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 :
и мы не будем томиться долгими ожиданиями:
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.
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:
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:
Рассмотрим
ПДСК {O,i
,j
,k
}
в пространстве R 3 .
Пусть
– некоторая плоскость и вектор
N
перпендикулярен .
Зафиксируем на плоскости
произвольную точку М 0
и возьмем текущую точку М пространства..
Обозначим `r
=
и`r
0
=
.
Тогда
=`r
–
`r
0 ,
а точка М
тогда и только тогда, когда векторы `
N
и
ортогональны. Последнее возможно, когда
N
.
= 0, т.е.N
.
(`r
–
`r
0)
= 0, (9)
это уравнение называется векторным уравнением плоскости. Вектор ` N называют нормальным вектором плоскости.
Если ` N =(А , В , С ), М 0 (х 0 , у 0 , z 0) , М(х , у , z ) , то уравнение (9) примет вид
А(х – х 0) + В(у – у 0) + С(z – z 0) = 0, (10).
Это уравнение называют уравнением плоскости, проходящей через заданную точку перпендикулярно заданному вектору.
Как
известно, через три точки можно провести
единственную плоскость. Пусть М 1 (х
1 ,
у
1 ,
z
1),
М 3 (х
2 ,
у
2 ,
z
2),
М 3 (х
3 ,
у
3 ,
z
3).
Найдем уравнение этой плоскости. Согласно
векторному уравнению (9), чтобы записать
это уравнение, необходимо знать точку
плоскости и нормальный вектор. Точка у
нас есть (например М 1).
А в качестве нормального вектора подойдет
любой вектор, перпендикулярный этой
плоскости. Известно, что векторное
произведение двух векторов перпендикулярно
плоскости, в которой лежат эти векторы.
Следовательно, векторное произведение
векторов
и
можно
взять в качестве нормального вектора
плоскости :
`
N
=
Тогда уравнение плоскости в векторной форме имеет вид
.
(
)
=
.
.
= 0.
(заметим,
что получили условие компланарности
векторов
,
,
).
Через координаты точек М 1 , М 2 , М 3 и М это уравнение запишется так
, (11)
и называется уравнением плоскости, проходящей через три заданные точки М 1 (х 1 , у 1 , z 1), М 2 (х 2 , у 2 , z 2), М 3 (х 3 , у 3 , z 3).
Рассмотрим вновь уравнение (9), преобразуем его:
Ах + Ву + Cz +(–Ах 0 – Ву 0 – Cz 0) = 0 ,
Ах + Ву + Cz +D = 0, где D = (–Ах 0 – Ву 0 – Cz 0) .
Уравнение
Ах + Ву + Cz +D = 0, (12)
называется общим уравнением плоскости. Здесь векторN = (A , B , C ) – нормальный вектор плоскости (т.е. вектор, перпендикулярный плоскости). Справедлива теорема:
Теорема 4.2.
В пространстве R 3 всякая плоскость может быть описана линейным относительно переменных x y , z уравнением и наоборот, любое уравнение первой степени определяет некоторую плоскость.
Изучим расположение плоскости относительно системы координат по ее общему уравнению Ах + Ву + Cz +D = 0 .
Если коэффициент D = 0, то координаты точки О(0, 0, 0) удовлетворяют уравнению Ах + Ву + Cz = 0, значит, эта точка лежит на плоскости, т.е. плоскость с уравнением Ах + Ву + Cz = 0 проходит через начало координат.
Если в общем уравнении плоскости отсутствует одна из переменных (соответствующий коэффициент равен нулю), то плоскость параллельна одноименной оси координат. Например, уравнение Ах + Cz + D = 0 определяет плоскость, параллельную оси ОУ. Действительно, вектор нормали имеет координаты ` N = (А, 0, С) и легко проверить, что ` N j . Но если плоскость и вектор перпендикулярны одному и тому же вектору, то они параллельны. Плоскость с уравнением Ву + Cz = 0, в таком случае, проходит через ось ОХ (т.е. эта ось лежит на плоскости)
Отсутствие двух переменных в уравнении плоскости означает, что плоскость параллельна соответствующей координатной плоскости, например, уравнение вида Ах + D = 0 определяет плоскость, параллельную плоскости УОZ. Вектор нормали имеет координаты ` N = (А, 0, 0), он коллинеарен вектору i , и,следовательно, плоскость перпендикулярна вектору i , или параллельна плоскости УОZ.
Уравнения координатных плоскостей имеют вид: пл. ХОУ: z = 0, пл. XOZ: y = 0, пл. YOZ: x = 0.
Действительно, плоскость ХОУ проходит через начало координат (D = 0) и вектор k =(0, 0, 1) – ее нормальный вектор. Аналогично плоскости ХОZ и УОZ проходят через начало координат(D = 0) и векторы j =(0, 1, 0) и i = (1,0,0) – их нормали соответственно.
