Zadaci iz Nacrtne geometrije (drugi semestar) - Alas
Zadaci iz Nacrtne geometrije (drugi semestar) - Alas
Zadaci iz Nacrtne geometrije (drugi semestar) - Alas
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>Zadaci</strong> <strong>iz</strong> <strong>Nacrtne</strong> <strong>geometrije</strong> (<strong>drugi</strong> <strong>semestar</strong>)<br />
Srdjan Vukmirović<br />
August 19, 2003<br />
Aksiome projektivne <strong>geometrije</strong><br />
P1 Za ma koje 2 tačke A i B postoji tačno jedna prava a = AB kojoj pripadaju tačke A i B.<br />
P2 Svaka prava sadrži bar 3 tačke.<br />
P3 Za ma koje 3 nekolinearne tačke A, B, C postoji tačno jedna ravan α koja ih sadrži.<br />
P4 Ako dve tačke A i B prave a pripadaju ravni α tada i svaka tačka prave AB pripada ravni α.<br />
P5 Ako dve ravni imaju jednu zajedničku tačku A tada one imaju bar još jednu zajedničku tačku.<br />
P6 Ma koje dve prave a i b jedne ravni imaju bar jednu zajedničku tačku.<br />
R1 Za ma koje tri različite tačke A, B i C neke prave postoji tačka D te prave takva da je A, B ÷ C, D.<br />
R2 Ako je A, B ÷ C, D tada je C, D ÷ A, B.<br />
R3 Za ma koje četiri različite tačke A, B, C, D neke prave važi tačno jedan od iskaza A, B ÷ C, D, A, C ÷ B, D,<br />
A, D ÷ B, C.<br />
R4 Ma koje dve različite tačke A, B neke prave dele skup svih ostalih tačaka te prave na dve disjunktne klase, tako<br />
da su dve razne tačke u istoj klasi ako i samo ako ne razdvajaju par A, B.<br />
R5 Neka su a, b, c, d četiri prave nekog pramena i neka su p i p ′ dve prave koje ne pripadaju tom pramenu. Ako su<br />
A, B, C, D redom presečne tačke prave p sa pravama a, b, c, d i A ′ , B ′ , C ′ , D ′ redom presečne tačke prave p ′ sa<br />
pravama a, b, c, d tada A, B ÷ C, D povlači A ′ , B ′ ÷ C ′ , D ′ .<br />
D Neke je skup svih tačaka prave p podeljen na dva disjunktna podskupa M i N, od kojih svaki sadrži bar dve tačke<br />
tako da ma koji par tačaka podskupa M ne razdvaja ni jedan par tačaka podskupa N. Tada na pravoj p postoje<br />
tačno dve tačke A i B takve da za svaki par tačaka P , Q različitih od A, B važi da ako P ∈ M, Q ∈ N tada<br />
A, B ÷ P, Q.<br />
Zadatak 0.1 Skup od n(n ≥ 2) raznih tačaka jedne prave razlaže tu pravu na n projektivnih duži.<br />
Zadatak 0.2 Jedna prava projektivne ravni ne razlaže tu ravan, dve prave razlažu ravan na dve oblasti, tri prave koje<br />
se ne seku u jednoj tački razlažu tu ravan na četiri oblasti. Dokazati.
