Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

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: .

Глава V*. Уравнения прямых и плокостей в пространстве.

§64. Общее уравнение плоскости

Рассмотрим в пространстве произвольную плоскость. Пусть M 0 (х 0 ; у 0 , z 0) - некоторая точка этой плоскости, а п = (А; В; С) - какой-либо ее нормальный вектор. В предыдущем параграфе доказано, что уравнение этой плоскости имеет вид

А(х - х 0) + В (у - у 0) + С (z - z 0) = 0.

Запишем его так:

Ах + By + Cz - Aх 0 - By 0 - Cz 0 = 0.

Обозначив число - Aх 0 - By 0 - Cz 0 через D, получим уравнение

Ах + By + Cz + D = 0. (1)

Таким образом, каждая плоскость в пространстве может быть задана уравнением (1), т. е. линейным уравнением с тремя переменными.

Справедливо и обратное утверждение: всякое линейное уравнение с тремя переменными, т. е. всякое уравнение вида (1), определяет плоскость.

В самом деле, в уравнении (1) по крайней мере один из коэффициентов А, В, С не равен нулю, иначе уравнение (1) не является линейным. Пусть, например, С =/= 0, тогда уравнение можно переписать следующим образом:

А (х - 0) + В(у -0) + С (z + D / C) = 0.

Согласно предыдущему параграфу полученное уравнение, а следовательно, и уравнение (1) определяют плоскость, проходящую через точку M 0 (0; 0; - D / C) перпендикулярно вектору п(А; В; С).

Уравнение (1) называется общим уравнением плоскости .

Подчеркнем, что в этом уравнении коэффициенты А, В, С являются координатами нормального вектора плоскости.

Например, если плоскость задана уравнением 3х + 4y - 5z + 17 = 0, то сразу можно сказать, что она перпендикулярна вектору (3; 4; -5).

Задача. Найти единичный нормальный вектор плоскости

7х + 4у - 4z + 1 = 0.

В качестве нормального вектора данной плоскости можно взять вектор п = (7; 4; -4). Найдем его длину: | п | = √49 + 16 + 16 = 9. Следовательно, единичным нормальным вектором является вектор (7 / 9 ; 4 / 9 ;- 4 / 9). Вектор, ему противоположный (- 7 / 9 ;- 4 / 9 ;- 4 / 9), также, очевидно, будет нормальным единичным вектором данной плоскости.

Рассмотрим, как располагается плоскость относительно системы координат в зависимости от значений А, В, С, D в общем уравнении плоскости.

а) Если в уравнении (1) А = 0, т. е. если это уравнение имеет вид By + Cz + D = 0, то нормальный вектор имеет координаты (0; В; С). Вектор с такими координатами перпендикулярен оси Ох , следовательно, плоскость параллельна этой оси. Если не только А = 0, но и D = 0, т. е. если уравнение имеет вид By + Cz = 0, то плоскость проходит через начало координат. Поэтому в случае А = D = 0 плоскость проходит через ось Ох , Аналогично рассматриваются случаи, когда В = 0 (плоскость параллельна оси ординат) или С = 0 (плоскость параллельна оси апликат).

б) Если в уравнении (1) А = 0 и В = 0, т. е. если уравнение имеет вид Cz + D = 0, то нормальный вектор имеет координаты (0; 0; С). Вектор с такими координатами перпендикулярен плоскости хОу , следовательно, в этом случае плоскость (1) параллельна координатной плоскости хОу . Если не только А = В = 0, но и D = 0, т. е. если уравнение имеет вид Cz = 0, то плоскость не только параллельна координатной плоскости хОу , но и проходит через начало координат. Поэтому в случае А = В = D = 0 уравнением (1) задается координатная плоскость хОу .

Аналогично рассматриваются случаи, когда какая-нибудь другая пара коэффициентов при переменных х, у, z в уравнении (1) равна нулю.

в) Если в уравнении (1) D = 0, т. е. если уравнение имеет вид Ах + By + Cz = 0, то плоскость проходит через начало координат перпендикулярно вектору (А; В; С).

г) Если в уравнении (1) все коэффициенты при переменных и свободный член отличны от нуля, то оно может быть преобразовано в уравнение плоскости в отрезках:

В этом случае плоскость пересекает координатные оси в точках:
(- D / A ; 0; 0), (0;- D / B ; 0), (0; 0; - D / C). По этим трем точкам плоскость легко построить.

