MAT1052 · 7. hafta · Cross Products, Planes and Surfaces

Çapraz çarpım, doğrular ve düzlemler

Çapraz çarpımla dik vektör, alan ve hacim bulmayı; uzayda doğru ve düzlem denklemi yazmayı; kesişim, açı ve uzaklık sorularını çözmeyi öğrenirsin. Silindirlerle yüzeylere giriş yapılır.

cross productright-hand ruleparallelogram areatriple scalar productparametric equations of a linedirection vectornormal vectorequation of a planedistance from a point to a planeskew linescylinder

Bu hafta vektör cebirinin ikinci çarpımını ve onunla kurulan geometriyi öğreniyoruz. Nokta çarpım bir sayı veriyordu ve açı ile dikliği ölçüyordu. Çapraz çarpım (cross product) ise iki vektöre birden dik yeni bir vektör üretir. Uzunluğu da alan verir. Düzlem denklemi yazmanın, üçgen alanı bulmanın ve bir noktanın bir doğruya uzaklığını hesaplamanın en kısa yolu budur. Sınavda bu konudan genelde bir “find the plane through three points” ve bir uzaklık ya da kesişim sorusu çıkar.

Altın kurallar:

  1. Çapraz çarpım sadece üç boyutta tanımlı ve sonucu bir vektördür.
  2. Determinant açılımında ortadaki j\mathbf j teriminin önü eksi.
  3. Doğru için bir nokta + bir doğrultu vektörü, düzlem için bir nokta + bir normal vektör gerekir.
  4. Üç noktadan düzlem: n=PQ→×PR→\mathbf n = \overrightarrow{PQ}\times\overrightarrow{PR}.
  5. Her sonucu kontrol et: çapraz çarpım iki vektöre de dik çıkmalı, düzlem denklemi verilen bütün noktaları sağlamalı.

Çapraz çarpım

Tanım.

u×v=∣ijku1u2u3v1v2v3∣=(u2v3−u3v2) i−(u1v3−u3v1) j+(u1v2−u2v1) k.\mathbf u\times\mathbf v = \begin{vmatrix}\mathbf i&\mathbf j&\mathbf k\\u_1&u_2&u_3\\v_1&v_2&v_3\end{vmatrix} = (u_2v_3-u_3v_2)\,\mathbf i-(u_1v_3-u_3v_1)\,\mathbf j+(u_1v_2-u_2v_1)\,\mathbf k.

Geometri.

  • u×v\mathbf u\times\mathbf v hem u\mathbf u‘ya hem v\mathbf v‘ye diktir.
  • Yönü sağ el kuralıyla bulunur: sağ elinin parmakları u\mathbf u‘dan v\mathbf v‘ye kıvrılırken başparmak u×v\mathbf u\times\mathbf v yönünü gösterir.
  • ∣u×v∣=∣u∣∣v∣sin⁡θ\lvert\mathbf u\times\mathbf v\rvert = \lvert\mathbf u\rvert\lvert\mathbf v\rvert\sin\theta, yani u\mathbf u ve v\mathbf v‘nin oluşturduğu paralelkenarın alanı.

Özellikler. v×u=−(u×v)\mathbf v\times\mathbf u = -(\mathbf u\times\mathbf v) (değişmeli DEĞİL). u×u=0\mathbf u\times\mathbf u = \mathbf 0. Paralel vektörlerin çapraz çarpımı 0\mathbf 0. i×j=k\mathbf i\times\mathbf j = \mathbf k, j×k=i\mathbf j\times\mathbf k = \mathbf i, k×i=j\mathbf k\times\mathbf i = \mathbf j (döngüsel sıra; ters sırada eksi).