1 Dezargova teorema i harmonijska konjugovanost<br />
Teorema 1.1 (Dezargova direktna i obratna) Neka su ABC i A ′ B ′ C ′ dva trotemenika. Prave AA ′ , BB ′ i CC ′<br />
sadrže jednu tačku (centar perspektive) ako i samo ako presčne tačke odgovarajućih stranica AB × A 1 B 1 , BC × B 1 C 1<br />
i CA × C 1 A 1 pripadaju jednoj pravoj (osa perspektive).<br />
Definicija 1.1 (Harmonijska konjugovanost) Par tačaka P, Q je harmonijski konjugovan paru tačaka R, S (pišemo<br />
H(P, Q; R, S)) ako postoji četvorotemnik A, B, C, D takav da je AB × CD = Q, AD × BC = P , DB × P Q = R,<br />
AC × P Q = S.<br />
Zadatak 1.1 Dat je četvorotemenik ABCD. Prave AB i CD se seku u tački U prave AC i BD u tački V , prava UV<br />
seče prave AD i BC redom u tačkama F i G, a prava BF seče pravu AC u tački L. Dokazati da se prave LG, CF AU<br />
seku u jednoj tački.<br />
Zadatak 1.2 Parovi pravih BC, AD; CA, BD; AB, CD odredjeni temenima četvorotemenika ABCD seku se redom u<br />
tačkama X, Y, Z. Prava XZ seče pravu AC u tački R i pravu BD u tački S. Dokazati da prave DR, AS i Y Z prolaze<br />
kroz jednu tačku.<br />
Zadatak 1.3 Svaka dva od tri trotemenika su u perspektivnom položaju u odnosu na isti centar. Dokazati da se njihove<br />
ose perspektive seku u jednoj tački.<br />
Zadatak 1.4 Tačka O priada ravni trotemenika ABC, a ne pripada ni jednoj njegovoj stranici. Prave AO, BO,<br />
CO seku prave BC, CA, AB redom u tačkama P, Q, R. Prave QR, RP, P Q seku prave BC, CA, AB redom u tačkama<br />
L, M, N. Dokazati da su tačke L, M, N kolinearne.<br />
Zadatak 1.5 Ako se pet parova odgovarajućih stranica dva četvorotemenika seku u tačkama jedne prave onda se i sešti<br />
par stranica seče u tački iste prave.<br />
Zadatak 1.6 U pro<strong>iz</strong>voljan četvorougao Euklidske ravni upisan je trapez čije su osnovice paralelen jednoj dijagonali<br />
četvorougla. Dokazati da se bočne strane trapeza seku na drugoj dijagonali četvorougla.<br />
Zadatak 1.7 Primenom Dezargove teoreme rešiti seldeće konstruktivne zadatke Euklidske ravni:<br />
(i) Date su prave a i a ′ koje se seku u tački S van crteža i tačka P van pravih a i a ′ . Konstruisati pravu P S.<br />
(ii) Date su paralelne prave a i b i tačka P koja im ne pripada. Koristeći samo lenjir, kroz tačaku P konstruisati<br />
pravu s paralelnu pravama a i b.<br />
(iii) Data je prava c i tačke A i B koje joj ne pripadaju. Konstruisati presečnu tačku pravih c i AB bez konstrukcije<br />
prave AB.<br />
Zadatak 1.8 Neka prave a, b, c, d jednog pramena seku pravu p u tačkama A, B, C, D, a pravu p ′ u tačkama A ′ , B ′ , C ′ , D ′ ,<br />
redom. Dokazati da H(A, B; C, D) povlači H(A ′ , B ′ ; C ′ , D ′ ).<br />
Uputstvo: Dokazati prvo slučaj A = A ′ .<br />
Zadatak 1.9 Definisati harmonijsku konjugovanost pravih H(a, b; c, d) dualno definiciji 1.1.<br />
Zadatak 1.10 Dokazati da važi H(a, b; c, d) u smislu Zadatka 1.9 ako i samo ako neka (a zato i svaka) prava x seče<br />
prave a, b, c, d u tačkama redom A, B, C, D takvim da važi H(A, B; C, D)<br />
Zadatak 1.11 Neka je O pro<strong>iz</strong>voljna tačka u ravni trotemenika ABC koja ne pripada nijednoj njegovoj stranici. Konstruisati<br />
pravu koja prolazi kroz tačku O i seče prave BC, CA i AB redom u tačkama X, Y, Z tako da važi H(O, X; Y, Z).<br />
Zadatak 1.12 U ravni su date tavķe M i N i tačka O van njih. Pro<strong>iz</strong>voljna prava a ∋ O seče prave M i N redom u<br />
tačkama A i B, a pro<strong>iz</strong>voljna prava b ∋ O u tačkama C i D, redom. Odrediti geometrijsko mesto preseka AD × BC.
