Векторное и общее уравнение плоскости. Уравнение плоскости: как составить? Виды уравнений плоскости
Нормальное уравнение плоскости.
Общее
уравнение плоскости вида называют нормальным
уравнением плоскости
,
если длина
вектора 
равна
единице, то есть, 
,
и .
Часто можно видеть, что нормальное уравнение плоскости записывают в виде . Здесь - направляющие косинусы нормального вектора данной плоскости единичной длины, то есть , а p – неотрицательное число, равное расстоянию от начала координат до плоскости.
Нормальное
уравнение плоскости в прямоугольной
системе координат Oxyz
определяет
плоскость, которая удалена от начала
координат на расстояние p
в
положительном направлении нормального
вектора этой плоскости 
.
Если p=0
,
то плоскость проходит через начало
координат.
Приведем пример нормального уравнения плоскости.
Пусть
плоскость задана в прямоугольной системе
координат Oxyz
общим
уравнение плоскости вида 
.
Это общее уравнение плоскости является
нормальным уравнением плоскости.
Действительно, и
нормальный вектор этой плоскости 
имеет
длину равную единице, так как 
.
Уравнение плоскости в нормальном виде позволяет находить расстояние от точки до плоскости.
Расстояние от точки до плоскости.
Расстояние от точки до плоскости - это наименьшее из расстояний между этой точкой и точками плоскости. Известно, что расстояние от точки до плоскости равно длине перпендикуляра, опущенного из этой точки на плоскость.
Если и начало координат лежат по разные стороны плоскости, в противоположном случае. Расстояние от точки до плоскости равно
Взаимное расположение плоскостей. Условия параллельности и перпендикулярности плоскостей.
Расстояние между параллельными плоскостями
Связанные понятия
Плоскости параллельны , если
или 
(Векторное
произведение)
Плоскости перпендикулярны , если
Или 
.
(Скалярное произведение)
Прямая в пространстве. Различные виды уравнения прямой.
Уравнения прямой в пространстве – начальные сведения.
Уравнение прямой на плоскости Oxy представляет собой линейное уравнение с двумя переменными x и y , которому удовлетворяют координаты любой точки прямой и не удовлетворяют координаты никаких других точек. С прямой в трехмерном пространстве дело обстоит немного иначе – не существует линейного уравнения с тремя переменными x , y и z , которому бы удовлетворяли только координаты точек прямой, заданной в прямоугольной системе координат Oxyz . Действительно, уравнение вида , гдеx , y и z – переменные, а A , B , C и D – некоторые действительные числа, причем А , В и С одновременно не равны нулю, представляет собой общее уравнение плоскости . Тогда встает вопрос: «Каким же образом можно описать прямую линию в прямоугольной системе координат Oxyz »?
Ответ на него содержится в следующих пунктах статьи.
Уравнения прямой в пространстве - это уравнения двух пересекающихся плоскостей.
Напомним одну аксиому: если две плоскости в пространстве имеют общую точку, то они имеют общую прямую, на которой находятся все общие точки этих плоскостей. Таким образом, прямую линию в пространстве можно задать, указав две плоскости, пересекающиеся по этой прямой.
Переведем последнее утверждение на язык алгебры.
Пусть
в трехмерном пространстве зафиксирована
прямоугольная система координат Oxyz
и
известно, что прямая a
является
линией пересечения двух плоскостей и,
которым отвечают общие уравнения
плоскости видаисоответственно.
Так как прямаяa
представляет
собой множество всех общих точек
плоскостей и,
то координаты любой точки прямой a будут
удовлетворять одновременно и уравнениюи
уравнению,
координаты никаких других точек не
будут удовлетворять одновременно обоим
уравнениям плоскостей. Следовательно,
координаты любой точки прямойa
в
прямоугольной системе координат Oxyz
представляют
собой частное
решение системы линейных уравнений
вида 
,
а общее решение системы уравнений
определяет
координаты каждой точки прямойa
,
то есть, определяет прямую a
.
Итак,
прямая в пространстве в прямоугольной
системе координат Oxyz
может
быть задана системой из уравнений двух
пересекающихся плоскостей 
.
Вот
пример задания прямой линии в пространстве
с помощью системы двух уравнений - 
.
Описание прямой линии уравнениями двух пересекающихся плоскостей отлично подходит принахождении координат точки пересечения прямой и плоскости , а также при нахождении координат точки пересечения двух прямых в пространстве .
Рекомендуем продолжить изучение этой темы, обратившись к статье уравнения прямой в пространстве - уравнения двух пересекающихся плоскостей . В ней дана более детальная информация, подробно разобраны решения характерных примеров и задач, а также показан способ перехода к уравнениям прямой в пространстве другого вида.