Örnek 1. ⟨2,1,−1⟩×⟨1,3,2⟩\langle2,1,-1\rangle\times\langle1,3,2\rangle.

i bileşeni:   1·2 - (-1)·3 = 2 + 3 = 5
j bileşeni: -(2·2 - (-1)·1) = -(4 + 1) = -5
k bileşeni:   2·3 - 1·1 = 5
sonuç: <5, -5, 5>
kontrol: <5,-5,5>·<2,1,-1> = 10 - 5 - 5 = 0   ✓
         <5,-5,5>·<1,3,2>  = 5 - 15 + 10 = 0   ✓

Alan ve hacim

Örnek 2 (üçgen alanı). P(1,1,0)P(1,1,0), Q(3,1,2)Q(3,1,2), R(1,4,1)R(1,4,1). PQ→=⟨2,0,2⟩\overrightarrow{PQ} = \langle2,0,2\rangle, PR→=⟨0,3,1⟩\overrightarrow{PR} = \langle0,3,1\rangle.

PQ→×PR→=⟨0⋅1−2⋅3,  −(2⋅1−2⋅0),  2⋅3−0⟩=⟨−6,−2,6⟩,Alan=762=19.\overrightarrow{PQ}\times\overrightarrow{PR} = \langle0\cdot1-2\cdot3,\;-(2\cdot1-2\cdot0),\;2\cdot3-0\rangle = \langle-6,-2,6\rangle,\qquad\text{Alan} = \frac{\sqrt{76}}{2} = \sqrt{19}.

Üçlü skaler çarpım (triple scalar product). u⋅(v×w)\mathbf u\cdot(\mathbf v\times\mathbf w), satırları u,v,w\mathbf u,\mathbf v,\mathbf w olan 3×33\times3 determinanttır. Mutlak değeri bu üç vektörün oluşturduğu paralelyüzün (parallelepiped) hacmidir. Sıfırsa üç vektör aynı düzlemdedir (coplanar).

Örnek 3. ⟨1,2,0⟩,⟨0,1,3⟩,⟨2,0,1⟩\langle1,2,0\rangle,\langle0,1,3\rangle,\langle2,0,1\rangle: 1(1−0)−2(0−6)+0=1+12=131(1-0)-2(0-6)+0 = 1+12 = 13. Hacim 1313.

Uzayda doğru

Bir doğru, üzerindeki bir P0(x0,y0,z0)P_0(x_0,y_0,z_0) noktası ve doğrultu vektörü (direction vector) v=⟨a,b,c⟩\mathbf v = \langle a,b,c\rangle ile belirlenir.

r(t)=r0+tv⟺x=x0+at,y=y0+bt,z=z0+ct.\mathbf r(t) = \mathbf r_0+t\mathbf v\qquad\Longleftrightarrow\qquad x = x_0+at,\quad y = y_0+bt,\quad z = z_0+ct.

İki noktadan geçen doğru: doğrultu P0P1→\overrightarrow{P_0P_1}. (2,0,−1)(2,0,-1) ve (4,3,1)(4,3,1)‘den geçen doğru: v=⟨2,3,2⟩\mathbf v = \langle2,3,2\rangle, x=2+2tx = 2+2t, y=3ty = 3t, z=−1+2tz = -1+2t. t=0t=0 ilk noktayı, t=1t=1 ikinciyi verir.

İki doğrunun durumu. Doğrultular paralelse doğrular ya paralel ya çakışık. Paralel değilse ya kesişirler ya da aykırıdırlar (skew): ne paralel ne kesişen. Kesişimi bulmak için xx, yy, zz eşitliklerini yaz (tt ve ss farklı parametreler!), ikisinden t,st,s‘yi çöz, üçüncüde dene.

Örnek 4 (aykırı doğrular). L1:(1+t, t, 0)L_1: (1+t,\,t,\,0) ve L2:(0, 1+s, 3+s)L_2: (0,\,1+s,\,3+s). zz‘den 0=3+s0 = 3+s, s=−3s=-3; yy‘den t=1+s=−2t = 1+s = -2; xx‘te 1+t=−1≠01+t = -1\neq0. Kesişmiyorlar; doğrultular ⟨1,1,0⟩\langle1,1,0\rangle ve ⟨0,1,1⟩\langle0,1,1\rangle paralel değil. Aykırı. Aralarındaki uzaklık ∣P1P2→⋅(v1×v2)∣∣v1×v2∣=∣⟨−1,1,3⟩⋅⟨1,−1,1⟩∣3=13\dfrac{\lvert\overrightarrow{P_1P_2}\cdot(\mathbf v_1\times\mathbf v_2)\rvert}{\lvert\mathbf v_1\times\mathbf v_2\rvert} = \dfrac{\lvert\langle-1,1,3\rangle\cdot\langle1,-1,1\rangle\rvert}{\sqrt3} = \dfrac{1}{\sqrt3}.