2 Projektivna preslikavanja jednodimenzionih mnogostrukosti<br />
Jednodimenzione projektivne mnogostrukosti su:<br />
• pramen tačaka (tačke jedne prave)<br />
• pramen pravih (prave kroz jednu tačku ravni)<br />
• pramen ravni (ravni kroz jednu pravu)<br />
Prva dva tipa su dualna u ravni, a prvi i treći su dualni u prostoru tako da je dovoljno razmatrati svojstva pramena<br />
tačaka p .<br />
Definicija 2.1 Bijekcija f : ω → ω ′ jednodimenzionih mnogostrukosti je projektivno reslikavanje ako čuva harmonijsku<br />
konjugovanost.<br />
Teorema 2.1 (Štautova teorema) Projektivno preslikavanje jednodimenzione mnogostrukosti na sebe jedinstveno je<br />
odredjeno slikama tri elementa.<br />
Zadatak 2.1 Projektivno preslikavanje f : ω ∧ ω ′ jednodimenzionih mnogostrukosti je perspektivno ako i samo ako je<br />
zajednički element tih mnogostrukosti fiksan.<br />
Zadatak 2.2 Neka su A, B, C tri razne tačke prave p i A ′ , B ′ , C ′ tri razne tačke prave p ′ ≠ p Projektivno preslikavanje<br />
f : p ∧ p ′ slika tačke A, B, C redom u tačke A ′ , B ′ , C ′ . Konstruisati sliku D ′ pro<strong>iz</strong>voljne tačke D pri preslikavanju f.<br />
Zadatak 2.3 Uraditi prethodni zadatak kada je p = p ′ .<br />
Zadatak 2.4 (Paposova teorema) Ako su tačke A, B, C kolinearne i tačke A ′ , B ′ , C ′<br />
X = BC ′ × B ′ C, Y = AC ′ × A ′ C, Z = AB ′ × A ′ B kolinearne.<br />
kolinearne tada su i tačke<br />
3 Projektivna preslikavanja dvodimenzionih mnogostrukosti<br />
Dvodimenzione projektivne mnogostrukosti su:<br />
• polje tačaka (tačke jedne ravni)<br />
• polje pravih pravih (prave jedne ravni)<br />
• snop ravni (ravni kroz jednu tačku)<br />
• snop pravih (prave kroz jednu tačku prostora)<br />
Prva dva tipa mnogostrukosti su medjusobno dualne u ravni, a druge dve u prostoru. Mi ćemo posebnu pažnju posvetiti<br />
prvim dvema.<br />
Definicija 3.1 Bijekcija f : π → π ′ dvodimenzionih mnogostrukosti je projektivno reslikavanje ako čuva harmonijsku<br />
konjugovanost. Ako su i π i π ′ polja tačaka preslikavanje f se naziva kolineacija.<br />
Zadatak 3.1 Neka su ABCD i A ′ B ′ C ′ D ′ četvorotemnici i f kolineacija projektivne ravni koja preslikava tačke A, B, C, D<br />
redom u tačke A ′ , B ′ , C ′ , D ′ . Konstruisati sliku M ′ date tačke M.<br />
Zadatak 3.2 Formulisati i uraditi zadatak dualan Zadatku 3.1.<br />
Zadatak 3.3 Neka su ABC i A ′ B ′ C ′ dva trougla proširene afine ravni. Konstruisati sliku M ′ pro<strong>iz</strong>voljne tačke M u<br />
afinom preslikavanju koje tačke A, B, C preslikava redom u tačke A ′ , B ′ , C ′ .