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 векторN = (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 D0, 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.

В данной статье мы рассмотрим общее уравнение плоскости в пространстве. Определим понятия полного и неполного уравнения плоскости. Для построения общего уравнения плоскости пользуйтесь калькулятором уравнение плоскости онлайн .

Пусть задана произвольная декартова прямоугольная система координат Oxyz . Общим уравнением плоскости называется линейное уравнение вида:

где A, B, C, D − некоторые постоянные, причем хотя бы один из элементов A , B и C отлично от нуля.

Мы покажем, что линейное уравнение (1) в пространстве определяет плоскость и любой плоскость в пространстве можно представить линейным уравнением (1). Докажем следующую теорему.

Теорема 1. В произвольной декартовой прямоугольной системе координат в пространстве каждая плоскость α может быть задана линейным уравнением (1). Обратно, каждое линейное уравнение (1) в произвольной декартовой прямоугольной системе координат в пространстве определяет плоскость.

Доказательство. Достаточно доказать, что плоскость α определяется линейным уравнением при какой нибудь одной декартовой прямоугольной системе координат, поскольку тогда она будет определяться линейным уравнением и при любом выборе декартовой прямоугольной системы координат.

Пусть в пространстве задана плоскость α . Выберем оси Ox и Oy так, чтобы они располагались на плоскости α , а ось Oz направим перпендикулярно к этой плоскости. Тогда линейное уравнение z= 0 будет уравнением плоскости, т.к. координаты любой точки, принадлежащей этой плоскости удовлетворяют уравнению z= 0, а координаты любой точки, не лежащей на этой плоскости − нет. Первая часть теоремы доказана.

Пусть фиксирована произвольная декартова прямоугольная система координат Oxyz . Рассмотрим линейное уравнение (1), где хотя бы один из элементов A , B и C отлично от нуля. Тогда уравнение (1) имеет хотя бы одно решение x 0 , y 0 , z 0 . Действительно. Пусть из коэффициентов A ≠0. Возьмем произвольные числа y 0 , z 0 . Тогда

Вычитая из уравнения (1) тождество (2), получим

Покажем, что (3) определяет некоторую плоскость, проходящую через точку M 0 (x 0 , y 0 , z 0) и перпендикулярную вектору n ={A ,B ,C } (n ≠0, так как хотя бы один из чисел A ,B ,C отлично от нуля).

Если точка M 0 (x 0 , y 0 , z 0) принадлежит плоскости α , то ее координаты удовлетворяют уравнению (3), т.к. векторы n ={A ,B ,C } и перпендикулярны (Рис.1) и их скалярное произведение равно нулю:

Если же точка M (x , y , z ) не лежит на плоскости α , то векторы n ={A ,B ,C } и не ортогональны. Тогда их скалярное произведение не равно нулю, т.е. координаты точки M (x , y , z ) не удовлетворяют условию (3). Теорема доказана.

Одновременно с доказательством теоремы 1 мы получили следующее утверждение.

Утверждение 1. В декартовой прямоугольной системе координат вектор с компонентами (A,B,C ) перпендикулярен плоскости Ax +By +Cz +D =0.

Вектор n =(A,B,C ) называется нормальным вектором плоскости , определяемой линейным уравнением (1).

Утверждение 2. Если два общих уравнения плоскости

Доказательство. Так как уравнения (4) и (5) определяют одну и ту же плоскость, то нормальные векторы n 1 ={A 1 ,B 1 ,С 1 } и n 2 ={A 2 ,B 2 , С 2 } коллинеарны. Так как векторы n 1 ≠0, n 2 ≠0, то существует такое число λ , что n 2 =n 1 λ . Отсюда имеем: A 2 =A 1 λ , B 2 =B 1 λ , С 2 =С 1 λ . Докажем, что D 2 =D 1 λ . Очевидно, что совпадающие плоскости имеют общую точку M 0 (x 0 , y 0 , z 0), так что

Так как выполнены первые три равенства из выражений (6), то D 1 λ −D 2 =0. Т.е. D 2 =D 1 λ . Утверждение доказано.

Неполные уравнения плоскости

Определение 1. Общее уравнение плоскости (1) называется полным , если все коэффициенты A, B, C, D отличны от нуля. Если же хотя бы один из коэффициентов A, B, C, D равен нулю, то общее уравнение плоскости называется неполным .

