Zadanie  1.3.2.3

 Zadanie 1.3.2.3

Kąt pomiędzy wektorami
Kąt pomiędzy wektorami \(\vec{a}=\left( 1+2\sqrt{3}\right)\hat{i}+\left( 2-\sqrt{3}\right)\hat{j}+\hat{k}\) oraz \(\vec{b}=2\;\hat{i}-\hat{j}+x\;\hat{k}\)  wynosi  \(30^{\circ}\). Wyznacz \(x\).

Informacja

Możesz zobaczyć odpowiedź, klikając w przycisk "Odpowiedź" lub sprawdzać kolejne etapy rozwiązania, wybierając prawidłowe odpowiedzi. W rozwiązaniu znajdziesz wskazówki, obliczenia i objaśnienia.

Odpowiedź

Trzecia współrzędna wektora \(\vec{b}\) wynosi \(x_1\approx 0,89\) lub \(x_2\approx 0,29\).

Polecenie

Z poniższych zestawów danych wybierz ten, który odpowiada treści zadania.

Dane:
- współrzędne wektora pierwszego \(\vec{a}=\left( 1+2\sqrt{3}\right)\hat{i}+\left( 2-\sqrt{3}\right)\hat{j}+\hat{k}\),
- współrzędne wektora drugiego \(\vec{b}=2\;\hat{i}-\hat{j}+x\;\hat{k}\),
- kąt pomiędzy danymi wektorem a osią \(OX\) układu współrzędnych \(\varphi=30^{\circ}\).

Szukane:
- długość wektora \(\vec{b}\).

Odpowiedź nieprawidłowa
Nieprawidłowa szukana.

Dane:
- współrzędne wektora pierwszego \(\vec{a}=\left( 1+2\sqrt{3}\right)\hat{i}+\left( 2-\sqrt{3}\right)\hat{j}+\hat{k}\),
- współrzędne wektora drugiego \(\vec{b}=2\;\hat{i}-\hat{j}+x\;\hat{k}\),
- kąt pomiędzy danymi wektorami \(\varphi=30^{\circ}\).

Szukane:
- trzecia współrzędna wektora \(\vec{b}\).

Odpowiedź prawidłowa
Do wyznaczenia brakującej współrzędnej wektora \(\vec{b}\) można użyć definicji iloczynu skalarnego. Rozwiązanie zadania będzie przedstawione w 3 etapach.

Krok 1
Obliczenie długości danych wektorów.
 Teoria – kąt pomiędzy wektorami
Kąt pomiędzy wektorami \(\varphi\) można wyznaczyć korzystając z definicji iloczynu skalarnego dwóch wektorów \(\vec{a}\circ\vec{b}=a\,b\: \cos\, \varphi\), gdzie \(a\) i \(b\) oznaczają długości wektora.

Polecenie

Wybierz spośród trzech jeden zestaw prawidłowych długości wektora \(\vec{a}\) oraz wektora \(\vec{b}\).

Wybór 1 z 3

Długości wektorów wynoszą:
\(\left|\vec{a}\right|=\sqrt{21}\)
\(\left|\vec{b}\right|=\sqrt{5+x^{2}}\)

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 2 z 3

Długości wektorów wynoszą:
\(\left|\vec{a}\right|=3\)
\(\left|\vec{b}\right|=x\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 3 z 3

Długości wektorów wynoszą:
\(\left|\vec{a}\right|=3\sqrt{2}\)
\(\left|\vec{b}\right|=\sqrt{3+x^{2}}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Rozwiązanie - etap 1

 \( \left|\vec{a}\right|=\sqrt{a_{x}^{2}+ a_{y}^{2}+ a_{z}^{2}}\) 

\( \left |\vec{a} \right |=\sqrt{\left ( 1+2\sqrt{3} \right)^{2}+\left ( 2-\sqrt{3}\right)^{2}+1^{2}}\)
\( \left|\vec{a}\right|=\sqrt{1+4\sqrt{3}+12+4-4\sqrt{3}+3+1}=\sqrt{21}\)

\(\left|\vec{b}\right|=\sqrt{2^{2}+(-1)^{2}+x^2}=\sqrt{5+x^{2}}\)

Polecenie

Krok 2 polega na obliczeniu wartości iloczynu skalarnego \(\vec{a}\circ\vec{b}\). Wskaż, wśród trzech poniższych wartości, tę, która przedstawia prawidłowe rozwiązanie.

Wybór 1 z 3

\(\vec{a}\circ\vec{b}=5\sqrt{3}+x\)

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 2 z 3

\(\vec{a}\circ\vec{b}=5-x\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 3 z 3

\(\vec{a}\circ\vec{b}=2\sqrt{3}-x\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Rozwiązanie - etap 2

Obliczenie wartości iloczynu skalarnego \(\vec{a}\circ\vec{b}\)
 \(\vec{a}\circ \vec{b}=x_{a}\cdot x_{b}+y_{a}\cdot y_{b}+z_{a}\cdot z_{b}\), gdzie \(\vec{a}=[ x_{a}, y_{a}, z_{a}]\) oraz \(\vec{b}=[ x_{b}, y_{b}, z_{b}]\) 

\(\vec{a}\circ\vec{b}=\left(1+2\sqrt{3}\right)\cdot 2+\left ( 2-\sqrt{3} \right )\cdot (-1)+1\cdot x\)
\(\vec{a}\circ\vec{b}=2+4\sqrt{3}-2+\sqrt{3}+x=5\sqrt{3}+x\)

Polecenie

Wskaż jedną spośród dwóch formuł, tę która pozwoli obliczyć brakującą współrzędną wektora \(\vec{b}\).

\(\displaystyle{\cos\,\varphi=\frac{b_{z}}{\left | \vec{b} \right |}}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

\(\displaystyle{ \cos\,\varphi=\frac{\vec{a}\circ \vec{b}}{\left |\vec{a}\right |\left | \vec{b} \right |}}\)

Odpowiedź prawidłowa

Rozwiązanie - etap 3

Obliczenie trzeciej współrzędnej wektora \(\vec{b}\).

\(\displaystyle{ \cos\,30^{\circ}=\frac{\vec{a}\circ \vec{b}}{\left |\vec{a}\right |\left | \vec{b} \right |}}\)
\( \displaystyle{\frac{\sqrt{3}}{2}=\frac{5\sqrt{3}+x}{\sqrt{21}\cdot \sqrt{5+x^2}}}\)
\(10\sqrt{3}+2x=\sqrt{63}\cdot \sqrt{5+x^2}\) podnosimy obustronnie do kwadratu

\(100\cdot 3+40\sqrt{3}x+4x^{2}=63\cdot \left (5+x^2 \right )\)
\(300+40\sqrt{3}x+4x^2-315-63x^2=0\)
\(59x^2-40\sqrt{3}x+15=0\)
\(\Delta=1600\cdot 3-4\cdot 59\cdot 15=1260\)

Rozwiązaniem równania kwadratowego są pierwiastki \(x_1\approx 0,89\) oraz \(x_2\approx 0,29\).


Odpowiedź

Trzecia współrzędna wektora \(\vec{b}\) wynosi \(x_1\approx 0,89\) lub \(x_2\approx 0,29\).