Zadatak 3.15 Data su prava s, tačka X 1 i trougao ABC. Odrediti prespektivno afino prelsikavanje čija je osa prava<br />
3.1 Homologije (perspektivna preslikavanja))<br />
<strong>Zadaci</strong> se odnose na proširenu Euklidsku ravan.<br />
• Centar S - tačka kroz koju je svaka prava fiksna.<br />
• Osa s - prava čija je svaka tačka fiksna.<br />
• Protivosa u - prava koja se slika u beskonačno daleku pravu<br />
• Protivosa inverznog preslikavanja v ′ - prava koja je slika beskonačno daleke prave<br />
Zadatak 3.4 Dokazati: s ‖ u ‖ v ′ .<br />
Zadatak 3.5 Dokazati da je homologija odredjena:<br />
1. Centrom S, osom S i slikom A ′ tačke A (A ≠ A ′ ).<br />
2. Centrom S, osom s i protivosom u.<br />
3. Centrom S, osom s i protivosom v ′ inverzne homologije.<br />
Zadatak 3.6 Konstruisati sliku trougla ABC pri prespektivnom preslikavanju kome su dati osa s, centar S i slika M ′<br />
tačke M.<br />
Zadatak 3.7 Dati su centar S, osa s i protivosa u perspektivnog preslikavanja f. Konstruisati sliku<br />
• duži CD, C ∈ u.<br />
• duži EF , EF × u = P .<br />
• pravih m i n takvih da m × n ∈ u.<br />
• kvadrata ABCD ako D ∈ u.<br />
• kvadrata ABCD ako u seče kvadrat u tačno dvema tav ckama.<br />
Zadatak 3.8 Konstruisati perspektivnu sliku pravilnog šestougla ABCDEF ako je centar perspektive presek dijagonala<br />
AB i BE, osa prava AB, a protivosa prava DE.<br />
Zadatak 3.9 Data je tačka S, prava s i četvorougao ABCD.Odrediti perspektivno preslikavanje čiji je centar tačka S,<br />
osa prava s i koji preslikava četvorougao ABCD u četvorougao čije su dijagonale normalne.<br />
3.2 Perspektivno afina preslikavanja<br />
Perspektivno preslikavanje sa centrom S i osom s je afino u sledećim slučajevima:<br />
1. S konačna, s = ∞. Preslikavanje je homotetija.<br />
2. s = ∞, S ∈ s. Preslikavanje je translacija.<br />
3. S ∈ ∞, s je konačna.<br />
Zadatak 3.10 Data je osa afinosti s i par odgovarajućih taǎka A i A ′ . Konstruisati lik prespektivno afin datom trouglu<br />
ABC.<br />
Zadatak 3.11 Konstruisati sliku datog kvadrata ABCD pri homotetiji kojoj je dat centar S i slika M ′ tačke M.<br />
Zadatak 3.12 Data su prava s, prava p i trougao ABC. Odrediti prespektivno afino preslikavanje čija je osa afinosti<br />
s, zraci afinosti paralelni pravoj p, a slika trougla ABC jednakokraki trougao A ′ B ′ C ′ .<br />
Zadatak 3.13 Data je osa afinosti s, par odgovarajućih pravih M i m ′ i prava paralelna zracima afinosti. Kostruisati<br />
prespektivno afinu sliku kvadrata ABCD takvog da A ∈ s, BD ⊂ m i duže BD je podudarna datoj duži d.<br />
Zadatak 3.14 Data je osa afinosti s i paralelogram ABCD Odrediti perspektivno afino preslikavanje u kom datom<br />
paralelogramu odgobara kvadrat.