Следует отметить, что существуют различные способы задания прямой в пространстве , и на практике прямая чаще задается не двумя пересекающимися плоскостями, а направляющим вектором прямой и точкой, лежащей на этой прямой. В этих случаях проще получить канонические и параметрические уравнения прямой в пространстве. О них поговорим в следующих пунктах.
Параметрические уравнения прямой в пространстве.
Параметрические
уравнения прямой в пространстве
имеют
вид 
,
где x 1 ,y 1 и z 1 – координаты некоторой точки прямой, a x , a y и a z (a x , a y и a z одновременно не равны нулю) - соответствующие координаты направляющего вектора прямой , а - некоторый параметр, который может принимать любые действительные значения.
При любом значении параметра по параметрическим уравнениям прямой в пространстве мы можем вычислить тройку чисел,
она будет соответствовать некоторой точке прямой (отсюда и название этого вида уравнений прямой). К примеру, при
из
параметрических уравнений прямой в
пространстве получаем координаты x
1
, y
1
и z
1
: 
.
В
качестве примера рассмотрим прямую,
которую задают параметрические уравнения
вида 
.
Эта прямая проходит через точку,
а направляющий вектор этой прямой имеет
координаты.
Рекомендуем продолжить изучение темы, обратившись к материалу статьи параметрические уравнения прямой в пространстве . В ней показан вывод параметрических уравнений прямой в пространстве, разобраны частные случаи параметрических уравнений прямой в пространстве, даны графические иллюстрации, приведены развернутые решения характерных задач и указана связь параметрических уравнений прямой с другими видами уравнений прямой.
Канонические уравнения прямой в пространстве.
Разрешив
каждое из параметрических уравнений
прямой вида 
относительно
параметра,
легко перейти кканоническим
уравнениям прямой в пространстве
вида 
.
Канонические
уравнения прямой в пространстве
определяют прямую, проходящую через
точку
,
а направляющим вектором прямой является
вектор
.
К примеру, уравнения прямой в каноническом
виде
соответствуют
прямой, проходящей через точку пространства
с координатами,
направляющий вектор этой прямой имеет
координаты.
Следует
отметить, что одно или два из чисел в
канонических уравнениях прямой могут
быть равны нулю (все три числаодновременно
не могут быть равны нулю, так как
направляющий вектор прямой не может
быть нулевым). Тогда запись вида
считается
формальной (так как в знаменателях одной
или двух дробей будут нули) и ее следует
понимать как
,
где.
Если
одно из чисел в
канонических уравнениях прямой равно
нулю, то прямая лежит в одной из
координатных плоскостей, либо в плоскости
ей параллельной. Если два из чиселравны
нулю, то прямая либо совпадает с одной
из координатных осей, либо параллельна
ей. Например прямая, соответствующая
каноническим уравнениям прямой в
пространстве вида
,
лежит в плоскостиz=-2
,
которая параллельна координатной
плоскости Oxy
,
а координатная ось Oy
определяется
каноническими уравнениями .
Графические иллюстрации этих случаев, вывод канонических уравнений прямой в пространстве, подробные решения характерных примеров и задач, а также переход от канонических уравнений прямой к другим уравнениям прямой в пространстве смотрите в статье канонические уравнения прямой в пространстве .
Общее уравнение прямой. Переход от общего к каноническому уравнению.
| " |
В этом уроке мы рассмотрим, как с помощью определителя составить уравнение плоскости . Если вы не знаете, что такое определитель, зайдите в первую часть урока - «Матрицы и определители ». Иначе вы рискуете ничего не понять в сегодняшнем материале.
Уравнение плоскости по трем точкам
Зачем вообще нужно уравнение плоскости? Все просто: зная его, мы легко высчитаем углы, расстояния и прочую хрень в задаче C2. В общем, без этого уравнения не обойтись. Поэтому сформулируем задачу:
Задача. В пространстве даны три точки, не лежащие на одной прямой. Их координаты:
M = (x 1 , y 1 , z 1);
N = (x 2 , y 2 , z 2);
K = (x 3 , y 3 , z 3);Требуется составить уравнение плоскости, проходящей через эти три точки. Причем уравнение должно иметь вид:
Ax + By + Cz + D = 0
где числа A , B , C и D - коэффициенты, которые, собственно, и требуется найти.
Ну и как получить уравнение плоскости, если известны только координаты точек? Самый простой способ - подставить координаты в уравнение Ax + By + Cz + D = 0. Получится система из трех уравнений, которая легко решается.