Uzayda düzlem

Bir düzlem, üzerindeki bir P0P_0 noktası ve düzleme dik normal vektör n=⟨a,b,c⟩\mathbf n = \langle a,b,c\rangle ile belirlenir. Düzlemdeki her PP için P0P→⊥n\overrightarrow{P_0P}\perp\mathbf n:

a(x−x0)+b(y−y0)+c(z−z0)=0⟺ax+by+cz=d.a(x-x_0)+b(y-y_0)+c(z-z_0) = 0\qquad\Longleftrightarrow\qquad ax+by+cz = d.

xx, yy, zz‘nin katsayıları doğrudan normal vektörü verir. 2x−y+3z=72x-y+3z = 7 düzleminin normali ⟨2,−1,3⟩\langle2,-1,3\rangle.

Örnek 5 (üç noktadan düzlem). Örnek 2’deki PP, QQ, RR: normal ⟨−6,−2,6⟩∥⟨3,1,−3⟩\langle-6,-2,6\rangle\parallel\langle3,1,-3\rangle. PP ile: 3(x−1)+(y−1)−3z=03(x-1)+(y-1)-3z = 0, yani 3x+y−3z=43x+y-3z = 4. QQ: 9+1−6=49+1-6 = 4 ✓. RR: 3+4−3=43+4-3 = 4 ✓.

Düzlemlerle ilgili hesaplar

SoruYöntem
Doğru ile düzlemin kesişimiDoğrunun x(t),y(t),z(t)x(t),y(t),z(t)‘sini düzleme koy, tt‘yi çöz
İki düzlemin kesişim doğrusuDoğrultu n1×n2\mathbf n_1\times\mathbf n_2; nokta için bir değişkeni 00 koy
Düzlemler arası açıcos⁡θ=∣n1⋅n2∣∣n1∣∣n2∣\cos\theta = \dfrac{\lvert\mathbf n_1\cdot\mathbf n_2\rvert}{\lvert\mathbf n_1\rvert\lvert\mathbf n_2\rvert}
Paralel mi?Normaller paralel (n1=kn2\mathbf n_1 = k\mathbf n_2)
Nokta-düzlem uzaklığı∣ax0+by0+cz0−d∣a2+b2+c2\dfrac{\lvert ax_0+by_0+cz_0-d\rvert}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}
Nokta-doğru uzaklığı∣PS→×v∣∣v∣\dfrac{\lvert\overrightarrow{PS}\times\mathbf v\rvert}{\lvert\mathbf v\rvert}

Örnek 6. (1,2,3)(1,2,3) noktasının 2x+y−2z=52x+y-2z = 5 düzlemine uzaklığı: ∣2+2−6−5∣3=73\dfrac{\lvert2+2-6-5\rvert}{3} = \dfrac73.

Örnek 7 (paralel düzlemler). x+2y+2z=3x+2y+2z = 3 ile x+2y+2z=12x+2y+2z = 12 arası: birinci düzlemden bir nokta al, (3,0,0)(3,0,0); ikinciye uzaklığı ∣3−12∣3=3\dfrac{\lvert3-12\rvert}{3} = 3. Kısa yol: ∣d1−d2∣∣n∣\dfrac{\lvert d_1-d_2\rvert}{\lvert\mathbf n\rvert} (normaller aynı yazılmışsa).

TUZAK · doğru mu düzlem mi? x+2y+2z=3x+2y+2z = 3 tek denklem, uzayda bir düzlem. Uzayda doğru tek bir lineer denklemle yazılamaz; ya parametrik yazılır ya da iki düzlemin kesişimi olarak. İki boyutta “doğru denklemi” olan ax+by=cax+by = c, üç boyutta zz eksenine paralel bir düzlemdir.