4 Krive drugog reda i krive druge klase<br />
Zadatak 4.1 Kroz tačku D stranice BC trotemenika ABC prolazi prava p koja seče stranice AB i CA redom u tačkama<br />
B ′ i C ′ . Prave BC ′ i CB ′ se seku u tački M. Šta je geometrijsko mesto tačaka M kada prava p opisuje pramen sa<br />
središtem D?<br />
Zadatak 4.2 Na pravoj d koja sadrži teme A trotemenika ABC nalazi se tačka P koja sa temenima C i B odredjuje<br />
redom prave c i b. Presečne tačke b × AC i c × AB odredjuju pravu m. Šta je geometrijsko mesto pravih m kada P ∈ d.<br />
Zadatak 4.3 U ravni su date četiri prave a, b, c, d koje se seku u tački S i tačke P , Q i R van tih pravih. Tačke A,<br />
B, C i D su tačke redom pravih a, b, c i d takve da su trojke A, P, B; B, Q, C; C, R, D kolinearne. Dokazati da postoji<br />
tačka T takva da AD ∈ T za pro<strong>iz</strong>voljan <strong>iz</strong>bor tačaka A, B, C, D.<br />
Zadatak 4.4 Date su prave b i c i tačke X, Y i Z. Šta je geometrijsko mesto tačaka A takvih da stranice BC, CA i<br />
AB trotemenika ABC sadrže redom tačke X, Y i Z i da važi B ∈ b, C ∈ c.<br />
Zadatak 4.5 Date su tri nekolinearne tačke A, S, T i prava p koja ih ne sadrži. Odrediti šta je geometrijsko mesto<br />
pravih MN, M = AS × BT , N = AT × SB, za pro<strong>iz</strong>voljnu tačku B ∈ p.<br />
Rešiti sledeće konstruktivne zadatke na dva načina: primenom projektivnih preslikavanja i Paskalove ili Brianšonove<br />
teoreme. Formulisati dualne zadatke i rešiti ih.<br />
Zadatak 4.6 Dato je pet tačaka A, B, C, D, E nedegenerisane krive drugog reda i prava p kroz tačku E. a) Konstruisati<br />
drugu presečnu tačku prave p i krive. b) Konstruisati tangentu e u tački E.<br />
Zadatak 4.7 Dato je pet tangenata a, b, c, d, e nedegenerisane krive drugog reda i tačka P na tangenti e. a) Konstruisati<br />
drugu tangentu krive kroz tačku P. b) Naći dodirnu tačku tangente e.<br />
Zadatak 4.8 Date su četiri tačke A, B, C, D nedenerisane krive drugog reda, tangenta a u tački A i prava p koja sadrži<br />
tačku B. a) Konstruisati drugu presečnu tačku prave p i krive. b) Konstruisati tangentu krive u tački C.<br />
Zadatak 4.9 Date su četiri tačke A, B, C, D i tangenta a u tački A nedegenerisane krive drugog reda i tačka P na<br />
tangenti a. Odrediti drugu tangentu krive kroz tačku P.<br />
Zadatak 4.10 Date su tri tačke A, B, C i tangente a, b u tačkama redom A, B nedegenerisane krive drugog reda i prava<br />
p kroz tačku A. a) Konstruisati drugu presečnu tačku prave p i krive. b) Konstruisati tangentu c u tački C.<br />
Zadatak 4.11 Date su tangente a, b i c i dodirne tačke A i B tangenata a i b krive drugog reda i prava p kroz tačku<br />
A. Odrediti drugu presečnu tačku prave p i krive drugog reda.<br />
Rešiti konstruktivne zadatke euklidske ravni.<br />
Zadatak 4.12 Date su dve tačke M i N, tangenta m u tački M parabole i pravac o ose parabole. Odrediti tangentu<br />
parabole u tački N.<br />
Zadatak 4.13 Date su četiri tangente p, q, r, s parabole i tačka T na tangenti s. Odrediti drugu tangentu parabole<br />
kroz tačku T.<br />
Zadatak 4.14 Date su četiri tačke A, B, C, D i PRAVAC q jedne asimptote hiperbole. Odrediti a) Tangentu u tački<br />
A. b) Asimptotu čiji je pravac dat.<br />
Zadatak 4.15 Date su asimptota q hiperbole, pravac asimptote p, tangenta t, njena dodirna tačka T i tačka X na<br />
asimptoti q. Odrediti drugu tangentu hiperbole kroz tačku X.
