3982

Аналитическая геометрия в пространстве

Лекция

Математика и математический анализ

Лекция Аналитическая геометрия в пространстве. Плоскость в пространстве Уравнение плоскости, проходящей через данную точку перпендикулярно данному вектору Пусть в пространстве OXYZ даны точка M0(x0, y0, z0) и ненулевой вектор n (A ...

Русский

2012-11-10

305.5 KB

39 чел.

Лекция 31

Глава 3. Аналитическая геометрия в пространстве

3.1. Плоскость в пространстве

Уравнение плоскости, проходящей через данную точку перпендикулярно

данному вектору

Пусть в пространстве OXYZ даны точка M0(x0, y0, z0) и ненулевой вектор

n ( A; B; C ) . Составим уравнение плоскости, проходящей через точку M0

перпендикулярно вектору.

Возьмем произвольную точку M ( x; y; z) на плоскости, тогда векторы n и M 0 M

взаимно перпендикулярны и их скалярное произведение равно нулю: (n, M o M ) 0 .

Отсюда получим уравнение

A( x

Вектор n

x0 ) B( y

y0 ) C ( z

z0 )

0.

( A; B; C ) называется нормальным вектором плоскости.

Общее уравнение плоскости

Общим уравнением плоскости называется уравнение первой степени относительно

переменных x, y и z :

Ax By Cz D 0 .

Уравнение плоскости, проходящей через три данные точки

Пусть в пространстве OXYZ даны

M 3 ( x3 ; y3 ; z3 )

три точки M1 ( x1; y1; z1 ) , M 2 ( x2 ; y2 ; z21) и

, не лежащие на одной прямой. Возьмем произвольную точку M ( x; y; z) на

плоскости, тогда векторы M 1M , M 1M 2 и M1M 3 расположены в одной плоскости, они

компланарны и их смешанное произведение равно нулю: M1M M1M 2 M1M 3

0 . Отсюда

получим уравнение плоскости

x x1

x2 x1

y y1

y2 y1

z z1

z2 z1

x3

y3

z3

x1

y1

0.

z1

Уравнение плоскости в отрезках

В пространстве OXYZ возьмем

M 3 (0;0; c)

три точки M1 (a;0;0) , M 2 (0; b;0) и

.

Подставим координаты этих точек в уравнение плоскости, проходящей через три данные

точки:

x a y z

a b 0

a

0 c

0.


Отсюда получим уравнение

bcx acy abz abc 0

или

x

a

y

b

z

c

1.

Нормальное уравнение плоскости

Уравнение

x cos

где

, ,

y cos

p 0,

z cos

- углы между нормальным вектором плоскости и координатными осями OX,

OY,OZ соответственно, p – длина перпендикуляра, опущенного из начала координат на

плоскость, называется нормальным уравнением плоскости.

Чтобы привести общее уравнение плоскости

Ax By Cz D 0

к нормальному необходимо умножить его на множитель

1

A

2

B2

C2

,

где знак выбирается противоположным знаку коэффициента D.

3.2. Основные задачи в пространстве

Угол между плоскостями

В пространстве OXYZ заданы две плоскости

и

:

A1 x B1 y C1 z D1

0,

A2 x B2 y C2 z

0.

Угол между этими плоскостями равен углу

n1

( A1; B1; C1 ) и n2

D2

между их нормальными векторами

( A2 ; B2 ; C2 ) . Следовательно,

cos

A1 A2

2

1

A

2

1

B

B1 B2 C1C2

C12

2

A2

2

2

B2 C2

.

Из этой формулы следуют условия перпендикулярности и параллельности

плоскостей.

Если плоскости

векторы n1

и

( A1; B1; C1 ) и n2

перпендикулярны, то перпендикулярны и их нормальные

( A2 ; B2 ; C2 ) . Значит, скалярное произведение n1 , n2

A1 A2 B1B2 C1C2 0 .

Это равенство есть необходимое и достаточное условие перпендикулярности двух

плоскостей.

