Przejdź do treści
Geometria analityczna

Jak obliczyć kąt między wektorami i prostymi - wzory i zadania maturalne krok po kroku

Jak obliczyć kąt między wektorami? Wzór przez iloczyn skalarny, kąt między prostymi, kąt nachylenia prostej. 6 rozwiązanych zadań maturalnych krok po kroku.

·4 min czytania

Kąt między wektorami lub prostymi to zagadnienie, które pojawia się na maturze zarówno podstawowej, jak i rozszerzonej. Brzmi trudno, ale cała tajemnica tkwi w jednym wzorze na iloczyn skalarny. Jak go zrozumiesz, liczysz kąt w 30 sekund. W tym poradniku pokażę ci wszystkie podejścia - od wektorów przez proste do kąta nachylenia.

Wzór na kąt między wektorami

Jeśli masz dwa niezerowe wektory u=[u1,u2]\vec{u} = [u_1, u_2] i v=[v1,v2]\vec{v} = [v_1, v_2], to kąt α\alpha między nimi wyznaczasz ze wzoru:

cosα=uvuv\cos\alpha = \frac{\vec{u} \circ \vec{v}}{|\vec{u}| \cdot |\vec{v}|}

gdzie:

uv=u1v1+u2v2(iloczyn skalarny)\vec{u} \circ \vec{v} = u_1 v_1 + u_2 v_2 \quad \text{(iloczyn skalarny)} u=u12+u22(długosˊcˊ wektora)|\vec{u}| = \sqrt{u_1^2 + u_2^2} \quad \text{(długość wektora)}

Kąt α\alpha mieści się w przedziale [0°,180°][0°, 180°] lub [0,π][0, \pi] w radianach.

Kiedy wektory są prostopadłe

Kluczowa własność: wektory są prostopadłe, gdy ich iloczyn skalarny wynosi 0.

uv    uv=0    u1v1+u2v2=0\vec{u} \perp \vec{v} \iff \vec{u} \circ \vec{v} = 0 \iff u_1 v_1 + u_2 v_2 = 0

To najczęściej testowany wzór na maturze. Nie musisz nawet liczyć kąta - wystarczy sprawdzić iloczyn skalarny.

Przykłady - wektory

Przykład 1: Kąt między wektorami

0/3

Oblicz kąt między wektorami u=[1,2]\vec{u} = [1, 2] i v=[3,1]\vec{v} = [3, 1].

Pokaż rozwiązanie

Rozwiązanie:

Iloczyn skalarny:

uv=13+21=5\vec{u} \circ \vec{v} = 1 \cdot 3 + 2 \cdot 1 = 5

Długości:

u=1+4=5|\vec{u}| = \sqrt{1 + 4} = \sqrt{5} v=9+1=10|\vec{v}| = \sqrt{9 + 1} = \sqrt{10}

Kosinus:

cosα=5510=550=552=12=22\cos\alpha = \frac{5}{\sqrt{5} \cdot \sqrt{10}} = \frac{5}{\sqrt{50}} = \frac{5}{5\sqrt{2}} = \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2}

Z tabeli wartości funkcji trygonometrycznych: cos45°=22\cos 45° = \frac{\sqrt{2}}{2}.

Odpowiedź:

α=45°\alpha = 45°.

Przykład 2: Sprawdzenie prostopadłości

0/3

Czy wektory a=[4,2]\vec{a} = [4, -2] i b=[1,2]\vec{b} = [1, 2] są prostopadłe?

Pokaż rozwiązanie

Rozwiązanie:

Liczymy iloczyn skalarny:

ab=41+(2)2=44=0\vec{a} \circ \vec{b} = 4 \cdot 1 + (-2) \cdot 2 = 4 - 4 = 0

Iloczyn skalarny wynosi 0, więc wektory są prostopadłe.

Odpowiedź:

Tak, ab\vec{a} \perp \vec{b}.

Przykład 3: Wyznaczanie parametru

0/3

Dla jakiej wartości mm wektory u=[m1,3]\vec{u} = [m - 1, 3] i v=[2,m+4]\vec{v} = [2, m + 4] są prostopadłe?

Pokaż rozwiązanie

Rozwiązanie:

Warunek prostopadłości: uv=0\vec{u} \circ \vec{v} = 0:

(m1)2+3(m+4)=0(m - 1) \cdot 2 + 3 \cdot (m + 4) = 0 2m2+3m+12=02m - 2 + 3m + 12 = 0 5m+10=05m + 10 = 0 m=2m = -2
Odpowiedź:

m=2m = -2.