5 Razni zadaci<br />
Zadatak 5.1 Dokazati Paskalovu i Brianšonovu teoremu primenom Štajnerovih definicija za krive drugog reda i druge<br />
klase.<br />
Zadatak 5.2 U afinoj ravni date su prave s i p i trapez ABCD. Konstruisati perspektivno afino preslikavanje kome je<br />
prava s osa, zraci afinosti paralelni pravoj p, a trapezu ABCD odgovara jednakokraki trapez.<br />
Zadatak 5.3 Na ovalnoj krivoj drugog reda Γ date su tačke A, B, C i D. Ako pro<strong>iz</strong>voljna prava l koja sadrži tačku A,<br />
seče prave CD, BD, CB u tačkama B ′ , C ′ , D ′ , a krivu Γ u tački A ′ , dokazati da dvorazmera (A ′ , B ′ , C ′ , D ′ ) ne zavisi<br />
od prave l ∋ A.<br />
Zadatak 5.4 Date su tri tangente l, m, i n i prava o paralelna osi parabole. Odrediti drugu presečnu tav cku prave o i<br />
parabole.<br />
Zadatak 5.5 (AK-objasniti i nacrtati) Dat je kvadrat ABCD i tačka S takva da je SA ∼ = 1 2AC i B(S, A, C). Kolinearno<br />
perspektivno preslikavanje f ima centar S, protivosu BD i tačku A preslikava u C. Odrediti sliku kvadrata ABCD pri<br />
ovom preslikavanju, osu s i sliku v ′ beskonačno daleke prave.<br />
Zadatak 5.6 U projektivnoj ravni date su dve prave a i b i tačke P, Q i R van tih pravih. Ako je q pro<strong>iz</strong>voljna prava<br />
koja sadrži tačku R i ako ona seče prave a i b redom u tačkama M i N, šta je skup presečnih tačaka pravih P M i QN?<br />
Zadatak 5.7 Date su asimptote a 1 i a 2 i tačka M hiperbole. Konstruisati tangentu na hiperbolu u tački M.<br />
Zadatak 5.8 Data je elipsa parom konjugovanih dijametara AB i CD. Odrediti bar jedno perspektivno afino preslikavanje<br />
koje elipsu preslikava u krug.<br />
Zadatak 5.9 Trotemenici ABC i A ′ B ′ C ′ su u perspektivnom položaju, a P , Q i R su redom prešečne tačke parova<br />
pravih BC ′ i B ′ C, CA ′ i C ′ A, AB ′ i A ′ B. Ako tačke P, Q i R nisu kolinearne dokazati da je trotemenik LMN u<br />
perspektivnom položaju sa svakim od trotemenika ABC i A ′ B ′ C ′ . Šta ako su P, Q i R kolinearne?<br />
Zadatak 5.10 Dokazati da je svaka involucija f projektivne ravni homologija. Dokazati da postoji kriva drugog reda<br />
invarijantna pri involuciji f.<br />
Zadatak 5.11 Data je kriva drugog reda Γ, prava x i tačka A. Šta je geometrijsko mesto preseka pravih P A i polara<br />
p tačke P u odnosu na krivu Γ, ako je P pro<strong>iz</strong>voljna tačka prave x.<br />
Zadatak 5.12 Data je fiksna prava x i tri para odgovarajućih tačaka A, B, C i A ′ , B ′ , C ′ , projektivnog preslikavanja.<br />
Konstruisati sliku date prave m pri tom preslikavanju.<br />
Zadatak 5.13 Projektivno preslikavanje je zadato fiksnom pravom x i slikama A ′ , B ′ , C ′ datih tačaka A, B, C, redom.<br />
Konstrusati fisnu tačku tog preslikavanja.<br />
Zadatak 5.14 Ako je šestotemenik ABCDEF upisan u nedegenerisanu krivu drugog reda Γ dokazati da postoji nedegenerisana<br />
kriva drugog reda Γ ′ oko koje je on opisan.<br />
Zadatak 5.15 Data je osa afinosti i odgovarajući par tačaka S i S ′ . Tim preslikavanjem se krug k sa centrom u S<br />
preslikava u elipsu. Odrediti prečnike kruga k koji se preslikavaju u glavne ose elipse.<br />
Zadatak 5.16 Konstruisati malu osu elipse ako je data velika poluosa OA i jedna tačka M elipse.<br />
Zadatak 5.17 Data je elipsa parom konjugovanih dijametara. Konstruisati:<br />
a) Tangente na elipsu <strong>iz</strong> date tačke M.<br />
b) Presečne tačke elipse i date prave p.<br />
c) Veliku i malu osu elipse.