Silindirler: yüzeylere giriş

Denklemde değişkenlerden biri yoksa yüzey o eksen boyunca uzanan bir silindirdir (cylinder). x2+y2=4x^2+y^2 = 4 uzayda zz eksenine paralel, yarıçapı 22 olan dairesel silindir; her zz yüksekliğinde aynı daireyi verir. z=y2z = y^2 ise xx ekseni boyunca uzanan parabolik silindir. Gelecek hafta üç değişkenin hepsinin yer aldığı ikinci dereceden yüzeylere (quadric surfaces) geçeceğiz.

Sık yapılan hatalar

YanlışDoğrusu
Determinantta j\mathbf j‘nin önünü ++ almak−(u1v3−u3v1)-(u_1v_3-u_3v_1)
u×v=v×u\mathbf u\times\mathbf v = \mathbf v\times\mathbf uİşaret değişir
Üçgen alanında ∣u×v∣\lvert\mathbf u\times\mathbf v\rvert yazmakYarısı: 12∣u×v∣\frac12\lvert\mathbf u\times\mathbf v\rvert
Hacmi negatif bırakmakMutlak değer al
İki doğrunun kesişiminde aynı tt kullanmakFarklı parametreler: tt ve ss
Düzlem açısında doğrultuları kullanmakNormaller arası açı
Uzaklık formülünde dd‘yi sola almadan koymakDenklemi ax+by+cz=dax+by+cz = d yaz, payda ∣ax0+by0+cz0−d∣\lvert ax_0+by_0+cz_0-d\rvert
Kesişim doğrusunda nokta bulmayı unutmakBir değişkeni 00 koy, kalan 2×22\times2 sistemi çöz

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

Compute ⟨1,2,3⟩×⟨4,5,6⟩\langle1,2,3\rangle\times\langle4,5,6\rangle.

Cevabı göster
⟨−3,6,−3⟩\langle-3,6,-3\rangle

i(2⋅6−3⋅5)−j(1⋅6−3⋅4)+k(1⋅5−2⋅4)=i(−3)−j(−6)+k(−3)\mathbf i(2\cdot6-3\cdot5)-\mathbf j(1\cdot6-3\cdot4)+\mathbf k(1\cdot5-2\cdot4) = \mathbf i(-3)-\mathbf j(-6)+\mathbf k(-3).
Sonuç ⟨−3,6,−3⟩\langle-3,6,-3\rangle. Kontrol: ⟨−3,6,−3⟩⋅⟨1,2,3⟩=−3+12−9=0\langle-3,6,-3\rangle\cdot\langle1,2,3\rangle = -3+12-9 = 0.

Soru 2kolay

Find the area of the parallelogram spanned by u=⟨2,1,0⟩\mathbf u = \langle2,1,0\rangle and v=⟨1,3,0⟩\mathbf v = \langle1,3,0\rangle.

Cevabı göster
55

u×v=⟨0,0,2⋅3−1⋅1⟩=⟨0,0,5⟩\mathbf u\times\mathbf v = \langle0,0,2\cdot3-1\cdot1\rangle = \langle0,0,5\rangle. Alan =∣u×v∣=5=\lvert\mathbf u\times\mathbf v\rvert = 5.

Soru 3orta

Find the area of the triangle with vertices P(1,0,0)P(1,0,0), Q(0,2,0)Q(0,2,0), R(0,0,3)R(0,0,3).

Cevabı göster
7/27/2

PQ→=⟨−1,2,0⟩\overrightarrow{PQ} = \langle-1,2,0\rangle, PR→=⟨−1,0,3⟩\overrightarrow{PR} = \langle-1,0,3\rangle.
Çapraz çarpım: ⟨2⋅3−0,  0−(−1)(3),  0−(−1)(2)⟩=⟨6,3,2⟩\langle2\cdot3-0,\;0-(-1)(3),\;0-(-1)(2)\rangle = \langle6,3,2\rangle, uzunluk 36+9+4=7\sqrt{36+9+4} = 7.
Üçgen paralelkenarın yarısı: 72\dfrac72.