0 или


Если плоскости

n1 ( A1; B1; C1 ) и n2

пропорциональны:

и

параллельны, то параллельны и их нормальные вектора

( A2 ; B2 ; C2 ) . Следовательно, координаты этих векторов должны быть

A1 B1 C1

.

A2 B2 C2

Это равенство есть необходимое и достаточное условие параллельности двух плоскостей.

Расстояние от точки до плоскости

Пусть в пространстве OXYZ заданы точка M 0( x0 , y0 , z0 ) и плоскость

Ax By Cz D 0 . Расстояние от точки до плоскости вычисляется по формуле

Ax0 By 0 Cz 0 D

.

d

A2 B 2 C 2

►Пример 1. Составить уравнение плоскости, которая проходит через точки

M 1 (1;1;1), M 2 (1;0;0) и M 3 (0;0;1) .

Пусть M ( x; y; z) - произвольная точка плоскости, тогда векторы M 1M ,

M 1M 2 и M1M 3 расположены в этой плоскости, они компланарны и их смешанное

произведение равно нулю: M1M M1M 2 M1M 3

0 . Отсюда получим уравнение плоскости

x 1 y 1 z 1

0

1

1

1

1

0

0

или

y z 1 0.

x

►Пример 2. Составить уравнение плоскости, проходящей через точки

M 1 (1;0; 1), M 2 (0;1;1) ) и параллельной вектору s

(1;1;0) .

Если M ( x; y; z) - произвольная точка плоскости, то векторы M 1M , M 1M 2 и

s компланарны. Следовательно,

x 1 y

1 2

1

0

z 1

2

0

0

или

x

y z

0.

►Пример 3. Составить уравнение плоскости, проходящей через точку M 1 (0; 1;1) и

линию пресечения плоскостей x 2 y 3z 4

0и x

y 6z 8 0 .

Линия пересечения двух плоскостей - прямая. На этой прямой найдем две точки.

Для этого решим систему из двух уравнений:


x 2 y 3 z 4 0,

x y 6 z 8 0.

Для еѐ решения применим метод Гаусса:

1

2 3 4

1 1

6

8

~

1

2 3 4

0 3

9 12

~

1

2 3 4

0 1

3 4

.

Система имеет бесконечно много решений, еѐ общее решение:

x

3 p 4, y

3 p 4, z

p, p

R.

Два частных решения, две точки M 2 ( 4; 4;0) и M 3 ( 1; 1;1) .

Теперь необходимо записать уравнение плоскости, проходящей через три точки

M 1 (0; 1;1) , M 2 ( 4; 4;0) и M 3 ( 1; 1;1) :

x

4

1

y 1 z 1

3

1

0

0

0

или

y 3z 4 0 .

3.3. Прямая в пространстве

Общее уравнение прямой

Прямую в пространстве можно определить как линию пересечения двух

непараллельных плоскостей. Пусть заданы две плоскости A1x B1 y C1z

A2 x B2 y C2 z

D2

D1

0 . Если нормальные векторы этих плоскостей не коллинеарные, то

система

A1 x B1 y C1 z D1 0,

A2 x B2 y C 2 z D2 0

определяет прямую.

Параметрическое уравнение прямой в пространстве

Зададим прямую l в пространстве при помощи точки M 0 ( x0 ; y0 ; z 0 ) этой прямой и

ненулевого вектора s (m; n; p ) параллельного прямой l. Эти условия однозначно

определяют прямую, так как через точку параллельно вектору можно провести только

одну прямую. Вектор s (m; n; p ) называется направляющим вектором прямой. Пусть

M ( x; y; z) - произвольная точка прямой l (см. рис. 1).


Z

M

l

M0

s

r

r0

O

Y

X

Рис. 1

Тогда вектор M 0M коллинеарен вектору s , следовательно,

M 0M

R.

t s, t

Три вектора r 0 , r и M 0M связаны соотношением

r

M 0M ,

r0

поэтому справедливо равенство

r r 0 t s, t R .

Полученное равенство называется векторным уравнение прямой. Здесь множитель t

может принимать любые числовые значения в зависимости от положения точки M на

прямой.

