Vzdialenosť priamky a roviny (v štvorrozmere)

Moderators: Martin Sleziak, Ludovit_Balko, Martin Niepel, Tibor Macko

Post Reply
Martin Sleziak
Posts: 5689
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Vzdialenosť priamky a roviny (v štvorrozmere)

Post by Martin Sleziak »

Nájdite vzdialenosť priamky $p$ a roviny $\alpha$ v priestore $\mathbb R^4$:
\begin{align*}
p&=\{(1,2+s,2+s,1); s\in\mathbb R\}\\
\alpha&=\{(-1+2t,2+t+u,2-u,-1-t-u); t,u\in\mathbb R\}
\end{align*}
Podobných príkladov je tu na fóre vyriešených viacero - nejaké linky som dal vo vlákne k cvičeniam.
Aj tak zopakujem nejaké možnosti ako sa to dá rátať a ako vyjdú výpočty pre túto konkrétnu úlohu.
Martin Sleziak
Posts: 5689
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Re: Vzdialenosť priamky a roviny (v štvorrozmere)

Post by Martin Sleziak »

Riešenie

Oplatí sa uvedomiť, že máme veci dimenzií $1+2=3$. Kodimenzia je $1$. (Sme v štvorrozmere. Toto ešte treba overiť, ale napíšem už tu že priamka $p$ nie je rovnobežná s rovinou $\alpha$.)
Pripomeniem, že priemet na jednorozmerný podpriestor vieme hľadať ľahko. (T.j. ak si môžem vybrať či idem permietať na trojrozmerný alebo jednorozmerný podpriestor, môže sa viac oplatiť ten jednorozmerný.)

Priamka je určená bodom $P=(1,2,2,1)$ a smerovým vektorom $\vec u=(0,1,1,0)$; rovina je určená bodom $Q=(-1,2,2,-1)$ a vektormi $\vec v=(2,1,0,-1)$, $\vec w=(0,1,-1,-1)$.

Pomocná nadrovina.
Zoberiem si dané tri vektory, úpravou na RTM zistím, že sú nezávislé a viem nájsť aj vektor, ktorý je na ne kolmý. (To bude normálový vektor pomocnej nadroviny.)
$\begin{pmatrix}
0 & 1 & 1 & 0 \\
2 & 1 & 0 &-1 \\
0 & 1 &-1 &-1 \\
\end{pmatrix}\sim\dots\sim
\begin{pmatrix}
2 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 1 \\
\end{pmatrix}
$
Normálový vektor je $(1,2,-2,4)$.
Spoiler:
$\begin{pmatrix}
0 & 1 & 1 & 0 \\
2 & 1 & 0 &-1 \\
0 & 1 &-1 &-1 \\
\end{pmatrix}\sim$ $
\begin{pmatrix}
2 & 1 & 0 &-1 \\
0 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 1 &-1 &-1 \\
\end{pmatrix}\sim$ $
\begin{pmatrix}
2 & 1 & 0 &-1 \\
0 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 0 &-2 &-1 \\
\end{pmatrix}\sim$ $
\begin{pmatrix}
2 & 0 &-1 &-1 \\
0 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 1 \\
\end{pmatrix}\sim$ $
\begin{pmatrix}
2 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 1 \\
\end{pmatrix}
$
Budeme teda používať nadrovinu tvaru $x_1+2x_2-2x_3+4x_4+d=0$, ešte potrebujeme parameter $d$.
Nadrovina prechádzajúca bodom $Q=(-1,2,2,-1)$ je
$$x_1+2x_2-2x_3+4x_4+5=0.$$
Vzdialenosť bodu $P=(1,2,2,1)$ od tejto nadroviny je
$$\frac{1+2\cdot2-2\cdot2+4+5}{\sqrt{1^2+2^2+(-2)^2+4^2}}=\frac{10}{\sqrt{25}}=\frac{10}5=2.$$

Kolmý priemet.
Chceme zrátať dĺžku priemetu vektora $\overrightarrow{PQ}$ do $S^\bot$, kde $S$ je podpriestor generovaný vektormi $\vec u$, $\vec v$, $\vec w$.
(Je to v princípe to isté, čo sme rátali pred chvíľou, iba posunuté.)

Mám body $P=(1,2,2,1)$, $Q=(-1,2,2,-1)$ a vektor $\overrightarrow{PQ}=(-2,0,0,-2)$.
Jednotkový vektor v smere, do ktorého premietam, je $\vec u=\frac15(1,2,-2,4)$.
Skalárny súčin je $\langle\overrightarrow{PQ},\vec u\rangle=-2$, čo nám dáva dĺžku kolmého priemetu rovnú $\underline{\underline{2}}$ a priemet je $-2\vec u$.