Soru 4orta

Find the volume of the parallelepiped determined by u=⟨1,0,2⟩\mathbf u = \langle1,0,2\rangle, v=⟨0,3,1⟩\mathbf v = \langle0,3,1\rangle, w=⟨2,1,0⟩\mathbf w = \langle2,1,0\rangle.

Cevabı göster
1313

Üçlü çarpım determinantı: ∣102031210∣=1(0−1)−0+2(0−6)=−1−12=−13\begin{vmatrix}1&0&2\\0&3&1\\2&1&0\end{vmatrix} = 1(0-1)-0+2(0-6) = -1-12 = -13.
Hacim mutlak değer: 1313.

Soru 5orta

The line through P(1,−2,3)P(1,-2,3) parallel to v=⟨2,1,−1⟩\mathbf v = \langle2,1,-1\rangle meets the xyxy-plane at which point?

Cevabı göster
(7,1,0)(7,1,0)

Parametrik: x=1+2tx = 1+2t, y=−2+ty = -2+t, z=3−tz = 3-t. xyxy-düzlemi z=0z=0: t=3t = 3.
Nokta (1+6, −2+3, 0)=(7,1,0)(1+6,\,-2+3,\,0) = (7,1,0).

Soru 6kolay

Find an equation of the plane through (1,2,−1)(1,2,-1) with normal vector ⟨3,−1,2⟩\langle3,-1,2\rangle.

Cevabı göster
3x−y+2z=−13x-y+2z=-1

3(x−1)−(y−2)+2(z+1)=0⇒3x−y+2z−3+2+2=0⇒3x−y+2z=−13(x-1)-(y-2)+2(z+1) = 0\Rightarrow 3x-y+2z-3+2+2 = 0\Rightarrow 3x-y+2z = -1.

Soru 7orta

Find an equation of the plane through A(1,1,0)A(1,1,0), B(2,0,1)B(2,0,1) and C(0,2,3)C(0,2,3).

Cevabı göster
x+y=2x+y=2

AB→=⟨1,−1,1⟩\overrightarrow{AB} = \langle1,-1,1\rangle, AC→=⟨−1,1,3⟩\overrightarrow{AC} = \langle-1,1,3\rangle.n=AB→×AC→=⟨(−1)(3)−1⋅1,  1⋅(−1)−1⋅3,  1⋅1−(−1)(−1)⟩=⟨−4,−4,0⟩\mathbf n = \overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC} = \langle(-1)(3)-1\cdot1,\;1\cdot(-1)-1\cdot3,\;1\cdot1-(-1)(-1)\rangle = \langle-4,-4,0\rangle, yani ⟨1,1,0⟩\langle1,1,0\rangle.AA noktasıyla: (x−1)+(y−1)=0(x-1)+(y-1) = 0, x+y=2x+y = 2. BB ve CC de sağlıyor.

Soru 8orta

Find the distance from the point (2,1,3)(2,1,3) to the plane 2x−y+2z=42x-y+2z=4.

Cevabı göster
5/35/3

D=∣ax0+by0+cz0−d∣a2+b2+c2=∣4−1+6−4∣4+1+4=53D = \dfrac{\lvert ax_0+by_0+cz_0-d\rvert}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}} = \dfrac{\lvert4-1+6-4\rvert}{\sqrt{4+1+4}} = \dfrac{5}{3}.

Soru 9orta

Find the angle between the planes x+y+z=1x+y+z=1 and x−y+2z=3x-y+2z=3.

Cevabı göster
≈61.87∘\approx 61.87^\circ

Düzlemler arası açı = normaller arası açı. n1⋅n2=1−1+2=2\mathbf n_1\cdot\mathbf n_2 = 1-1+2 = 2, ∣n1∣=3\lvert\mathbf n_1\rvert = \sqrt3, ∣n2∣=6\lvert\mathbf n_2\rvert = \sqrt6.cos⁡θ=218=23≈0.4714\cos\theta = \dfrac{2}{\sqrt{18}} = \dfrac{\sqrt2}{3}\approx0.4714, θ≈61.87∘\theta\approx61.87^\circ.