Если векторное равенство записать в координатной форме, то получим

параметрическое уравнение прямой:

x x0 mt ,

y y0 nt, t R,

z z0 pt,

где скалярный множитель t называется параметром.

Примеры

1. Написать уравнение прямой l, проходящей через точку M0(1,-1,2)

перпендикулярно плоскости 2x – 3y + z + 2 = 0.

Вектор n ( 2; 3;1) перпендикулярен данной плоскости и, значит, параллелен

прямой l. Теперь параметрическое уравнение прямой имеет вид

x

y

1 2t ,

1 3t ,

z

2 t.

2. Найти значения m, при которых прямая


x

1 mt ,

y

2 t,

z

t

лежит в плоскости 2x – y + z = 0.

Прямая лежит в плоскости, если координаты всех точек прямой удовлетворяют

уравнению плоскости. Отсюда следует, что после подстановки x, y и z из уравнения

прямой в уравнение данной плоскости, получим равенство

2 (1+mt)–(2–t)+t = 0,

которое должно выполняться при всех значениях t. Полученное равенство справедливо

при всех t только тогда, когда m =-1.

Коническое уравнение прямой

Пусть s

(m; n; p ) - направляющий вектор прямой и точка M 0 ( x0 ; y0 ; z 0 ) лежит на

этой прямой. Если M ( x; y; z) - произвольная точка прямой, то вектор MM 0 коллинеарен

вектору s и координаты этих векторов пропорциональны:

x x0

m

y

y0

z

n

z0

p

.

Полученное уравнение называется каноническим уравнением прямой.

Уравнение прямой проходящей через две точки

Пусть прямая проходит через две точки M1 ( x1 , y1 , z1 ) и M 2 ( x2 , y2 , z2 ) . Тогда вектор

M 1M 2

x2

x1; y2

y1; z2

z1

возьмем в качестве направляющего вектора прямой и из канонического уравнения прямой

получим

x x1

x2 x1

y y1

y2 y1

z z1

.

z 2 z1

Это уравнение называется уравнением прямой проходящей через две точки.

Угол между двумя прямыми, условие параллельности и перпендикулярности

прямых

Две прямые заданы уравнениями

x x1

l1

y

y1

n1

z z1

x x2

и

p1

l2

y

y2

n2

z z2

.

p2

Угол между прямыми равен углу между их направляющими векторами s1

s2

(m2 ; n2 ; p 2 ) :

(m1; n1; p1 ) и


cos

m1m2

2

1

n1n2

2

1

m

2

1

n

p1 p2

2

2

p

2

n2

m

2

p2

Условие параллельности и перпендикулярности прямых равносильно коллинеарности и

перпендикулярности направляющих векторов этих прямых.

Если прямые перпендикулярны, то перпендикулярны и их нормальные векторы

s1

(m1; n1; p1 ) и s 2

(m2 ; n2 ; p 2 ) . Значит, скалярное произведение

m1m2 n1n2 p1 p2 0 .

Если прямые параллельны, то параллельны и их нормальные вектора,

следовательно, координаты этих векторов должны быть пропорциональны:

m1 n1 p1

.

m2 n2 p2

3.4. Прямая и плоскость в пространстве

В пространстве заданы прямая и плоскость своими уравнениями

x x0

m

y

y0

z

z0

n

p

,

Ax By Cz D 0 .

Угол между прямой и плоскостью

Угол между прямой и плоскостью вычисляется по формуле

sin

Am Bn Cp

A2

B2

C2

m2

n2

p2

Прямая и плоскость перпендикулярны тогда и только тогда, когда направляющий вектор

прямой s

(m; n; p ) и нормальный вектор плоскости n

A

B

m

n

( A; B; C ) коллинеарны, т.е.

C

p .

Прямая и плоскость параллельны, когда эти векторы перпендикулярны, т.е.

Am Bn Cp

0.

Точка пересечения прямой с плоскостью

Для того, чтобы найти точку пересечения прямой и плоскости необходимо решить

систему двух уравнений

x x0

m

y

y0

n

z

z0

p

Ax By Cz D 0 .

,


Уравнение прямой запишем в параметрическом виде:

x

x0

mt ,

y

y0

nt,

z

z0

pt.