Рассмотрим все возможные варианты неполных уравнений плоскости:

При D A x +B y +C z =0, проходящей через начало координат (Рис.2). Действительно, точка O (0,0,0) удовлетворяет этой системы линейных уравнений.

При A =0, имеем уравнение плоскости B y +C z +D =0, которая параллельна оси Ox (Рис.3). В этом случае нормальный вектор плоскости n ={0,B ,C } лежит на координатной плоскости Oyz .

При B =0, имеем уравнение плоскости A x +C z +D =0, которая параллельна оси Oy (Рис.4).

При C =0, имеем уравнение плоскости A x +B y +D =0, которая параллельна оси Oz (Рис.5).

При A =0,B =0 имеем уравнение плоскости C z +D Oxy (Рис.6).

При B =0,C =0 имеем уравнение плоскости A x +D =0, которая параллельна координатной плоскости Oyz (Рис.7).

При A =0,C =0 имеем уравнение плоскости B y +D =0, которая параллельна координатной плоскости Oxz (Рис.8).

При A =0,B =0,D =0 имеем уравнение плоскости C z Oxy (Рис.9).

При B =0,C =0,D =0 имеем уравнение плоскости A x =0, которая совпадает с координатной плоскостью Oyz (Рис.10).

При A =0,C =0,D =0 имеем уравнение плоскости B y =0, которая совпадает с координатной плоскостью Oxz (Рис.11).

Рассмотрим примеры построения общего уравнения плоскости.

Пример 1. Построить общее уравнение плоскости, проходящей через точку M (4,−1,2) параллельной координатной плоскости Oxy .

Решение. Общее уравнение плоскости, проходящей через некоторую точку M (x 0 ,y 0 ,z 0) имеет вид (3). Подставляя координаты точки M в (3), получим:

Ответ: +3y +z =0.

Ответ:

Онлайн калькулятор для построения общего уравнения плоскости находится . Там же вы найдете примеры построения общего уравнения плоскости, если известны три точки этой плоскости или если известна одна точка и нормальный вектор этой плоскости.

Можно задавать разными способами (одной точкой и вектором, двумя точками и вектором, тремя точками и др.). Именно с учетом этого уравнение плоскости может иметь различные виды. Также при соблюдении определенных условий плоскости могут быть параллельными, перпендикулярными, пересекающимися и т.д. Об этом и поговорим в данной статье. Мы научимся составлять общее уравнение плоскости и не только.

Нормальный вид уравнения

Допустим, есть пространство R 3 , которое имеет прямоугольную координатную систему XYZ. Зададим вектор α, который будет выпущен из начальной точки О. Через конец вектора α проведем плоскость П, которая будет ему перпендикулярна.

Обозначим на П произвольную точку Q=(х,у,z). Радиус-вектор точки Q подпишем буквой р. При этом длина вектора α равняется р=IαI и Ʋ=(cosα,cosβ,cosγ).

Это единичный вектор, который направлен в сторону, как и вектор α. α, β и γ - это углы, которые образуются между вектором Ʋ и положительными направлениями осей пространства х, у, z соответственно. Проекция какой-либо точки QϵП на вектор Ʋ является постоянной величиной, которая равна р: (р,Ʋ) = р(р≥0).

Указанное уравнение имеет смысл, когда р=0. Единственное, плоскость П в этом случае будет пересекать точку О (α=0), которая является началом координат, и единичный вектор Ʋ, выпущенный из точки О, будет перпендикулярен к П, несмотря на его направление, что означает, что вектор Ʋ определяется с точностью до знака. Предыдущее уравнение является уравнением нашей плоскости П, выраженным в векторной форме. А вот в координатах его вид будет таким:

Р здесь больше или равно 0. Мы нашли уравнение плоскости в пространстве в нормальном виде.

Общее уравнение

Если уравнение в координатах умножим на любое число, которое не равно нулю, получим уравнение, эквивалентное данному, определяющее ту самую плоскость. Оно будет иметь такой вид:

Здесь А, В, С - это числа, одновременно отличные от нуля. Это уравнение именуется как уравнение плоскости общего вида.

Уравнения плоскостей. Частные случаи

Уравнение в общем виде может видоизменяться при наличии дополнительных условий. Рассмотрим некоторые из них.

Предположим, что коэффициент А равен 0. Это означает, что данная плоскость параллельна заданной оси Ох. В этом случае вид уравнения изменится: Ву+Cz+D=0.