Soru 10zor

Find parametric equations for the line of intersection of the planes x+y+z=3x+y+z=3 and x−y+z=1x-y+z=1.

Cevabı göster
x=2+t, y=1, z=−tx=2+t,\ y=1,\ z=-t

Doğrultu iki normale de dik: n1×n2=⟨1,1,1⟩×⟨1,−1,1⟩=⟨2,0,−2⟩∥⟨1,0,−1⟩\mathbf n_1\times\mathbf n_2 = \langle1,1,1\rangle\times\langle1,-1,1\rangle = \langle2,0,-2\rangle\parallel\langle1,0,-1\rangle.
Ortak nokta: z=0z=0 koy, x+y=3x+y = 3, x−y=1x-y = 1, buradan x=2x=2, y=1y=1.
Doğru: (2+t, 1, −t)(2+t,\,1,\,-t). (Farklı nokta ya da doğrultu katı seçen eşdeğer cevaplar da doğru.)

Soru 11kolay

Where does the line x=1+t, y=2t, z=3−tx=1+t,\ y=2t,\ z=3-t meet the plane x+y+z=10x+y+z=10?

Cevabı göster
(4,6,0)(4,6,0)

Doğruyu düzleme koy: (1+t)+2t+(3−t)=4+2t=10(1+t)+2t+(3-t) = 4+2t = 10, t=3t = 3.
Nokta (4,6,0)(4,6,0).

Soru 12zor

Find the distance from S(1,1,5)S(1,1,5) to the line x=1+t, y=3−t, z=2tx = 1+t,\ y = 3-t,\ z = 2t.

Cevabı göster
5\sqrt5

Doğru üzerinde P(1,3,0)P(1,3,0), doğrultu v=⟨1,−1,2⟩\mathbf v = \langle1,-1,2\rangle. PS→=⟨0,−2,5⟩\overrightarrow{PS} = \langle0,-2,5\rangle.PS→×v=⟨(−2)(2)−5(−1),  5⋅1−0⋅2,  0⋅(−1)−(−2)(1)⟩=⟨1,5,2⟩\overrightarrow{PS}\times\mathbf v = \langle(-2)(2)-5(-1),\;5\cdot1-0\cdot2,\;0\cdot(-1)-(-2)(1)\rangle = \langle1,5,2\rangle.d=∣PS→×v∣∣v∣=306=5d = \dfrac{\lvert\overrightarrow{PS}\times\mathbf v\rvert}{\lvert\mathbf v\rvert} = \dfrac{\sqrt{30}}{\sqrt6} = \sqrt5.

Doğrulama: Bütün çapraz çarpımlar, determinantlar, düzlem denklemleri, açı ve uzaklıklar node'da hesaplandı; nokta-doğru ve aykırı doğru uzaklıkları ayrıca kaba kuvvet minimizasyonuyla doğrulandı (verify/MAT1052/07.mjs).

Deftere not kartı

u×v = | i j k ; u1 u2 u3 ; v1 v2 v3 | (j terimi EKSİ) u×v ⊥ u ve v. Yön: sağ el kuralı. v×u = -(u×v). u×u = 0 |u×v| = |u||v|sin θ = paralelkenar alanı. Üçgen: yarısı u·(v×w) = 3x3 determinant; |...| = paralelyüz hacmi; 0 ise aynı düzlemde i×j=k j×k=i k×i=j Doğru: r = P0 + t v → x=x0+at, y=y0+bt, z=z0+ct Düzlem: a(x-x0)+b(y-y0)+c(z-z0)=0, n=<a,b,c>. 3 nokta → n = PQ×PR Nokta-düzlem: |ax0+by0+cz0-d| / |n| Nokta-doğru: |PS × v| / |v| Düzlem kesişimi: doğrultu n1×n2, nokta: bir değişkeni 0 koy Düzlemler arası açı: normaller arası açı Silindir: denklemde bir değişken yok → o eksene paralel