- •1.3. Аналитическая геометрия в пространстве Для замечаний
- •1.3. Аналитическая геометрия в пространстве
- •1.3.1. Плоскость как поверхность первого порядка
- •1.3.2. Неполные уравнения плоскости
- •1.3.3. Уравнение плоскости в отрезках
- •1.3.4. Нормальное уравнение плоскости. Расстояние от точки до плоскости
- •1.3.5. Уравнения прямой в пространстве
- •1.3.6. Направляющий вектор прямой. Канонические уравнения прямой. Параметрические уравнения прямой
- •1.3.7. Некоторые дополнительные предложения и примеры
1.3.2. Неполные уравнения плоскости
Здесь будем рассматривать частные случаи уравнения первой степени, когда какие-либо из коэффициентов A, B, C, D обращаются в нуль:
D=0: Аx+Вy+Сz=0 - определяет плоскость, проходящую через начало координат, т.к. числа x=0; y=0; z=0 удовлетворяют уравнению Аx+Вy+Сz=0. Следовательно начало координат принадлежит плоскости.
С=0: Аx+Вy+D=0 определяет плоскость, параллельную оси Oz (или проходящую через эту ось). В этом случае нормальный вектор ={А; В; С} имеет нулевую проекцию на ось Oz (С=0); следовательно, этот вектор перпендикулярен оси Oz, а сама плоскость параллельна ей (или проходит через нее).
В=0 и С=0: Аx+D=0 - определяет плоскость, параллельную координатной плоскости Oyz (или совпадающую с ней). В этом случае нормальный вектор ={А; В; С} имеет нулевые проекции на оси Oy и Oz (В=0 и С=0); следовательно, вектор N перпендикулярен к осям Oy и Oz, а сама плоскость параллельна им (или проходит через каждую из них). Но это и означает, что плоскость, определяемая уравнением Аx+D=0, параллельна плоскости Oyz или совпадает с ней.
По аналогии с предыдущим легко установить, что:
Уравнение Аx+Сz+D=0 задает плоскость, параллельную оси Oy (или проходящую через нее). Уравнение Вy+Сz+D=0 задает плоскость, параллельную оси Oх (или проходящую через нее).
Уравнение Вy+D=0 задает плоскость, параллельную плоскости Oхz (или совпадающую с ней). Уравнение Сz+D=0 задает плоскость, параллельную плоскости Oхy (или совпадающую с ней).
1.3.3. Уравнение плоскости в отрезках
Пусть в уравнении плоскости Аx+Вy+Сz+D=0 ни один из коэффициентов A, B, C, D не равен нулю. Сделав следующие преобразования:
Аx+Вy+Сz=-D;
И вводя обозначения ; ; , получим
Это специальный вид уравнения плоскости называемый уравнением плоскости "в отрезках". Здесь числа a, b, c имеют простой геометрический смысл, а именно a, b, c - это величины отрезков, которые плоскость отсекает на координатных осях. Чтобы убедиться в этом, достаточно найти точки пересечения плоскости с координатными осями. Точка пересечения плоскости с осью Ox определяется из уравнения этой плоскости при условии y=z=0. Отсюда х=а. Таким образом, величина отрезка, отсекаемого плоскостью на оси Ox, действительно равна а. Аналогично, отрезки отсекаемые плоскостью на осях Oy и Oz, имеют величины, равные соответственно b и c.
Пример. Составить уравнение плоскости, зная, что она отсекает на координатных осях отрезки a=3; b=-4; c=2.
Решение. На основании предыдущего получаем искомое уравнение сразу:
или 4x-3y+6z-12=0.
1.3.4. Нормальное уравнение плоскости. Расстояние от точки до плоскости
Возьмем в пространстве XYZ некоторую плоскость П. Проведем через начало координат прямую n, перпендикулярную к плоскости П. Назовем эту прямую нормалью, - и отметим буквой Р точку пересечения нормали с плоскостью П. На нормали введем положительное направление от начала координат О к точке Р. Если точка Р совпадает с О, т.е. данная плоскость проходит через начало координат, то положительное направление нормали выберем произвольно. Обозначим
через , , углы, которые составляет направленная нормаль с осями координат, через р - длину отрезка ОР.
(1)
Заметим, что ={x; y; z}, отсюда =xcos + ycos + zcos (2)
Из равенств (1) и (2) следует, что x cos + ycos + zcos = р или
x cos + ycos + zcos - р=0 (3)
Это уравнение плоскости, оно носит специальное название: нормальное уравнение плоскости; в этом уравнении cos, cos, cos суть направляющие косинусы нормали, р - расстояние плоскости от начала координат.
Пусть как и ранее n нормаль к произвольной плоскости П, М*- произвольная точка пространства, d- ее расстояние отданной плоскости (см. рис. 1).
Условимся называть отклонением точки М* от данной плоскости число +d, если М* лежит по ту сторону от плоскости, куда идет положительное направление нормали, -d, если М* лежит с другой стороны от данной плоскости. Отклонение точки от плоскости обозначим буквой ; таким образом, = d, причем полезно заметить, что =+d, когда точка М* и начало координат лежат по разные стороны от плоскости, и =-d, когда точка М* и начало координат лежат по одну сторону от плоскости (для точек, лежащих на плоскости, =0).
Теорема. Если точка М* имеет координаты (x*; y*; z*), а плоскость задана нормальным уравнением x cos + ycos + zcos - р=0, то отклонение точки М* от этой плоскости задается формулой
= x* cos + y*cos + z*cos - р.
Доказательство. Спроектируем точку М* на нормаль; пусть Q - ее проекция (рис. 1); тогда
=PQ=OQ - OP,
где PQ, OQ, OP - это величины направленных отрезков нормали: , и . Но OQ= , ОР=р; следовательно
= - р (5)
Из ранее доказанного
= x* cos + y*cos + z*cos (6)
Из равенств (5) и (6) получаем:
=x* cos + y*cos + z*cos - р
Теорема доказана.
Покажем, как привести общее уравнение плоскости к нормальному виду. Пусть
Аx+Вy+Сz+D=0 (7)
общее уравнение некоторой плоскости, а
x cos + ycos + zcos - р=0 (3)
ее нормальное уравнение. Так как уравнения (7) и (3) определяют одну и ту же плоскость, то коэффициенты этих уравнений пропорциональны, т.е.
А=cos, В=cos, С=cos, D= -р. (8)
Чтобы найти множитель , возведем первые три из этих равенств в квадрат и сложим. Получим:
2(А2+В2+С2)= cos2 + cos2 + cos2.
Т.к. cos2 + cos2 + cos2=1, то .
Число называется нормирующим множителем. Для определения знака нормирующего множителя используем последнее из равенств (8): D= -р. Следовательно: знак нормирующего множителя противоположен знаку свободного члена нормируемого уравнения. Если D=0, то знак нормирующего множителя можно выбирать по желанию.
Пример. Даны плоскость 12х-4y+3z+14=0 и точка М(1; 3; 4). Найти отклонение точки М от данной плоскости.
Решение. Приведем данное уравнение к нормальному виду. Найдем нормирующий множитель: . Умножая данное уравнение на , получим исходное нормальное уравнение плоскости: . Подставляя в левую часть этого уравнения координаты точки М, имеем: . Итак, точка М имеет отрицательное отклонение от данной плоскости и удалена от нее на расстояние d=2.