесь n a → и n b → обозначают нормальные векторы двух заданных прямых.

Пример 2

В прямоугольной системе координат заданы две прямые с помощью уравнений 3 x + 5 y - 30 = 0 и x + 4 y - 17 = 0 . Найдите синус, косинус угла между ними и величину самого этого угла.

Решение

Исходные прямые заданы с помощью нормальных уравнений прямой вида A x + B y + C = 0 . Нормальный вектор обозначим n → = (A , B) . Найдем координаты первого нормального вектора для одной прямой и запишем их: n a → = (3 , 5) . Для второй прямой x + 4 y - 17 = 0 нормальный вектор будет иметь координаты n b → = (1 , 4) . Теперь добавим полученные значения в формулу и подсчитаем итог:

cos α = cos n a → , n b → ^ = 3 · 1 + 5 · 4 3 2 + 5 2 · 1 2 + 4 2 = 23 34 · 17 = 23 2 34

Если нам известен косинус угла, то мы можем вычислить его синус, используя основное тригонометрическое тождество. Поскольку угол α , образованный прямыми, не является тупым, то sin α = 1 - cos 2 α = 1 - 23 2 34 2 = 7 2 34 .

В таком случае α = a r c cos 23 2 34 = a r c sin 7 2 34 .

Ответ: cos α = 23 2 34 , sin α = 7 2 34 , α = a r c cos 23 2 34 = a r c sin 7 2 34

Разберем последний случай – нахождение угла между прямыми, если нам известны координаты направляющего вектора одной прямой и нормального вектора другой.

Допустим, что прямая a имеет направляющий вектор a → = (a x , a y) , а прямая b – нормальный вектор n b → = (n b x , n b y) . Нам надо отложить эти векторы от точки пересечения и рассмотреть все варианты их взаимного расположения. См. на картинке:

Если величина угла между заданными векторами не более 90 градусов, получается, что он будет дополнять угол между a и b до прямого угла.

a → , n b → ^ = 90 ° - α в том случае, если a → , n b → ^ ≤ 90 ° .

Если он менее 90 градусов, то мы получим следующее:

a → , n b → ^ > 90 ° , тогда a → , n b → ^ = 90 ° + α

Используя правило равенства косинусов равных углов, запишем:

cos a → , n b → ^ = cos (90 ° - α) = sin α при a → , n b → ^ ≤ 90 ° .

cos a → , n b → ^ = cos 90 ° + α = - sin α при a → , n b → ^ > 90 ° .

Таким образом,

sin α = cos a → , n b → ^ , a → , n b → ^ ≤ 90 ° - cos a → , n b → ^ , a → , n b → ^ > 90 ° ⇔ sin α = cos a → , n b → ^ , a → , n b → ^ > 0 - cos a → , n b → ^ , a → , n b → ^ < 0 ⇔ ⇔ sin α = cos a → , n b → ^

Сформулируем вывод.

Определение 4

Чтобы найти синус угла между двумя прямыми, пересекающимися на плоскости, нужно вычислить модуль косинуса угла между направляющим вектором первой прямой и нормальным вектором второй.

Запишем необходимые формулы. Нахождение синуса угла:

sin α = cos a → , n b → ^ = a x · n b x + a y · n b y a x 2 + a y 2 · n b x 2 + n b y 2

Нахождение самого угла:

α = a r c sin = a x · n b x + a y · n b y a x 2 + a y 2 · n b x 2 + n b y 2

Здесь a → является направляющим вектором первой прямой, а n b → – нормальным вектором второй.

Пример 3

Две пересекающиеся прямые заданы уравнениями x - 5 = y - 6 3 и x + 4 y - 17 = 0 . Найдите угол пересечения.

Решение

Берем координаты направляющего и нормального вектора из заданных уравнений. Получается a → = (- 5 , 3) и n → b = (1 , 4) . Берем формулу α = a r c sin = a x · n b x + a y · n b y a x 2 + a y 2 · n b x 2 + n b y 2 и считаем:

α = a r c sin = - 5 · 1 + 3 · 4 (- 5) 2 + 3 2 · 1 2 + 4 2 = a r c sin 7 2 34

Обратите внимание, что мы взяли уравнения из предыдущей задачи и получили точно такой же результат, но другим способом.

Ответ: α = a r c sin 7 2 34

Приведем еще один способ нахождения нужного угла с помощью угловых коэффициентов заданных прямых.

У нас есть прямая a , которая задана в прямоугольной системе координат с помощью уравнения y = k 1 · x + b 1 , и прямая b , заданная как y = k 2 · x + b 2 . Это уравнения прямых с угловым коэффициентом. Чтобы найти угол пересечения, используем формулу:

α = a r c cos k 1 · k 2 + 1 k 1 2 + 1 · k 2 2 + 1 , где k 1 и k 2 являются угловыми коэффициентами заданных прямых. Для получения этой записи были использованы формулы определения угла через координаты нормальных векторов.

