Тетраэдр ABCD в трехмерном пространстве задан координатами вершин A(4, 1, -1), B(5,4,1), С(7, 3,0), D(6, 4, 0). Найдите его объём с помощью определителя, используя векторы АВ, АС и AD, и укажите ориентацию упорядоченной тройки векторов (АВ,АС,AD). Проверьте ответ, используя упорядоченную тройку векторов (ВА, ВС, BD). Какой ориентации эта упорядоченная тройка?
Для нахождения объёма тетраэдра можно использовать определитель матрицы, составленной из векторов, emanating из одной вершины. В данном случае, мы возьмем точку A и посчитаем объем тетраэдра ABCD через векторы AB, AC и AD.
1. Найдем векторы:
[
\vec{AB} = B - A = (5 - 4, 4 - 1, 1 + 1) = (1, 3, 2)
]
[
\vec{AC} = C - A = (7 - 4, 3 - 1, 0 + 1) = (3, 2, 1)
]
[
\vec{AD} = D - A = (6 - 4, 4 - 1, 0 + 1) = (2, 3, 1)
]
2. Строим матрицу из векторов (\vec{AB}, \vec{AC}, \vec{AD}):
[
M = \begin{pmatrix}
1 & 3 & 2 \
3 & 2 & 3 \
2 & 1 & 1
\end{pmatrix}
]
3. Найдем определитель этой матрицы:
[
\text{det}(M) = 1 \cdot \begin{vmatrix} 2 & 3 \ 1 & 1 \end{vmatrix} - 3 \cdot \begin{vmatrix} 3 & 3 \ 2 & 1 \end{vmatrix} + 2 \cdot \begin{vmatrix} 3 & 2 \ 2 & 1 \end{vmatrix}
]
- Вычислим минор:
[
\begin{vmatrix} 2 & 3 \ 1 & 1 \end{vmatrix} = 2 \cdot 1 - 3 \cdot 1 = -1
]
[
\begin{vmatrix} 3 & 3 \ 2 & 1 \end{vmatrix} = 3 \cdot 1 - 3 \cdot 2 = 3 - 6 = -3
]
[
\begin{vmatrix} 3 & 2 \ 2 & 1 \end{vmatrix} = 3 \cdot 1 - 2 \cdot 2 = 3 - 4 = -1
]
Теперь подставим значения:
[
\text{det}(M) = 1 \cdot (-1) - 3 \cdot (-3) + 2 \cdot (-1) = -1 + 9 - 2 = 6
]
4. Объем тетраэдра можно вычислить как:
[
V = \frac{1}{6} |\text{det}(M)| = \frac{1}{6} \cdot 6 = 1
]
Таким образом, объём тетраэдра (ABCD) равен 1.
Теперь проверим объём, использую векторы ( \vec{BA}, \vec{BC}, \vec{BD} ).
1. Найдем векторы:
[
\vec{BA} = A - B = (4 - 5, 1 - 4, -1 - 1) = (-1, -3, -2)
]
[
\vec{BC} = C - B = (7 - 5, 3 - 4, 0 - 1) = (2, -1, -1)
]
[
\vec{BD} = D - B = (6 - 5, 4 - 4, 0 - 1) = (1, 0, -1)
]
2. Строим матрицу:
[
N = \begin{pmatrix}
-1 & 2 & 1 \
-3 & -1 & 0 \
-2 & -1 & -1
\end{pmatrix}
]
3. Найдем определитель:
[
\text{det}(N) = -1 \cdot \begin{vmatrix} -1 & 0 \ -1 & -1 \end{vmatrix} - 2 \cdot \begin{vmatrix} -3 & 0 \ -2 & -1 \end{vmatrix} + 1 \cdot \begin{vmatrix} -3 & -1 \ -2 & -1 \end{vmatrix}
]
- Вычислим минор:
[
\begin{vmatrix} -1 & 0 \ -1 & -1 \end{vmatrix} = -1 \cdot (-1) - 0 \cdot (-1) = 1
]
[
\begin{vmatrix} -3 & 0 \ -2 & -1 \end{vmatrix} = -3 \cdot (-1) - 0 \cdot (-2) = 3
]
[
\begin{vmatrix} -3 & -1 \ -2 & -1 \end{vmatrix} = (-3)(-1) - (-1)(-2) = 3 - 2 = 1
]
Теперь подставим значения:
[
\text{det}(N) = -1 \cdot 1 - 2 \cdot 3 + 1 \cdot 1 = -1 - 6 + 1 = -6
]
Таким образом,
[
V = \frac{1}{6} |\text{det}(N)| = \frac{1}{6} \cdot 6 = 1,
]
Ориентация векторов ((AB, AC, AD)) и векторов ((BA, BC, BD)) разная, потому что определитель (\text{det}(N)) оказался отрицательным, но оба объёма тетраэдра равны, что подтверждает правильность расчётов.
Таким образом, объём тетраэдра (ABCD) равен 1, а ориентация векторов (АВ, АС, АD) и (ВА, ВС, ВD) противоположные.