Многие ученики считают такое решение крайне утомительным и ненадежным. Прошлогодний ЕГЭ по математике показал, что вероятность допустить вычислительную ошибку действительно велика.
Поэтому наиболее продвинутые учителя стали искать более простые и изящные решения. И ведь нашли! Правда, полученный прием скорее относится к высшей математике. Лично мне пришлось перерыть весь Федеральный перечень учебников, чтобы убедиться, что мы вправе применять этот прием без каких-либо обоснований и доказательств.
Уравнение плоскости через определитель
Хватит лирики, приступаем к делу. Для начала - теорема о том, как связаны определитель матрицы и уравнение плоскости.
Теорема. Пусть даны координаты трех точек, через которые надо провести плоскость: M = (x 1 , y 1 , z 1); N = (x 2 , y 2 , z 2); K = (x 3 , y 3 , z 3). Тогда уравнение этой плоскости можно записать через определитель:
Для примера попробуем найти пару плоскостей, которые реально встречаются в задачах С2. Взгляните, как быстро все считается:
A 1 = (0, 0, 1);
B = (1, 0, 0);
C 1 = (1, 1, 1);
Составляем определитель и приравниваем его к нулю:
Раскрываем определитель:
a
= 1 · 1 · (z
− 1) + 0 · 0 · x
+ (−1) · 1 · y
= z
− 1 − y;
b
= (−1) · 1 · x
+ 0 · 1 · (z
− 1) + 1 · 0 · y
= −x;
d
= a
− b
= z
− 1 − y
− (−x
) = z
− 1 − y
+ x
= x
− y
+ z
− 1;
d
= 0 ⇒ x
− y
+ z
− 1 = 0;
Как видите, при расчете числа d я немного «причесал» уравнение, чтобы переменные x , y и z шли в правильной последовательности. Вот и все! Уравнение плоскости готово!
Задача. Составьте уравнение плоскости, проходящей через точки:
A = (0, 0, 0);
B 1 = (1, 0, 1);
D 1 = (0, 1, 1);
Сразу подставляем координаты точек в определитель:
Снова раскрываем определитель:
a
= 1 · 1 · z
+ 0 · 1 · x
+ 1 · 0 · y
= z;
b
= 1 · 1 · x
+ 0 · 0 · z
+ 1 · 1 · y
= x
+ y;
d
= a
− b
= z
− (x
+ y
) = z
− x
− y;
d
= 0 ⇒ z
− x
− y
= 0 ⇒ x
+ y
− z
= 0;
Итак, уравнение плоскости снова получено! Опять же, на последнем шаге пришлось поменять в нем знаки, чтобы получить более «красивую» формулу. Делать это в настоящем решении совсем не обязательно, но все-таки рекомендуется - чтобы упростить дальнейшее решение задачи.
Как видите, составлять уравнение плоскости теперь намного проще. Подставляем точки в матрицу, считаем определитель - и все, уравнение готово.
На этом можно было бы закончить урок. Однако многие ученики постоянно забывают, что стоит внутри определителя. Например, в какой строчке стоит x 2 или x 3 , а в какой - просто x . Чтобы окончательно разобраться с этим, давайте проследим, откуда берется каждое число.
Откуда берется формула с определителем?
Итак, разбираемся, откуда возникает такое суровое уравнение с определителем. Это поможет вам запомнить его и успешно применять.
Все плоскости, которые встречаются в задаче C2, задаются тремя точками. Эти точки всегда отмечены на чертеже, либо даже указаны прямо в тексте задачи. В любом случае, для составления уравнения нам потребуется выписать их координаты:
M
= (x
1 , y
1 , z
1);
N
= (x
2 , y
2 , z
2);
K
= (x
3 , y
3 , z
3).
Рассмотрим еще одну точку на нашей плоскости с произвольными координатами:
T = (x , y , z )
Берем любую точку из первой тройки (например, точку M ) и проведем из нее векторы в каждую из трех оставшихся точек. Получим три вектора:
MN
= (x
2 − x
1 , y
2 − y
1 , z
2 − z
1);
MK
= (x
3 − x
1 , y
3 − y
1 , z
3 − z
1);
MT
= (x
− x
1 , y
− y
1 , z
− z
1).
Теперь составим из этих векторов квадратную матрицу и приравняем ее определитель к нулю. Координаты векторов станут строчками матрицы - и мы получим тот самый определитель, который указан в теореме:
Эта формула означает, что объем параллелепипеда, построенного на векторах MN , MK и MT , равен нулю. Следовательно, все три вектора лежат в одной плоскости. В частности, и произвольная точка T = (x , y , z ) - как раз то, что мы искали.