Аналогично вид уравнения будет изменяться и при следующих условиях:

• Во-первых, если В=0, то уравнение изменится на Ах+Cz+D=0, что будет свидетельствовать о параллельности к оси Оу.
• Во-вторых, если С=0, то уравнение преобразуется в Ах+Ву+D=0, что будет говорить о параллельности к заданной оси Oz.
• В-третьих, если D=0, уравнение будет выглядеть как Ах+Ву+Cz=0, что будет означать, что плоскость пересекает О (начало координат).
• В-четвертых, если A=B=0, то уравнение изменится на Cz+D=0, что будет доказывать параллельность к Oxy.
• В-пятых, если B=C=0, то уравнение станет Ах+D=0, а это означает, что плоскость к Oyz параллельна.
• В-шестых, если A=C=0, то уравнение приобретет вид Ву+D=0, то есть будет сообщать о параллельности к Oxz.

Вид уравнения в отрезках

В случае когда числа А, В, С, D отличны от нуля, вид уравнения (0) может быть следующим:

х/а + у/b + z/с = 1,

в котором а = -D/А, b = -D/В, с = -D/С.

Получаем в итоге Стоит отметить, что данная плоскость будет пересекать ось Ох в точке с координатами (а,0,0), Оу - (0,b,0), а Oz - (0,0,с).

С учетом уравнения х/а + у/b + z/с = 1 нетрудно визуально представить размещение плоскости относительно заданной координатной системы.

Координаты нормального вектора

Нормальный вектор n к плоскости П имеет координаты, которые являются коэффициентами общего уравнения данной плоскости, то есть n (А,В,С).

Для того чтобы определить координаты нормали n, достаточно знать общее уравнение заданной плоскости.

При использовании уравнения в отрезках, которое имеет вид х/а + у/b + z/с = 1, как и при использовании общего уравнения, можно записать координаты любого нормального вектора заданной плоскости: (1/а + 1/b + 1/с).

Стоит отметить, что нормальный вектор помогает решить разнообразные задачи. К самым распространенным относятся задачи, заключающиеся в доказательстве перпендикулярности или параллельности плоскостей, задачи по нахождению углов между плоскостями или углов между плоскостями и прямыми.

Вид уравнения плоскости согласно координатам точки и нормального вектора

Ненулевой вектор n, перпендикулярный заданной плоскости, называют нормальным (нормалью) для заданной плоскости.

Предположим, что в координатном пространстве (прямоугольной координатной системе) Oxyz заданы:

• точка Мₒ с координатами (хₒ,уₒ,zₒ);
• нулевой вектор n=А*i+В*j+С*k.

Нужно составить уравнение плоскости, которая будет проходить через точку Мₒ перпендикулярно нормали n.

В пространстве выберем любую произвольную точку и обозначим ее М (х у,z). Пускай радиус-вектор всякой точки М (х,у,z) будет r=х*i+у*j+z*k, а радиус-вектор точки Мₒ (хₒ,уₒ,zₒ) - rₒ=хₒ*i+уₒ*j+zₒ*k. Точка М будет принадлежать заданной плоскости, если вектор МₒМ будет перпендикулярен вектору n. Запишем условие ортогональности при помощи скалярного произведения:

[МₒМ, n] = 0.

Поскольку МₒМ = r-rₒ, векторное уравнение плоскости выглядеть будет так:

Данное уравнение может иметь и другую форму. Для этого используются свойства скалярного произведения, а преобразовывается левая сторона уравнения. = - . Если обозначить как с, то получится следующее уравнение: - с = 0 или = с, которое выражает постоянство проекций на нормальный вектор радиус-векторов заданных точек, которые принадлежат плоскости.

Теперь можно получить координатный вид записи векторного уравнения нашей плоскости = 0. Поскольку r-rₒ = (х-хₒ)*i + (у-уₒ)*j + (z-zₒ)*k, а n = А*i+В*j+С*k, мы имеем:

Выходит, у нас образовывается уравнение плоскости, проходящей через точку перпендикулярно нормали n:

А*(х- хₒ)+В*(у- уₒ)С*(z-zₒ)=0.

Вид уравнения плоскости согласно координатам двух точек и вектора, коллинеарного плоскости

Зададим две произвольные точки М′ (х′,у′,z′) и М″ (х″,у″,z″), а также вектор а (а′,а″,а‴).