Kąt między prostymi

Dla dwóch prostych możemy policzyć kąt na dwa sposoby:

Sposób 1: Przez wektory kierunkowe

Każda prosta ma wektor kierunkowy (wektor wzdłuż tej prostej). Dla prostej y=ax+by = ax + b wektor kierunkowy to [1,a][1, a].

Stosujemy wzór na kąt między wektorami, ale kąt między prostymi jest zawsze w [0°,90°][0°, 90°], więc bierzemy wartość bezwzględną kosinusa:

cosα=uvuv\cos\alpha = \frac{|\vec{u} \circ \vec{v}|}{|\vec{u}| \cdot |\vec{v}|}

Sposób 2: Przez współczynniki kierunkowe

Dla prostych y=a1x+b1y = a_1 x + b_1 i y=a2x+b2y = a_2 x + b_2:

tanα=a1a21+a1a2\tan\alpha = \left|\frac{a_1 - a_2}{1 + a_1 a_2}\right|

Proste są prostopadłe, gdy a1a2=1a_1 \cdot a_2 = -1. Proste są równoległe, gdy a1=a2a_1 = a_2.

Przykład 4: Kąt między prostymi

0/2

Oblicz kąt między prostymi y=x+2y = x + 2 i y=3x+1y = -3x + 1.

Pokaż rozwiązanie

Rozwiązanie:

a1=1a_1 = 1, a2=3a_2 = -3. Ze wzoru:

tanα=1(3)1+1(3)=42=2\tan\alpha = \left|\frac{1 - (-3)}{1 + 1 \cdot (-3)}\right| = \left|\frac{4}{-2}\right| = 2

Z kalkulatora: α=arctan263,43°\alpha = \arctan 2 \approx 63{,}43°.

Odpowiedź:

α63°\alpha \approx 63°.

Przykład 5: Prostopadłość prostych

0/2

Znajdź równanie prostej prostopadłej do y=2x5y = 2x - 5 i przechodzącej przez punkt (3,1)(3, 1).

Pokaż rozwiązanie

Rozwiązanie:

Współczynnik kierunkowy prostej prostopadłej: a2=1a1=12a_2 = -\frac{1}{a_1} = -\frac{1}{2}.

Ze wzoru na równanie prostej przez jeden punkt:

y1=12(x3)y - 1 = -\frac{1}{2}(x - 3) y=12x+32+1y = -\frac{1}{2}x + \frac{3}{2} + 1 y=12x+52y = -\frac{1}{2}x + \frac{5}{2}
Odpowiedź:

y=12x+52y = -\frac{1}{2}x + \frac{5}{2}.

Kąt nachylenia prostej

Inna wersja pytania: "pod jakim kątem prosta przecina oś OX?" Dla prostej y=ax+by = ax + b:

tanα=a\tan\alpha = a

gdzie α\alpha to kąt nachylenia prostej do osi OX (mierzony przeciwnie do ruchu wskazówek zegara).

Przykład 6: Kąt nachylenia

Jaki kąt z osią OX tworzy prosta y=3x2y = \sqrt{3}x - 2?

Pokaż rozwiązanie

Rozwiązanie:

tanα=3\tan\alpha = \sqrt{3}.

Z tabeli: tan60°=3\tan 60° = \sqrt{3}.

Odpowiedź:

α=60°\alpha = 60°.

Kąt między wektorami zaczepionymi w punktach

Czasem na maturze nie masz wektorów, tylko trzy punkty AA, BB, CC. Wtedy kąt przy wierzchołku BB to kąt między wektorami BA\vec{BA} i BC\vec{BC}.

Przykład 7: Kąt w trójkącie

Oblicz kąt ABC\angle ABC w trójkącie o wierzchołkach A=(1,0)A = (1, 0), B=(0,0)B = (0, 0), C=(1,1)C = (1, 1).

Pokaż rozwiązanie

Rozwiązanie:

Wektory z wierzchołka BB:

BA=AB=[1,0]\vec{BA} = A - B = [1, 0] BC=CB=[1,1]\vec{BC} = C - B = [1, 1]

Iloczyn skalarny: 11+01=11 \cdot 1 + 0 \cdot 1 = 1.

Długości: BA=1|\vec{BA}| = 1, BC=2|\vec{BC}| = \sqrt{2}.

cosα=112=22\cos\alpha = \frac{1}{1 \cdot \sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2}
Odpowiedź:

ABC=45°\angle ABC = 45°.