Môžeme aj spočítať maticu kolmého priemetu do smeru $\vec u$, ktorá je
$$P'=\vec u^T \vec u = \frac1{25}\begin{pmatrix}1\\2\\-2\\4\end{pmatrix}(1,2,-2,4)=
\frac1{25}\begin{pmatrix}
1 & 2 &-2 & 4 \\
2 & 4 &-4 & 8 \\
-2 &-4 & 4 &-8 \\
4 & 8 &-8 & 16
\end{pmatrix}
$$


Kolmý priemet - výpočet matice zobrazenia.
Ak poznáme vektory generujúce podpriestor a jeho ortogonálny doplnok, tak už môžeme maticu projekcie dopočítať štandardným spôsobom:
$\left(\begin{array}{cccc|cccc}
2 & 0 & 1 & 0 & 2 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 1 & 0 & 0 & 2 & 1 \\
1 & 2 &-2 & 4 & 0 & 0 & 0 & 0
\end{array}\right)\sim\dots\sim
\left(\begin{array}{cccc|cccc}
1 & 0 & 0 & 0 & \frac{24}{25} & -\frac2{25} & \frac2{25} & -\frac4{25} \\
0 & 1 & 0 & 0 &-\frac2{25} & \frac{21}{25} & \frac4{25} & -\frac8{25} \\
0 & 0 & 1 & 0 &\frac2{25} &\frac4{25} &\frac{21}{25}&\frac8{25} \\
0 & 0 & 0 & 1 &-\frac4{25} &-\frac8{25} & \frac8{25} & \frac9{25}
\end{array}\right)$
Spoiler:
$\left(\begin{array}{cccc|cccc}
2 & 0 & 1 & 0 & 2 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 1 & 0 & 0 & 2 & 1 \\
1 & 2 &-2 & 4 & 0 & 0 & 0 & 0
\end{array}\right)\sim$ $
\left(\begin{array}{cccc|cccc}
2 & 0 & 1 & 0 & 2 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 1 & 0 & 0 & 2 & 1 \\
1 & 0 &-4 & 4 & 0 &-2 &-2 & 0
\end{array}\right)\sim$ $
\left(\begin{array}{cccc|cccc}
2 & 0 & 1 & 0 & 2 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 1 & 0 & 0 & 2 & 1 \\
1 & 0 &-12& 0 & 0 &-2 &-10&-4
\end{array}\right)\sim$ $
\left(\begin{array}{cccc|cccc}
2 & 0 & 1 & 0 & 2 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 1 & 0 & 0 & 2 & 1 \\
2 & 0 &-24& 0 & 0 &-4 &-20&-8
\end{array}\right)\sim$ $
\left(\begin{array}{cccc|cccc}
2 & 0 & 1 & 0 & 2 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 1 & 0 & 0 & 2 & 1 \\
0 & 0 &-25& 0 &-2 &-4 &-21&-8
\end{array}\right)\sim$ $
\left(\begin{array}{cccc|cccc}
2 & 0 & 1 & 0 & 2 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 1 & 0 & 0 & 2 & 1 \\
0 & 0 & 1 & 0 &\frac2{25} &\frac4{25} &\frac{21}{25}&\frac8{25}
\end{array}\right)\sim$ $
\left(\begin{array}{cccc|cccc}
2 & 0 & 0 & 0 & \frac{48}{25} & -\frac4{25} & \frac4{25} & -\frac8{25} \\
0 & 1 & 0 & 0 &-\frac2{25} & \frac{21}{25} & \frac4{25} & -\frac8{25} \\
0 & 0 & 0 & 1 &-\frac4{25} &-\frac8{25} & \frac8{25} & \frac9{25} \\
0 & 0 & 1 & 0 &\frac2{25} &\frac4{25} &\frac{21}{25}&\frac8{25}
\end{array}\right)\sim$ $
\left(\begin{array}{cccc|cccc}
1 & 0 & 0 & 0 & \frac{24}{25} & -\frac2{25} & \frac2{25} & -\frac4{25} \\
0 & 1 & 0 & 0 &-\frac2{25} & \frac{21}{25} & \frac4{25} & -\frac8{25} \\
0 & 0 & 1 & 0 &\frac2{25} &\frac4{25} &\frac{21}{25}&\frac8{25} \\
0 & 0 & 0 & 1 &-\frac4{25} &-\frac8{25} & \frac8{25} & \frac9{25}
\end{array}\right)
$
Dostali sme maticu projekcie
$$P=
\begin{pmatrix}
\frac{24}{25} & -\frac2{25} & \frac2{25} & -\frac4{25} \\
-\frac2{25} & \frac{21}{25} & \frac4{25} & -\frac8{25} \\
\frac2{25} &\frac4{25} &\frac{21}{25}&\frac8{25} \\
-\frac4{25} &-\frac8{25} & \frac8{25} & \frac9{25}
\end{pmatrix}=
\frac1{25}
\begin{pmatrix}
24&-2 & 2 &-4 \\
-2 & 21& 4 &-8 \\
2 & 4 & 21& 8 \\
-4 &-8 & 8 & 9 \\
\end{pmatrix}
$$
Pomocou nej môžeme zrátať priemet vektor $\overrightarrow{PQ}=(-2,0,0,-2)$, ktorý sa rovná
$\vec p=\overrightarrow{PQ}\cdot P = (-\frac85,\frac45,-\frac45,-\frac25)=-\frac25(4,2,-2,-1)$. Priemet do ortogonálneho doplnku dostaneme ako rozdiel
$$\overrightarrow{PQ}-\vec p = (-2,0,0,-2) - (-\frac85,\frac45,-\frac45,-\frac25) = (-\frac25,-\frac45,\frac45,-\frac85) = -\frac25(1,2,-2,4).$$
Dĺžka tohoto vektora (a teda aj vzdialenosť) je $\underline{\underline{2}}$.