Замена точек и строк определителя
У определителей есть несколько замечательных свойств, которые еще более упрощают решение задачи C2 . Например, нам неважно, из какой точки проводить векторы. Поэтому следующие определители дают такое же уравнение плоскости, как и приведенный выше:
Также можно менять местами строчки определителя. Уравнение при этом останется неизменным. Например, многие любят записывать строчку с координатами точки T = (x ; y ; z ) в самом верху. Пожалуйста, если вам так удобно:
Некоторых смущает, что в одной из строчек присутствуют переменные x , y и z , которые не исчезают при подстановке точек. Но они и не должны исчезать! Подставив числа в определитель, вы должны получить вот такую конструкцию:
Затем определитель раскрывается по схеме, приведенной в начале урока, и получается стандартное уравнение плоскости:
Ax + By + Cz + D = 0
Взгляните на пример. Он последний в сегодняшнем уроке. Я специально поменяю строчки местами, чтобы убедиться, что в ответе получится одно и то же уравнение плоскости.
Задача. Составьте уравнение плоскости, проходящей через точки:
B 1 = (1, 0, 1);
C = (1, 1, 0);
D 1 = (0, 1, 1).
Итак, рассматриваем 4 точки:
B
1 = (1, 0, 1);
C = (1, 1, 0);
D
1 = (0, 1, 1);
T
= (x
, y
, z
).
Для начала составим стандартный определитель и приравниваем его к нулю:
Раскрываем определитель:
a
= 0 · 1 · (z
− 1) + 1 · 0 · (x
− 1) + (−1) · (−1) · y
= 0 + 0 + y;
b
= (−1) · 1 · (x
− 1) + 1 · (−1) · (z
− 1) + 0 · 0 · y
= 1 − x
+ 1 − z
= 2 − x
− z;
d
= a
− b
= y
− (2 − x
− z
) = y
− 2 + x
+ z
= x
+ y
+ z
− 2;
d
= 0 ⇒ x
+ y
+ z
− 2 = 0;
Все, мы получили ответ: x + y + z − 2 = 0 .
Теперь давайте переставим пару строк в определителе и посмотрим, что произойдет. Например, запишем строчку с переменными x , y , z не внизу, а вверху:
Вновь раскрываем полученный определитель:
a
= (x
− 1) · 1 · (−1) + (z
− 1) · (−1) · 1 + y
· 0 · 0 = 1 − x
+ 1 − z
= 2 − x
− z;
b
= (z
− 1) · 1 · 0 + y
· (−1) · (−1) + (x
− 1) · 1 · 0 = y;
d
= a
− b
= 2 − x
− z
− y;
d
= 0 ⇒ 2 − x
− y
− z
= 0 ⇒ x
+ y
+ z
− 2 = 0;
Мы получили точно такое же уравнение плоскости: x + y + z − 2 = 0. Значит, оно действительно не зависит от порядка строк. Осталось записать ответ.
Итак, мы убедились, что уравнение плоскости не зависит от последовательности строк. Можно провести аналогичные вычисления и доказать, что уравнение плоскости не зависит и от точки, координаты которой мы вычитаем из остальных точек.
В рассмотренной выше задаче мы использовали точку B 1 = (1, 0, 1), но вполне можно было взять C = (1, 1, 0) или D 1 = (0, 1, 1). В общем, любую точку с известными координатами, лежащую на искомой плоскости.
1. Общее уравнение плоскости
Определение. Плоскостью называется поверхность, все точки которой удовлетворяют общему уравнению: Ax + By + Cz + D = 0 , где А, В, С – координаты вектора
N = Ai + Bj + Ck -вектор нормали к плоскости. Возможны следующие частные случаи:
A = 0 – плоскость параллельна оси Ох
B = 0 – плоскость параллельна оси Оу C = 0 – плоскость параллельна оси Оz
D = 0 – плоскость проходит через начало координат
A = B = 0 – плоскость параллельна плоскости хОу A = C = 0 – плоскость параллельна плоскости хОz B = C = 0 – плоскость параллельна плоскости yOz A = D = 0 – плоскость проходит через ось Ох
B = D = 0 – плоскость проходит через ось Оу C = D = 0 – плоскость проходит через ось Oz
A = B = D = 0 – плоскость совпадает с плоскостью хОу A = C = D = 0 – плоскость совпадает с плоскостью xOz B = C = D = 0 – плоскость совпадает с плоскостью yOz
2. Уравнение поверхности в пространстве
Определение. Любое уравнение, связывающее координаты x, y, z любой точки поверхности является уравнением этой поверхности.
