Номер 1, страница 267 - гдз по геометрии 7-9 класс учебник Атанасян, Бутузов

Вопросы для повторения к главе 11. § 3. Уравнения окружности и прямой. Глава 11. Метод координат - номер 1, страница 267.

1 Сформулируйте и докажите лемму о коллинеарных векторах.

Формулировка

Вектор $\vec{b}$ коллинеарен ненулевому вектору $\vec{a}$ тогда и только тогда, когда существует единственное число $k$, такое что $\vec{b} = k\vec{a}$.

Доказательство

Доказательство утверждения "тогда и только тогда" состоит из доказательства двух утверждений: необходимости и достаточности.

1. Необходимость (прямое утверждение)

Докажем, что если вектор $\vec{b}$ коллинеарен ненулевому вектору $\vec{a}$ ($\vec{a} \neq \vec{0}$), то существует единственное число $k$, для которого $\vec{b} = k\vec{a}$.

Существование числа k:

Рассмотрим два возможных случая:

а) Вектор $\vec{b}$ — нулевой, то есть $\vec{b} = \vec{0}$. В этом случае равенство $\vec{b} = k\vec{a}$ будет верным при $k=0$, так как $0 \cdot \vec{a} = \vec{0}$. Число $k=0$ существует.

б) Вектор $\vec{b}$ — ненулевой, то есть $\vec{b} \neq \vec{0}$. Так как по условию векторы $\vec{a}$ и $\vec{b}$ коллинеарны и оба ненулевые, они могут быть либо сонаправлены ($\vec{a} \uparrow\uparrow \vec{b}$), либо противоположно направлены ($\vec{a} \uparrow\downarrow \vec{b}$).

— Если векторы $\vec{a}$ и $\vec{b}$ сонаправлены, то их единичные векторы (векторы единичной длины, сонаправленные с исходными) равны: $\frac{\vec{a}}{|\vec{a}|} = \frac{\vec{b}}{|\vec{b}|}$. Выражая из этого равенства $\vec{b}$, получаем $\vec{b} = \frac{|\vec{b}|}{|\vec{a}|}\vec{a}$. Обозначим $k = \frac{|\vec{b}|}{|\vec{a}|}$. Так как длины векторов — положительные величины, то $k > 0$. Таким образом, $\vec{b} = k\vec{a}$.

— Если векторы $\vec{a}$ и $\vec{b}$ противоположно направлены, то их единичные векторы противоположны: $\frac{\vec{a}}{|\vec{a}|} = -\frac{\vec{b}}{|\vec{b}|}$. Выражая отсюда $\vec{b}$, получаем $\vec{b} = -\frac{|\vec{b}|}{|\vec{a}|}\vec{a}$. Обозначим $k = -\frac{|\vec{b}|}{|\vec{a}|}$. В этом случае $k < 0$. Таким образом, $\vec{b} = k\vec{a}$.

Итак, мы показали, что во всех случаях такое число $k$ существует.

Единственность числа k:

Теперь докажем, что это число $k$ единственно. Предположим обратное: существуют два различных числа $k_1$ и $k_2$ ($k_1 \neq k_2$) такие, что $\vec{b} = k_1\vec{a}$ и $\vec{b} = k_2\vec{a}$. Тогда $k_1\vec{a} = k_2\vec{a}$, откуда следует, что $k_1\vec{a} - k_2\vec{a} = \vec{0}$, то есть $(k_1 - k_2)\vec{a} = \vec{0}$. По условию вектор $\vec{a}$ ненулевой ($\vec{a} \neq \vec{0}$). Произведение ненулевого вектора на число равно нулевому вектору только тогда, когда это число равно нулю. Следовательно, $k_1 - k_2 = 0$, что означает $k_1 = k_2$. Это противоречит нашему предположению, что $k_1 \neq k_2$. Значит, число $k$ единственно.

2. Достаточность (обратное утверждение)

Докажем, что если для ненулевого вектора $\vec{a}$ и вектора $\vec{b}$ выполняется равенство $\vec{b} = k\vec{a}$ для некоторого числа $k$, то векторы $\vec{a}$ и $\vec{b}$ коллинеарны.

Рассмотрим три возможных случая для значения $k$:

а) Если $k = 0$, то $\vec{b} = 0 \cdot \vec{a} = \vec{0}$. Нулевой вектор по определению коллинеарен любому вектору, значит, $\vec{b}$ коллинеарен $\vec{a}$.

б) Если $k > 0$, то из определения операции умножения вектора на положительное число следует, что вектор $\vec{b}$ сонаправлен вектору $\vec{a}$ ($\vec{b} \uparrow\uparrow \vec{a}$). Сонаправленные векторы по определению коллинеарны.

в) Если $k < 0$, то из определения операции умножения вектора на отрицательное число следует, что вектор $\vec{b}$ противоположно направлен вектору $\vec{a}$ ($\vec{b} \uparrow\downarrow \vec{a}$). Противоположно направленные векторы по определению коллинеарны.

Таким образом, во всех случаях векторы $\vec{a}$ и $\vec{b}$ являются коллинеарными. Лемма полностью доказана.

Ответ: Вектор $\vec{b}$ коллинеарен ненулевому вектору $\vec{a}$ тогда и только тогда, когда существует единственное число $k$, такое что $\vec{b} = k\vec{a}$.