Если D0, то преобразуем общее уравнение так
Ах
+ Ву
+Сz
= –D
,
,
.
Обозначив
здесь
,
,
,
получим уравнение
,
(13)
которое называется уравнением плоскости в отрезках на осях . Здесь а , b , c – величины отрезков, отсекаемых плоскостью на осях координат (рис.). Это уравнение удобно использовать для построения плоскости в системе координат. Нетрудно убедиться, что точки (а , 0, 0), (0. b , 0), (0, 0, с ) лежат на плоскости. Прямые, проходящие через эти точки, называются следами плоскости на координатных плоскостях.
Например, построим плоскость
2х – 3у + 4z –12 = 0.
Приведем это уравнение к виду (13), получим
Для построения плоскости в системе координат, отметим на оси ОХ точку (6, 0, 0), на оси ОУ точку (0, -4, 0), на оси ОZ – (0, 0, 3), соединим их отрезками прямы (следы плоскости). Полученный треугольник есть часть искомой плоскости, заключенная между осями координат.
Таким образом, чтобы найти уравнение плоскости , достаточно знать
Либо нормальный вектор этой плоскости и любую ее точку (уравнение (10));
Либо три точки, лежащие на плоскости (уравнение (11)).
Взаимное расположение плоскостей в пространстве удобно изучать с помощью соответствующих им векторов. Если – плоскость с нормальным вектором N, то
.
Вывод формулы аналогичен тому, как это было проделано для прямой на плоскости. Провести его самостоятельно.
Определение. Любое уравнение, связывающее координаты x, y, z любой точки поверхности является уравнением этой поверхности.
Определение. Плоскостью называется поверхность, все точки которой удовлетворяют общему уравнению:
Ax + By + Cz + D = 0,
где А, В, С - координаты вектора
вектор нормали к плоскости. Возможны следующие частные случаи:
А = 0 - плоскость параллельна оси Ох
В = 0 - плоскость параллельна оси Оу
С = 0 - плоскость параллельна оси Оz
D = 0 - плоскость проходит через начало координат
А = В = 0 - плоскость параллельна плоскости хОу
А = С = 0 - плоскость параллельна плоскости хОz
В = С = 0 - плоскость параллельна плоскости yOz
А = D = 0 - плоскость проходит через ось Ох
В = D = 0 - плоскость проходит через ось Оу
С = D = 0 - плоскость проходит через ось Oz
А = В = D = 0 - плоскость совпадает с плоскостью хОу
А = С = D = 0 - плоскость совпадает с плоскостью xOz
В = С = D = 0 - плоскость совпадает с плоскостью yOz
Для того, чтобы через три какие- либо 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 М(x, y, z) лежала в одной плоскости с точками М1, М2, М3 необходимо, чтобы векторы были компланарны.
Таким образом,
Уравнение плоскости, проходящей через три точки:
Пусть заданы точки М1(x1, y1, z1), M2(x2, y2, z2) и вектор.
Составим уравнение плоскости, проходящей через данные точки М1 и М2 и произвольную точку М(х, у, z) параллельно вектору.
Векторы и вектор должны быть компланарны, т.е.
Уравнение плоскости:
Пусть заданы два вектора и, коллинеарные плоскости. Тогда для произвольной точки М(х, у, z), принадлежащей плоскости, векторы должны быть компланарны. Уравнение плоскости:
Теорема. Если в пространстве задана точка М0(х0, у0, z0), то уравнение плоскости, проходящей через точку М0 перпендикулярно вектору нормали (A, B, C) имеет вид:
A(x - x0) + B(y - y0) + C(z - z0) = 0.
Доказательство. Для произвольной точки М(х, у, z), принадлежащей плоскости, составим вектор. Т.к. вектор - вектор нормали, то он перпендикулярен плоскости, а, следовательно, перпендикулярен и вектору. Тогда скалярное произведение
Таким образом, получаем уравнение плоскости
Теорема доказана.
В декартовых координатах каждая плоскость определяется уравнением первой степени относительно неизвестных х, у и z и каждое уравнение первой степени с тремя неизвестными определяет плоскость.
Возьмем произвольный вектор с началом в точке . Выведем уравнение геометрического места точек М(x,y,z), для каждой из которых вектор перпендикулярен вектору . Запишем условие перпендикулярности векторов:
Полученное уравнение линейное относительно x, y, z, следовательно, оно определяет плоскость, проходящую через точку перпендикулярно вектору . Вектор называют нормальным вектором плоскости. Раскрывая скобки в полученном уравнении плоскости и обозначая число
буквой D, представим его в виде:
Ax + By + Cz + D = 0. (13.2)
Это уравнение называют общим уравнением плоскости . А, В, С и D – коэффициенты уравнения, А 2 + В 2 + С 2 0.
1. Неполные уравнения плоскости.