Пример 4

Есть две пересекающиеся на плоскости прямые, заданные уравнениями y = - 3 5 x + 6 и y = - 1 4 x + 17 4 . Вычислите величину угла пересечения.

Решение

Угловые коэффициенты наших прямых равны k 1 = - 3 5 и k 2 = - 1 4 . Добавим их в формулу α = a r c cos k 1 · k 2 + 1 k 1 2 + 1 · k 2 2 + 1 и подсчитаем:

α = a r c cos - 3 5 · - 1 4 + 1 - 3 5 2 + 1 · - 1 4 2 + 1 = a r c cos 23 20 34 24 · 17 16 = a r c cos 23 2 34

Ответ: α = a r c cos 23 2 34

В выводах этого пункта следует отметить, что приведенные здесь формулы нахождения угла не обязательно учить наизусть. Для этого достаточно знать координаты направляющих и/или нормальных векторов заданных прямых и уметь определять их по разным типам уравнений. А вот формулы для вычисления косинуса угла лучше запомнить или записать.

Как вычислить угол между пересекающимися прямыми в пространстве

Вычисление такого угла можно свести к вычислению координат направляющих векторов и определению величины угла, образованного этими векторами. Для таких примеров используются такие же рассуждения, которые мы приводили до этого.

Допустим, что у нас есть прямоугольная система координат, расположенная в трехмерном пространстве. В ней заданы две прямые a и b с точкой пересечения M . Чтобы вычислить координаты направляющих векторов, нам нужно знать уравнения этих прямых. Обозначим направляющие векторы a → = (a x , a y , a z) и b → = (b x , b y , b z) . Для вычисления косинуса угла между ними воспользуемся формулой:

cos α = cos a → , b → ^ = a → , b → a → · b → = a x · b x + a y · b y + a z · b z a x 2 + a y 2 + a z 2 · b x 2 + b y 2 + b z 2

Для нахождения самого угла нам понадобится эта формула:

α = a r c cos a x · b x + a y · b y + a z · b z a x 2 + a y 2 + a z 2 · b x 2 + b y 2 + b z 2

Пример 5

У нас есть прямая, заданная в трехмерном пространстве с помощью уравнения x 1 = y - 3 = z + 3 - 2 . Известно, что она пересекается с осью O z . Вычислите угол пересечения и косинус этого угла.

Решение

Обозначим угол, который надо вычислить, буквой α . Запишем координаты направляющего вектора для первой прямой – a → = (1 , - 3 , - 2) . Для оси аппликат мы можем взять координатный вектор k → = (0 , 0 , 1) в качестве направляющего. Мы получили необходимые данные и можем добавить их в нужную формулу:

cos α = cos a → , k → ^ = a → , k → a → · k → = 1 · 0 - 3 · 0 - 2 · 1 1 2 + (- 3) 2 + (- 2) 2 · 0 2 + 0 2 + 1 2 = 2 8 = 1 2

В итоге мы получили, что нужный нам угол будет равен a r c cos 1 2 = 45 ° .

Ответ: cos α = 1 2 , α = 45 ° .

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Определение

Геометрическая фигура, состоящая из всех точек плоскости, заключёнными между двумя лучами выходящими из одной точки, называется плоским углом .

Определение

Углом между двумя пересекающимися прямыми называется величина наименьшего плоского угла при пересечении данных прямых. Если две прямые параллельны, то угол между ними принимается равным нулю.

Величина угла между двумя пересекающимися прямыми (если измерять плоские углы в радианах) может принимать значения от нуля до $\dfrac{\pi}{2}$.

Определение

Углом между двумя скрещивающимися прямыми называется величина, равная углу между двумя пересекающимися прямыми, параллельными скрещивающимся. Угол между прямыми $a$ и $b$ обозначается $\angle (a, b)$.

Корректность введённого определения следует из следующей теоремы.

Теорема о плоских углах с параллельными сторонами

Величины двух выпуклых плоских углов с соответственно параллельными и одинаково направленными сторонами равны.

Доказательство

Если углы развёрнутые, то они оба равны $\pi$. Если они не развёрнутые, то отложим на соответственных сторонах углов $\angle AOB$ и $\angle A_1O_1B_1$ равные отрезки $ON=O_1ON_1$ и $OM=O_1M_1$.

Четырёхугольник $O_1N_1NO$ является параллелограммом, так как его противоположные стороны $ON$ и $O_1N_1$ равны и параллельны. Аналогично, четырёхугольник $O_1M_1MO$ является параллелограммом. Отсюда $NN_1 = OO_1 = MM_1$ и $NN_1 \parallel OO_1 \parallel MM_1$, следовательно, $NN_1=MM_1$ и $NN_1 \parallel MM_1$ по транзитивности. Четырёхугольник $N_1M_1MN$ - параллелограмм, так как его противоположные стороны равны и параллельны. Значит, и отрезки $NM$ и $N_1M_1$ равны. Треугольники $ONM$ и $O_1N_1M_1$ равны по третьему признаку равенства треугольников, значит, и соответственные углы $\angle NOM$ и $\angle N_1O_1M_1$ равны.