После подстановки получим

A( x0

mt ) B( y0

nt) C ( z0

pt) D

0.

Отсюда

Ax0 By0 Cz0 D

.

Am Bn Cp

t

Далее необходимо вычислить координаты точки.

3.5. Поверхности второго порядка

Сфера

( x x1 ) 2

y1 ) 2

(y

( z z1 ) 2

R2 .

Цилиндрические поверхности

Поверхности, составленные из всех прямых, пересекающих данную

линию l и параллельных данной

прямой, называются цилиндрическими

поверхностями.

x2

a2

y2

b2

1

x2

a2

y2

b2

1 - гиперболический цилиндр

y2

2 px - параболический цилиндр

- эллиптический цилиндр

Конические поверхности

Поверхность составленная из всех прямых пересекающих данную

линию l , и проходящих через данную точку p , называются конической

поверхностью.

x2

Уравнение конической поверхности: 2

a

y2

b2

z2

c2

Эллипсоид

x2

a2

Гиперболоид

y2

b2

z2

c2

1 - эллипсоид

0.


x2

a2

y2

b2

z2

c2

1 - однополостный гиперболоид

x2

a2

y2

b2

z2

c2

1 - двуполостный гиперболоид

Параболоид

2z

2z

x2

p

x2

p

y2

- эллиптический параболоид

q

y2

- гиперболический параболоид.

q



 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

4975. Обработка исключений. Принципы обработки исключений 21.45 KB
  Обработка исключений Исключение ситуация – возникновение непредвиденного или аварийного события, которое может порождаться недостатком ресурсов. Язык Си имеет средства для обработки исключительных ситуаций. Они используются для обработки ошибок...
4976. Экономика и экономическая теория. Учебник 269 KB
  Введение Цель изучения данного курса заключается в усвоении студентами основных положений экономической теории для перспективного ее использования при формировании объективных экономических оценок и формирования рационального экономического мышления...
4977. Бухгалтерское дело. Организация бухгалтерского дела на предприятии 133.57 KB
  Бухгалтерское дело Сущность бухгалтерского дела, его содержание формирование профессии современного бухгалтера и аудитора профессиональные организации бухгалтеров и аудиторов правовой статус бухгалтерской службы, ее место в структуре управления о...
4978. Общие допуски размеров, формы и расположения поверхностей 908 KB
  Общие допуски размеров, формы и расположения поверхностей Ограничение всех геометрических параметров деталей на чертеже должно быть полным и пониматься однозначно: не должно быть разночтений и произвольного истолкования требований при изготовлении и...
4979. Проблематика осмысления прошлого в совместных исследованиях ученых России и Германии 1.02 MB
  Одна из актуальных тем, волнующих российское и германское общество – осмысление недавнего прошлого. Примечательная особенность этого процесса – данную тематику рассматривали на многочисленных конференциях, круглых столах, в совместных изда...
4980. Стилистика. Современный английский язык 1.85 MB
  Основная задача книги - научить сознательно подходить к художественному тексту как целому, рассматривая его в единстве формы и идейного содержания. Все аспекты стилистики, изучаемые современными учеными, нашли свое отражение в данной книге. Функцион...
4981. Оптимальное проектирование процессов транспортировки 118.5 KB
  По картографическому материалу составить: а) граф сложного перекрестка с фиктивными дугами б) модель транспортной сети (ст. метро Курская - ст. метро Чистые пруды) Определить кратчайшее расстояние для модели трансп...
4982. Источниковедение новой и новейшей истории. Курс лекций 218.51 KB
  Источниковедческое исследование является основой любого серьезного исторического исследования С середины XX в наблюдалось возрастание интереса к теоретическому источниковедению, стало больше уделяться внимания проблемам оптимизации научного исследов...
4983. Экономика нефтяной и газовой промышленности. Конспект лекций 706.5 KB
  В данном учебном пособии излагаются методические подходы к выделению отраслевого товарного рынка, его границ, а также методы определения концентрации и рыночной власти продавцов-производителей нефтегазовой промышленности на товарном рынке. ...