Algorytm na maturę

  1. 1.Zidentyfikuj typ zadania:

- Wektory w postaci współrzędnych? Używaj iloczynu skalarnego.
- Proste w postaci y=ax+by = ax + b? Możesz użyć wzoru na tangens.
- Punkty na płaszczyźnie? Najpierw zbuduj wektory, potem iloczyn skalarny.
  1. 2.Jeśli pytają tylko o prostopadłość - sprawdzaj iloczyn skalarny =0= 0 lub a1a2=1a_1 \cdot a_2 = -1.
  2. 3.Jeśli pytają o konkretny kąt - użyj wzoru z kosinusem i rozpoznaj wartość z tabeli trygonometrycznej.
  3. 4.Zawsze uprość wynik (np. 12=22\frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2} - zobacz usuwanie niewymierności z mianownika).

Typowe błędy

Błąd 1: Złe znaki we współrzędnych wektora. Wektor AB=BA\vec{AB} = B - A, nie ABA - B. Dla A=(1,2)A = (1, 2), B=(4,5)B = (4, 5) mamy AB=[3,3]\vec{AB} = [3, 3]. Odwrotna kolejność daje wektor przeciwny.

Błąd 2: Zapominanie o wartości bezwzględnej przy kątach prostych. Kąt między prostymi jest w [0°,90°][0°, 90°]. Dla wektorów w [0°,180°][0°, 180°]. Różnica: dla prostych bierzesz cosα|\cos\alpha|, dla wektorów zwykły cosα\cos\alpha (może być ujemny dla kątów rozwartych).

Błąd 3: Mylenie iloczynu skalarnego z mnożeniem wektorów przez liczbę. uv\vec{u} \circ \vec{v} to LICZBA (iloczyn skalarny). kuk \cdot \vec{u} to WEKTOR (wektor pomnożony przez skalar). To dwie różne operacje.

Błąd 4: Niewłaściwe wyznaczenie wektora kierunkowego. Dla prostej y=2x+3y = 2x + 3 wektor kierunkowy to [1,2][1, 2] (lub dowolna jego krotność). Dla prostej w postaci ogólnej Ax+By+C=0Ax + By + C = 0, wektor kierunkowy to [B,A][B, -A], a wektor normalny to [A,B][A, B].

Błąd 5: Zapominanie o nieoczywistym prostokątnym trójkącie. Jeśli pytają o kąt w trójkącie i widzisz długości boków, sprawdź najpierw czy to nie trójkąt prostokątny (z twierdzenia Pitagorasa). Czasem wystarczy to.

Kąt między wektorami w kontekście maturalnym

Na maturze podstawowej kąt między prostymi pojawia się w:

  • zadaniach o prostych równoległych lub prostopadłych
  • zadaniach z kątem nachylenia do osi OX

Na rozszerzonej:

  • iloczyn skalarny wektorów
  • kąty w trójkątach i czworokątach zadanych współrzędnymi
  • wektory 3D (rozszerzenie)

Sprawdź nasz przewodnik po geometrii analitycznej oraz poradnik o układzie współrzędnych, gdzie wektory łączą się z odległościami i środkami odcinków.

Co musisz umieć - checklista

  • Obliczać iloczyn skalarny dwóch wektorów
  • Obliczać długość wektora
  • Stosować wzór cosα=uvuv\cos\alpha = \frac{\vec{u} \circ \vec{v}}{|\vec{u}||\vec{v}|}
  • Sprawdzać prostopadłość wektorów (iloczyn skalarny = 0)
  • Sprawdzać prostopadłość prostych (a1a2=1a_1 \cdot a_2 = -1)
  • Obliczać kąt między prostymi ze współczynników kierunkowych
  • Wyznaczać kąt nachylenia prostej do osi OX
  • Obliczać kąty w trójkącie zadanym współrzędnymi wierzchołków

Przećwicz na zadaniach z geometrii analitycznej - mamy 280 zadań maturalnych. Sprawdź też powiązane tematy: równanie prostej i wartości funkcji trygonometrycznych.

Następny krok Losuj kolejne zadanie

Kategoria: Geometria analityczna

Zobacz wszystkie

Przestań szukać, zacznij ćwiczyć

Masz tu wszystko czego potrzebujesz do matury. Prawdziwe zadania CKE z rozwiązaniami krok po kroku, filmy i śledzenie postępu.

2376

zadań CKE

2000+

rozwiązań

1537

filmów

Ćwicz w aplikacji Sprawna Matura

Te same zadania CKE z rozwiązaniami, brudnopis i kalkulator, także offline.

Pobierz z App StorePobierz z Google Play