(Túto istú maticu sme mohli dostať aj z predošlého postupu, pretože vieme, že $P+P'=I$. Azda vidno, že tam sme mali oveľa menej počítania a o dosť menej príležitostí na numerické chyby.)
Martin Sleziak
Posts: 5689
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Re: Vzdialenosť priamky a roviny (v štvorrozmere)

Post by Martin Sleziak »

Chyby vo vašich riešeniach.

V jednej z písomiek sa tvrdilo, že ak si vezmeme bod $P\in P$, tak nám stačí vyrátať jeho kolmý priemet $P^\bot$ do zadanej roviny a vzdialenosť bude
$$\rho(p,\alpha)=|P,P^\bot|.$$
Takéto niečo by fungovalo ak sú rovina a priamka rovnobežné, vo všeobecnosti to neplatí. (Zadaná priamka a rovina rovnobežné nie sú, takže tu to fungovať nebude. Resp. fungovalo by to ak by ste mali akurát šťastie, že ste si vybrali práve ten bod $P\in p$ pre ktorý je úsečka $PP^\bot$ stredná priečka. Ale spoliehať sa na to, že akurát trafím bod pre ktorý mi to vyjde, asi nie je optimálna stratégia.)
Bolo to síce niečo úplne iné ako bolo treba rátať, ale ak niekto skúšal vypočítať $P^\bot$ a chce si pozrieť kde má vo výpočte chybu, tak správne by malo vyjsť $P^\bot=(\frac37,\frac{11}7,\frac{22}7,-\frac47)$. (Ak som sa teda nepomýlil ja, ale nižšie je aj skúška správnosti.)
Tým čo sa snažili rátať $P^\bot$ a mali tam aspoň postup, ktorý by mohol viesť k cieľu ak by bol dorátaný (a bez numerických chýb) som dal polovicu bodov. (Síce ste rátali niečo iné, než bolo treba - ale zasa ste ukázali, že aspoň niečo z tejto témy viete.)
Spoiler:
Môžete skontrolovať, že
$\overrightarrow{PP^\bot} = P^\bot - P = (\frac37,\frac{11}7,\frac{22}7,-\frac47) - (1,2,2,1) = (-\frac47,-\frac37,\frac87,-\frac{11}7)$
$\overrightarrow{QP^\bot} = P^\bot - Q = (\frac37,\frac{11}7,\frac{22}7,-\frac47) - (-1,2,2,-1) = (\frac{10}7,-\frac37,\frac87,\frac37)$
Naša rovina je určená vektormi $\vec v=(2,1,0,-1)$, $\vec w=(0,1,-1,-1)$.
Môžeme skontrolovať, že
$$\overrightarrow{QP^\bot} = \frac57\vec v-\frac87\vec w,$$
teda bod $P^\bot$ naozaj leží v rovine $\alpha$.
Takisto sa dá priamym výpočtom skontrolovať, že
$$\langle\overrightarrow{PP^\bot},\vec v\rangle=\langle\overrightarrow{PP^\bot},\vec w\rangle=0$$
čiže vektor $\overrightarrow{PP^\bot}$ je skutočne kolmý na rovinu $\alpha$.

Tiež si môžeme všimnúť, že $|P,P^\bot|\ge 2=\rho(p,\alpha)$; toto platí pre ľubovoľnú dvojicu bodov kde jeden je z $p$ a druhý je $\alpha$, hľadaná vzdialenosť je práve minimum vzdialeností takýchto dvojíc.
Post Reply