Теперь мы сможем составить уравнение заданной плоскости, которая будет проходить через имеющиеся точки М′ и М″, а также всякую точку М с координатами (х,у,z) параллельно заданному вектору а.

При этом векторы М′М={х-х′;у-у′;z-z′} и М″М={х″-х′;у″-у′;z″-z′} должны быть компланарными с вектором а=(а′,а″,а‴), а это значит, что (М′М, М″М, а)=0.

Итак, наше уравнение плоскости в пространстве будет выглядеть так:

Вид уравнения плоскости, пересекающей три точки

Допустим, у нас есть три точки: (х′,у′,z′), (х″,у″,z″), (х‴,у‴,z‴), которые не принадлежат одной прямой. Необходимо написать уравнение плоскости, проходящей через заданные три точки. Теория геометрии утверждает, что такого рода плоскость действительно существует, вот только она единственная и неповторимая. Поскольку эта плоскость пересекает точку (х′,у′,z′), вид ее уравнения будет следующим:

Здесь А, В, С отличные от нуля одновременно. Также заданная плоскость пересекает еще две точки: (х″,у″,z″) и (х‴,у‴,z‴). В связи с этим должны выполняться такого рода условия:

Сейчас мы можем составить однородную систему с неизвестными u, v, w:

В нашем случае х,у или z выступает произвольной точкой, которая удовлетворяет уравнение (1). Учитывая уравнение (1) и систему из уравнений (2) и (3), системе уравнений, указанной на рисунке выше, удовлетворяет вектор N (А,В,С), который является нетривиальным. Именно потому определитель данной системы равняется нулю.

Уравнение (1), которое у нас получилось, это и есть уравнение плоскости. Через 3 точки она точно проходит, и это легко проверить. Для этого нужно разложить наш определитель по элементам, находящимся в первой строке. Из существующих свойств определителя вытекает, что наша плоскость одновременно пересекает три изначально заданные точки (х′,у′,z′), (х″,у″,z″), (х‴,у‴,z‴). То есть мы решили поставленную перед нами задачу.

Двухгранный угол между плоскостями

Двухгранный угол представляет собой пространственную геометрическую фигуру, образованную двумя полуплоскостями, которые исходят из одной прямой. Иными словами, это часть пространства, которая ограничивается данными полуплоскостями.

Допустим, у нас имеются две плоскости со следующими уравнениями:

Нам известно, что векторы N=(А,В,С) и N¹=(А¹,В¹,С¹) перпендикулярны согласно заданным плоскостям. В связи с этим угол φ меж векторами N и N¹ равняется углу (двухгранному), который находится между этими плоскостями. Скалярное произведение имеет вид:

NN¹=|N||N¹|cos φ,

именно потому

cosφ= NN¹/|N||N¹|=(АА¹+ВВ¹+СС¹)/((√(А²+В²+С²))*(√(А¹)²+(В¹)²+(С¹)²)).

Достаточно учесть, что 0≤φ≤π.

На самом деле две плоскости, которые пересекаются, образуют два угла (двухгранных): φ 1 и φ 2 . Сумма их равна π (φ 1 + φ 2 = π). Что касается их косинусов, то их абсолютные величины равны, но различаются они знаками, то есть cos φ 1 =-cos φ 2 . Если в уравнении (0) заменить А, В и С на числа -А, -В и -С соответственно, то уравнение, которое мы получим, будет определять эту же плоскость, единственное, угол φ в уравнении cos φ= NN 1 /|N||N 1 | будет заменен на π-φ.

Уравнение перпендикулярной плоскости

Перпендикулярными называются плоскости, между которыми угол равен 90 градусов. Используя материал, изложенный выше, мы можем найти уравнение плоскости, перпендикулярной другой. Допустим, у нас имеются две плоскости: Ах+Ву+Cz+D=0 и А¹х+В¹у+С¹z+D=0. Мы можем утверждать, что перпендикулярными они будут, если cosφ=0. Это значит, что NN¹=АА¹+ВВ¹+СС¹=0.

Уравнение параллельной плоскости

Параллельными называются две плоскости, которые не содержат общих точек.

Условие (их уравнения те же, что и в предыдущем пункте) заключается в том, что векторы N и N¹, которые к ним перпендикулярны, коллинеарные. А это значит, что выполняются следующие условия пропорциональности:

А/А¹=В/В¹=С/С¹.