3. Уравнение плоскости, проходящей через три точки
Для того, чтобы через три какиелибо точки пространства можно было провести единственную плоскость, необходимо, чтобы эти точки не лежали на одной прямой.
Рассмотрим точки М1 (x1 , y1 , z1 ), M2 (x2 , y2 , z2 ), M3 (x3 , y3 , z3 ) в общей декартовой системе
координат. |
||||||
Для того, чтобы произвольная точка M (x , y , z ) |
лежала в одной плоскости с точками |
|||||
M 1 , M 2 , M 3 необходимо, чтобы векторы M 1 M 2 , M 1 M 3 , M 1 M были компланарны, т.е |
||||||
M1 M = { x − x1 ; y − y1 ; z − z1 } |
||||||
(M 1 M 2 , M 1 M 3 , M 1 M ) = 0. Таким образом, M 1 M 2 |
= { x 2 − x 1 ; y 2 |
− y 1 ; z 2 − z 1} |
||||
M1 M 3 |
= { x 3 − x 1 ; y 3 − y 1 ; z 3 − z 1} |
|||||
x − x1 |
y − y1 |
z − z1 |
||||
Уравнение плоскости, проходящей через три точки: |
x 2 − x 1 |
y 2 − y 1 |
z 2 − z 1 |
|||
x 3 − x 1 |
y 3 − y 1 |
z 3 − z 1 |
||||
4. Уравнение плоскости по двум точкам и вектору, коллинеарному плоскости
Пусть заданы точки М1(x1, y1, z1), M2(x2, y2, z2) и векторa = (a 1 , a 2 , a 3 ) .
Составим уравнение плоскости, проходящей через данные точки М1 и М2 и произвольную
точку М(х, у, z) параллельно вектору a . |
||||||||||
Векторы M1 M = { x − x1 ; y − y1 ; z − z1 } |
и вектор a = (a , a |
должны быть |
||||||||
M 1M 2 = { x 2 − x 1 ; y 2 − y 1 ; z 2 − z 1} |
||||||||||
x − x1 |
y − y1 |
z − z1 |
||||||||
компланарны, т.е. (M 1 M , M 1 M 2 , a ) = 0.Уравнение плоскости: |
x 2 − x 1 |
y 2 − y 1 |
z 2 − z 1 |
|||||||
5. Уравнение плоскости по одной точке и двум векторам, коллинеарным плоскости
Пусть заданы два вектора a = (a 1 , a 2 , a 3 ) и b = (b 1 ,b 2 ,b 3 ) , коллинеарные плоскости. Тогда для произвольной точки М(х, у, z), принадлежащей плоскости, векторы a ,b , MM 1 должны быть компланарны.
6. Уравнение плоскости по точке и вектору нормали
Теорема. Если в пространстве задана точка M 0 (x 0 , y 0 , z 0 ) , то уравнение плоскости, проходящей через точку M 0 перпендикулярно вектору нормали N (A , B ,C ) имеет вид: A (x − x 0 ) + B (y − y 0 ) + C (z − z 0 ) = 0 .
7. Уравнение плоскости в отрезках
Если в общем уравнении Ax + By + Cz + D = 0 поделить обе части на (-D)
x − |
y − |
z − 1 = 0 , заменив − |
C , получим уравнение плоскости |
|||||||||||||||||||
в отрезках: |
1 . Числа a, b, c являются точками пересечения плоскости соответственно |
|||||||||||||||||||||
с осями х, у, z.
8. Уравнение плоскости в векторной форме
r n = p , где r = xi + yj + zk - радиусвектор текущей точки M (x , y , z ) ,
n = i cosα + j cos β + k cosγ - единичный вектор, имеющий направление, перпендикуляра,
опущенного на плоскость из начала координат. α , β и γ - углы, образованные этим вектором с осями х, у, z. p – длина этого перпендикуляра. В координатах это уравнение имеет вид:
x cosα + y cos β + z cosγ − p = 0
9. Расстояние от точки до плоскости
Расстояние от произвольной точки M 0 (x 0 , y 0 , z 0 ) до плоскости Ax + By + Cz + D = 0 равно:
d = Ax0 + By0 + Cz0 + D
A2 + B2 + C 2
Пример. Найти уравнение плоскости, проходящей через точки А(2,-1,4) и В(3,2,-1) перпендикулярно плоскости x + y + 2z − 3 = 0 .