Если в общем уравнении плоскости один, два или три коэффициента равны нулю, то уравнение плоскости называют неполным. Могут представиться следующие случаи:
1) D = 0 – плоскость проходит через начало координат;
2) А = 0 – плоскость параллельна оси Ох;
3) В = 0 – плоскость параллельна оси Оу;
4) С = 0 – плоскость параллельна оси Оz;
5) А = В = 0 – плоскость параллельна плоскости ХОY;
6) А = С = 0 – плоскость параллельна плоскости ХОZ;
7) В = С = 0 – плоскость параллельна плоскости YOZ;
8) А = D = 0 – плоскость проходит через ось Ох;
9) В = D = 0 – плоскость проходит через ось Оу;
10) С = D = 0 – плоскость проходит через ось Оz;
11) А = В = D = 0 – плоскость совпадает с плоскостью XOY;
12) А = С = D = 0 – плоскость совпадает с плоскостью XOZ;
13) С = В = D = 0 – плоскость совпадает с плоскостью YOZ.
2. Уравнение плоскости в отрезках.
Если в общем уравнении плоскости D 0, то его можно преобразовать к виду
, (13.3)
которое называют уравнением плоскости в отрезках. - определяют длины отрезков, отсекаемых плоскостью на координатных осях.
3. Нормальное уравнение плоскости.
Уравнение
где - направляющие косинусы нормального вектора плоскости , называют нормальным уравнением плоскости. Для приведения общего уравнение плоскости к нормальному виду его надо умножить на нормирующий множитель :
,
при этом знак перед корнем выбирают из условия .
Расстояние d от точки до плоскости определяют по формуле: .
4. Уравнение плоскости, проходящей через три точки
Возьмем произвольную точку плоскости М(x,y,z) и соединим точку М 1 с каждой из трех оставшихся. Получим три вектора . Для того, чтобы три вектора принадлежали одной плоскости, необходимо и достаточно, чтобы они были компланарны. Условием компланарности трех векторов служит равенство нулю их смешанного произведения, то есть .
Записывая это равенство через координаты точек, получим искомое уравнение:
. (13.5)
5. Угол между плоскостями.
Плоскости могут быть параллельны, совпадать или пересекаться, образуя двугранный угол . Пусть две плоскости заданы общими уравнениями и . Чтобы плоскости совпадали, нужно, чтобы координаты любой точки, удовлетворяющей первому уравнению, удовлетворяли бы и второму уравнению.
Это будет иметь место, если
.
Если , то плоскости параллельны.
Угол , образованный двумя пересекающимися плоскостями, равен углу, образованному их нормальными векторами. Косинус угла между векторами определяется по формуле:
Если , то плоскости перпендикулярны.
Пример 21 . Составить уравнение плоскости, которая проходит через две точки и перпендикулярно к плоскости .
Запишем искомое уравнение в общем виде: . Так как плоскость должна проходить через точки и , то координаты точек должны удовлетворять уравнению плоскости. Подставляя координаты точек и , получаем: и .
Из условия перпендикулярности плоскостей имеем: . Вектор расположен в искомой плоскости и, следовательно, перпендикулярен нормальному вектору: .
Все уравнения плоскости, которые разобраны в следующих пунктах могут быть получены из общего уравнения плоскости, а также приведены к общему уравнению плоскости. Таким образом, когда говорят об уравнении плоскости, то имеют в виду общее уравнение плоскости, если не оговорено иное.
Уравнение плоскости вида , где a , b и c – отличные от нуля действительные числа, называется уравнением плоскости в отрезках .
Такое название не случайно. Абсолютные величины чисел a , b и c равны длинам отрезков, которые отсекает плоскость на координатных осях Ox , Oy и Oz соответственно, считая от начала координат. Знак чисел a , b и c показывает, в каком направлении (положительном или отрицательном) следует откладывать отрезки на координатных осях.
Для примера построим в прямоугольной системе координат Oxyz плоскость, определенную уравнением плоскости в отрезках . Для этого отмечаем точку, удаленную на 5 единиц от начала координат в отрицательном направлении оси абсцисс, на 4 единицы в отрицательном направлении оси ординат и на 4 единицы в положительном направлении оси аппликат. Осталось соединить эти точки прямыми линиями. Плоскость полученного треугольника и есть плоскость, соответствующая уравнению плоскости в отрезках вида .
Для получения более полной информации обращайтесь к статье уравнение плоскости в отрезках , там показано приведение уравнения плоскости в отрезках к общему уравнению плоскости, там же Вы также найдете подробные решения характерных примеров и задач.
Общее уравнение плоскости вида называют нормальным уравнением плоскости , если 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 .
Рекомендуем более детально разобраться с данным видом уравнения плоскости, посмотреть подробные решения характерных примеров и задач, а также научиться приводить общее уравнение плоскости к нормальному виду. Это Вы можете сделать, обратившись к статье .
Список литературы.