Если условия пропорциональности являются расширенными - А/А¹=В/В¹=С/С¹=DD¹,

это свидетельствует о том, что данные плоскости совпадают. А это значит, что уравнения Ах+Ву+Cz+D=0 и А¹х+В¹у+С¹z+D¹=0 описывают одну плоскость.

Расстояние до плоскости от точки

Допустим, у нас есть плоскость П, которая задана уравнением (0). Необходимо найти до нее расстояние от точки с координатами (хₒ,уₒ,zₒ)=Qₒ. Чтобы это сделать, нужно привести уравнение плоскости П в нормальный вид:

(ρ,v)=р (р≥0).

В данном случае ρ (х,у,z) является радиус-вектором нашей точки Q, расположенной на П, р - это длина перпендикуляра П, который был выпущен из нулевой точки, v - это единичный вектор, который расположен в направлении а.

Разница ρ-ρº радиус-вектора какой-нибудь точки Q=(х,у,z), принадлежащий П, а также радиус-вектора заданной точки Q 0 =(хₒ,уₒ,zₒ) является таким вектором, абсолютная величина проекции которого на v равняется расстоянию d, которое нужно найти от Q 0 =(хₒ,уₒ,zₒ) до П:

D=|(ρ-ρ 0 ,v)|, но

(ρ-ρ 0 ,v)= (ρ,v)-(ρ 0 ,v) =р-(ρ 0 ,v).

Вот и получается,

d=|(ρ 0 ,v)-р|.

Таким образом, мы найдем абсолютное значение полученного выражения, то есть искомое d.

Используя язык параметров, получаем очевидное:

d=|Ахₒ+Вуₒ+Czₒ|/√(А²+В²+С²).

Если заданная точка Q 0 находится по другую сторону от плоскости П, как и начало координат, то между вектором ρ-ρ 0 и v находится следовательно:

d=-(ρ-ρ 0 ,v)=(ρ 0 ,v)-р>0.

В случае когда точка Q 0 совместно с началом координат располагается по одну и ту же сторону от П, то создаваемый угол острый, то есть:

d=(ρ-ρ 0 ,v)=р - (ρ 0 , v)>0.

В итоге получается, что в первом случае (ρ 0 ,v)>р, во втором (ρ 0 ,v)<р.

Касательная плоскость и ее уравнение

Касающаяся плоскость к поверхности в точке касания Мº - это плоскость, содержащая все возможные касательные к кривым, проведенным через эту точку на поверхности.

При таком виде уравнения поверхности F(х,у,z)=0 уравнение касательной плоскости в касательной точке Мº(хº,уº,zº) будет выглядеть так:

F х (хº,уº,zº)(х- хº)+ F х (хº, уº, zº)(у- уº)+ F х (хº, уº,zº)(z-zº)=0.

Если задать поверхность в явной форме z=f (х,у), то касательная плоскость будет описана уравнением:

z-zº =f(хº, уº)(х- хº)+f(хº, уº)(у- уº).

Пересечение двух плоскостей

В расположена система координат (прямоугольная) Oxyz, даны две плоскости П′ и П″, которые пересекаются и не совпадают. Поскольку любая плоскость, находящаяся в прямоугольной координатной системе, определяется общим уравнением, будем полагать, что П′ и П″ задаются уравнениями А′х+В′у+С′z+D′=0 и А″х+В″у+С″z+D″=0. В таком случае имеем нормаль n′ (А′,В′,С′) плоскости П′ и нормаль n″ (А″,В″,С″) плоскости П″. Поскольку наши плоскости не параллельны и не совпадают, то эти векторы являются не коллинеарными. Используя язык математики, мы данное условие можем записать так: n′≠ n″ ↔ (А′,В′,С′) ≠ (λ*А″,λ*В″,λ*С″), λϵR. Пускай прямая, которая лежит на пересечении П′ и П″, будет обозначаться буквой а, в этом случае а = П′ ∩ П″.

а - это прямая, состоящая из множества всех точек (общих) плоскостей П′ и П″. Это значит, что координаты любой точки, принадлежащей прямой а, должны одновременно удовлетворять уравнения А′х+В′у+С′z+D′=0 и А″х+В″у+С″z+D″=0. Значит, координаты точки будут частным решением следующей системы уравнений:

В итоге получается, что решение (общее) этой системы уравнений будет определять координаты каждой из точек прямой, которая будет выступать точкой пересечения П′ и П″, и определять прямую а в координатной системе Oxyz (прямоугольной) в пространстве.