Искомое уравнение плоскости имеет вид: Ax + By + Cz + D = 0 , вектор нормали к этой плоскости n 1 (A,B,C). Вектор AB (1,3,-5) принадлежит плоскости. Заданная нам плоскость,
перпендикулярная искомой имеет вектор нормали n 2 (1,1,2). Т.к. точки А и В принадлежат обеим плоскостям, а плоскости взаимно перпендикулярны, то
n = AB × n |
− 5 |
− j |
− 5 |
11 i − 7 j − 2 k . |
|||||||||||||||||
− 5 |
|||||||||||||||||||||
Таким образом, вектор нормали n 1 (11,-7,-2). Т.к. точка А принадлежит искомой плоскости, то ее координаты должны удовлетворять уравнению этой плоскости, т.е.
11.2 + 7.1− 2.4 + D = 0; D = − 21. Итого, получаем уравнение плоскости: 11x − 7 y − 2z − 21 = 0
10. Уравнение линии в пространстве
Как на плоскости, так и в пространстве, любая линия может быть определена как совокупность точек, координаты которых в некоторой выбранной в пространстве системе координат удовлетворяют уравнению:
F (x , y , z ) = 0 . Это уравнение называется уравнением линии в пространстве.
Кроме того, линия в пространстве может быть определена и иначе. Ее можно рассматривать как линию пересечения двух поверхностей, каждая из которых задана какимлибо уравнением.
Пусть F (x , y , z ) = 0 и Ф (x , y , z ) = 0 – уравнения поверхностей, пересекающихся по линии L.
F (x , y , z ) = 0
Тогда пару уравнений Ф (x , y , z ) = 0 назовем уравнением линии в пространстве.
11. Уравнение прямой в пространстве по точке и направляющему векторуr 0 = M 0 M .
Т.к. векторы М 0 М и S коллинеарны, то верно соотношение М 0 М = St , где t – некоторый параметр. Итого, можно записать: r = r 0 + St .
Т.к. этому уравнению удовлетворяют координаты любой точки прямой, то полученное уравнение – параметрическое уравнение прямой.
x = x0 + mt
Это векторное уравнение может быть представлено в координатной форме: y = y 0 + nt
z = z0 + pt
Преобразовав эту систему и приравняв значения параметра t, получаем канонические
уравнения прямой в пространстве: |
x − x0 |
y − y0 |
z − z0 |
|||
Определение. Направляющими косинусами прямой называются направляющие косинусы вектора S , которые могут быть вычислены по формулам:
cosα = |
; cos β = |
; cosγ = |
||||||
N 2 + p 2 |
m 2 + n 2 + p 2 |
|||||||
Отсюда получим: m : n : p = cosα : cos β : cosγ .
Числа m , n , p называются угловыми коэффициентами прямой. Т.к. S - ненулевой вектор, то m, n и p не могут равняться нулю одновременно, но одно или два из этих чисел могут равняться нулю. В этом случае в уравнении прямой следует приравнять нулю соответствующие числители.
12. Уравнение прямой в пространстве, проходящей через две точки
Если на прямой в пространстве отметить две произвольные точки M 1 (x 1 , y 1 , z 1 ) и
M 2 (x 2 , y 2 , z 2 ) , то координаты этих точек должны удовлетворять полученному выше уравнению прямой:
x 2 − x 1 |
y 2 − y 1 |
z 2 − z 1 |
|||
Положение плоскости в пространстве будет вполне определено, если зададим ее расстояние от начала О, т. е. длину перпендикуляра ОТ, опущенного из точки О на плоскость, и единичный вектор п°, перпендикулярный к плоскости и направленный от начала О к плоскости (рис. 110).
Когда точка М движется по плоскости, то ее радиус-вектор меняется так, что все время связан некоторым условием. Посмотрим, каково это условие. Очевидно, для любой точки лежащей на плоскости, имеем:
Это условие имеет место лишь для точек плоскости; оно нарушается, если точка М лежит вне плоскости. Таким образом, равенство (1) выражает свойство, общее всем точкам плоскости и только им. Согласно § 7 гл. 11 имеем:
и, значит, уравнение (1) может быть переписано в виде:
Уравнение (Г) выражает собой условие, при котором точка ) лежит на данной плоскости, и называется нормальным уравнением этой плоскости. Радиус-вектор произвольной точки М плоскости называется текущим радиусом-вектором.
Уравнение (1) плоскости записано в векторной форме. Переходя к координатам и помещая начало координат в начале векторов - точке О, заметим, что проекциями единичного вектора на оси координат служат косинусы углов , составленных осями с этим вектором, а проекциями радиуса-вектора точки М
служат координаты точки , т. е. имеем:
Уравнение (Г) переходит в координатное:
При переводе векторного уравнения (Г) плоскости в координатное уравнение (2) мы воспользовались формулой (15) § 9 гл. 11, выражающей скалярное произведение через проекции векторов. Уравнение (2) выражает собой условие, при котором точка М(х,у, z) лежит на данной плоскости, и называется нормальным уравнением этой плоскости в координатной форме. Полученное уравнение (2) - первой степени относительно , т. е. всякая плоскость может быть представлена уравнением первой степени относительно текущих координат.
Заметим, что выведенные уравнения (1") и (2) остаются в силе и тогда, когда , т. е. данная плоскость проходит через начало координат. В этом случае за можно принять любой из двух единичных векторов, перпендикулярных к плоскости и отличающихся один от другого направлением.
Замечание. Нормальное уравнение плоскости (2) можно вывести, не пользуясь векторным методом.
Возьмем произвольную плоскость и проведем через начало координат перпендикулярно к ней прямую I. Установим на этой прямой положительное направление от начала координат к плоскости (если бы выбранная плоскость проходила через начало координат, то направление на прямой можно было бы взять любое).
Положение этой плоскости в пространстве вполне определяется расстоянием ее от начала координат, т. е. длиной отрезка оси l от начала координат до точки пересечения ее с плоскостью (на рис. 111 - отрезок ) и углами между осью и координатными осями. Когда точка координатами движется по плоскости, то ее координаты меняются так, что все время связаны некоторым условием. Посмотрим, каково это условие.
Построим на рис. 111 координатную ломаную линию OPSM произвольной точки М плоскости. Возьмем проекцию этой ломаной на ось l. Заметив, что проекция ломаной равна проекции ее замыкающею отрезка (гл. I, § 3), будем иметь.
Уравнение плоскости. Как составить уравнение плоскости?
Взаимное расположение плоскостей. Задачи
Пространственная геометрия не намного сложнее «плоской» геометрии, и наши полёты в пространстве начинаются с данной статьи. Для усвоения темы необходимо хорошо разобраться в векторах , кроме того, желательно быть знакомым с геометрией плоскости – будет много похожего, много аналогий, поэтому информация переварится значительно лучше. В серии моих уроков 2D-мир открывается статьёй Уравнение прямой на плоскости . Но сейчас Бэтмен сошёл с плоского экрана телевизора и стартует с космодрома Байконур.
Начнём с чертежей и обозначений. Схематически плоскость можно нарисовать в виде параллелограмма, что создаёт впечатление пространства:
Плоскость бесконечна, но у нас есть возможность изобразить лишь её кусочек. На практике помимо параллелограмма также прорисовывают овал или даже облачко. Мне по техническим причинам удобнее изображать плоскость именно так и именно в таком положении. Реальные плоскости, которые мы рассмотрим в практических примерах, могут располагаться как угодно – мысленно возьмите чертёж в руки и покрутите его в пространстве, придав плоскости любой наклон, любой угол.
Обозначения : плоскости принято обозначать маленькими греческими буквами , видимо, чтобы не путать их с прямой на плоскости или с прямой в пространстве . Я привык использовать букву . На чертеже именно буква «сигма», а вовсе не дырочка. Хотя, дырявая плоскость, это, безусловно, весьма забавно.
В ряде случаев для обозначения плоскостей удобно использовать те же греческие буквы с нижними подстрочными индексами, например, .
Очевидно, что плоскость однозначно определяется тремя различными точками, не лежащими на одной прямой. Поэтому достаточно популярны трёхбуквенные обозначения плоскостей – по принадлежащим им точкам, например, и т.д. Нередко буквы заключают в круглые скобки: 
, чтобы не перепутать плоскость с другой геометрической фигурой.
Для опытных читателей приведу меню быстрого доступа :
- Как составить уравнение плоскости по точке и двум векторам?
- Как составить уравнение плоскости по точке и вектору нормали?
и мы не будем томиться долгими ожиданиями:
Общее уравнение плоскости
Общее уравнение плоскости имеет вид , где коэффициенты одновременно не равны нулю.
Ряд теоретических выкладок и практических задач справедливы как для привычного ортонормированного базиса, так и для аффинного базиса пространства (если масло - масляное, вернитесь к уроку Линейная (не) зависимость векторов. Базис векторов ). Для простоты будем полагать, что все события происходят в ортонормированном базисе и декартовой прямоугольной системе координат.
А теперь немного потренируем пространственное воображение. Ничего страшного, если у вас оно плохое, сейчас немного разовьём. Даже для игры на нервах нужны тренировки.
В самом общем случае, когда числа не равны нулю, плоскость пересекает все три координатные оси. Например, так:
Ещё раз повторю, что плоскость бесконечно продолжается во все стороны, и у нас есть возможность изобразить только её часть.
Рассмотрим простейшие уравнения плоскостей:
Как понимать данное уравнение? Вдумайтесь: «зет» ВСЕГДА, при любых значениях «икс» и «игрек» равно нулю. Это уравнение «родной» координатной плоскости . Действительно, формально уравнение можно переписать так: 
, откуда хорошо видно, что нам по барабану, какие значения принимают «икс» и «игрек», важно, что «зет» равно нулю.
Аналогично:
– уравнение координатной плоскости ;
– уравнение координатной плоскости .
Немного усложним задачу, рассмотрим плоскость (здесь и далее в параграфе предполагаем, что числовые коэффициенты не равны нулю). Перепишем уравнение в виде: . Как его понимать? «Икс» ВСЕГДА, при любых значениях «игрек» и «зет» равно некоторому числу . Эта плоскость параллельна координатной плоскости . Например, плоскость параллельна плоскости и проходит через точку .
Аналогично:
– уравнение плоскости, которая параллельна координатной плоскости ;
– уравнение плоскости, которая параллельна координатной плоскости .
Добавим членов: . Уравнение можно переписать так: , то есть «зет» может быть любым. Что это значит? «Икс» и «игрек» связаны соотношением , которое прочерчивает в плоскости некоторую прямую (узнаёте уравнение прямой на плоскости ?). Поскольку «зет» может быть любым, то эта прямая «тиражируется» на любой высоте. Таким образом, уравнение определяет плоскость, параллельную координатной оси
Аналогично:
– уравнение плоскости, которая параллельна координатной оси ;
– уравнение плоскости, которая параллельна координатной оси .
Если свободные члены нулевые, то плоскости будут непосредственно проходить через соответствующие оси. Например, классическая «прямая пропорциональность»: . Начертите в плоскости прямую и мысленно размножьте её вверх и вниз (так как «зет» любое). Вывод: плоскость, заданная уравнением , проходит через координатную ось .
Завершаем обзор: уравнение плоскости 
проходит через начало координат. Ну, здесь совершенно очевидно, что точка удовлетворяет данному уравнению.
И, наконец, случай, который изображён на чертеже: – плоскость дружит со всеми координатными осями, при этом она всегда «отсекает» треугольник, который может располагаться в любом из восьми октантов.
Линейные неравенства в пространстве
Для понимания информации необходимо хорошо изучить линейные неравенства на плоскости , поскольку многие вещи буду похожи. Параграф будет носить краткий обзорный характер с несколькими примерами, так как материал на практике встречается довольно редко.
Если уравнение задаёт плоскость, то неравенства
задают полупространства
. Если неравенство нестрогое (два последних в списке), то в решение неравенства кроме полупространства входит и сама плоскость.
Пример 5
Найти единичный нормальный вектор плоскости 
.
Решение
: Единичный вектор – это вектор, длина которого равна единице. Обозначим данный вектор через . Совершенно понятно, что векторы коллинеарны:
Сначала из уравнения плоскости снимем вектор нормали: .
Как найти единичный вектор? Для того чтобы найти единичный вектор , нужно каждую координату вектора разделить на длину вектора .
Перепишем вектор нормали в виде и найдём его длину:
Согласно вышесказанному:
Ответ
: 
Проверка: , что и требовалось проверить.
Читатели, которые внимательно изучили последний параграф урока , наверное, заметили, что координаты единичного вектора – это в точности направляющие косинусы вектора
:
Отвлечёмся от разобранной задачи: когда вам дан произвольный ненулевой вектор , и по условию требуется найти его направляющие косинусы (см. последние задачи урока Скалярное произведение векторов ), то вы, по сути, находите и единичный вектор, коллинеарный данному. Фактически два задания в одном флаконе.
Необходимость найти единичный вектор нормали возникает в некоторых задачах математического анализа.
С выуживанием нормального вектора разобрались, теперь ответим на противоположный вопрос:
Как составить уравнение плоскости по точке и вектору нормали?
Эту жёсткую конструкцию вектора нормали и точки хорошо знает мишень для игры в дартс. Пожалуйста, вытяните руку вперёд и мысленно выберите произвольную точку пространства, например, маленькую кошечку в серванте. Очевидно, что через данную точку можно провести единственную плоскость, перпендикулярную вашей руке.
Уравнение плоскости, проходящей через точку перпендикулярно вектору , выражается формулой:
Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Гармонические колебания Физика формула частоты колебаний