585
.pdfРаскрывая определитель, получим общее уравнение плоскости 2x + y − z − 5 = 0.
Воспользуемся формулой расстояния от точки до плоскости:
d = |
|
Ax0 |
+ By0 + Cz0 |
+ D |
|
|
: |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
A2 + B2 + C2 |
|
|
|
2 4 +1 3 −1 0 − 5 |
|
|
|
6 |
|
|
|
|
||||||||
|
|
||||||||||||||||||
d = |
|
|
|
|
= |
|
= 6 . |
||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
( ) |
|
6 |
|
|
|
|
|||||||
2 |
2 |
+ |
2 |
+ −1 |
2 |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Задачи к разделу 4.20
4.2.1. Дано общее уравнение плоскости 5x − 6y − 2z + 30 = 0. а) составить уравнение этой плоскости «в
отрезках»; б) построить эту плоскость в системе ко-
ординат.
4.2.2.Составить уравнение плоскости, изображенной на рис. 62.
4.2.3.В пространстве задана точка
A(3; 4; 5): |
|
|
|
|
Рис. 62. Задача 4.2.2 |
|||||||||
|
а) составить уравнение плоскости, прохо- |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
дящей через эту точку перпендикулярно вектору a = (1; 2; 3); |
|
|
||||||||||||
|
б) составить уравнение плоскости, проходящей через эту |
|||||||||||||
точку параллельно векторам a = (1; 2; 3) и b = (4; 5; 6); |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
в) составить уравнение плоскости, про- |
||||||||||||
|
|
ходящей через точки A |
( |
3; 4; 5 |
) |
и |
B |
( |
|
|
) |
|||
|
|
|
|
|
|
0; 1; 1 |
||||||||
|
|
параллельно вектору a = (1; 2; 3); |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
г) составить уравнение плоскости, про- |
||||||||||||
|
|
ходящей через точки |
A |
( |
3; 4; 5 |
) |
и |
B |
( |
|
|
) |
||
|
|
|
|
|
|
0; 1; 1 |
||||||||
|
|
перпендикулярно вектору a = (1; 2; 3); |
|
|
||||||||||
|
|
д) составить уравнение плоскости, про- |
||||||||||||
Рис. 63. Задача 4.2.4 |
|
|
( |
) |
|
|
( |
|
) |
|
||||
ходящей через точки |
A 3; 4; 5 |
|
, B 0; 1; 1 |
|
и |
|||||||||
( |
) |
|
|
|||||||||||
C 1; 0; 1 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.2.4. Составить уравнения плоскостей, |
|
|
изображенных |
|
на |
||||||||
рис. 63. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
163 |
x = x0 + mt |
|
|
+ pt . |
y = y0 |
|
|
+ qt |
z = z0 |
Пример 1. Составить уравнение прямой, проходящей через две заданные точки M1 (x1, y1, z1 ), M2 (x2 , y2 , z2 ).
Решение: точка M (x, y, z) будет лежать на прямой тогда и только тогда, когда векторы M1M2 и M1M коллинеарны. Поэтому условие коллинеарности будет являться уравнением прямой, проходящей через две точки:
|
|
|
|
|
|
|
x − x1 |
= |
y − y1 |
= |
z − z1 |
. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
x − x |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
2 |
− y |
|
z |
2 |
− z |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
2 |
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Пример |
2. Найти |
угол |
|
между |
|
прямыми |
x − x1 |
= |
y − y1 |
= |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
x − x2 |
|
y − y2 |
|
|
z − z2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l1 |
|
m1 |
|||||||
= |
z − z1 |
и |
= |
= |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
n1 |
|
l2 |
|
|
|
m2 |
|
|
n2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Решение: угол между прямыми равен углу между их направ- |
||||||||||||||||||||||||||||
ляющими векторами, поэтому |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
cosα = |
|
|
|
l1l2 |
+ m1m2 |
+ n1n2 |
|
|
. |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l2 |
+ m2 |
+ n2 l2 |
+ m2 |
+ n2 |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
1 |
|
|
|
2 |
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
4.3.10. Основные задачи для прямых в пространстве
Большинство математических и прикладных задач для прямой в пространстве решается при совместном использовании решений следующих основных задач:
1. Приведение общих уравнений прямой как линии пересечения двух плоскостей к канонической или параметрической форме.
Решение: для составления канонических и параметрических уравнений прямой нужно знать ее направляющий вектор и координаты какой-либо точки, лежащей на прямой. Координаты точки найдем как любое частное решение СЛАУ
A1x + B1 y + C1z + D1 = 0A2 x + B2 y + C2 z + D2 = 0.
165
2.Определение угла между прямыми в пространстве. Условия параллельности и перпендикулярности прямых.
Решение: угол между прямыми равен углу между направляющими векторами.
3.Определение расстояния от точки до прямой.
|
|
Пусть дано каноническое уравнение пря- |
||||||
|
мой L |
|
|
|
|
|
||
|
|
x − x0 |
= |
y − y0 |
= |
z − z0 |
и точка M1 (x1, y1, z1 ). |
|
|
|
l |
m |
|
||||
|
|
|
|
n |
||||
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
|
Направляющий вектор s = (l,m,n) прямой |
||||||
Рис. 64. Расстояние |
можно параллельно перенести так, что его |
|||||||
начало |
совпадет с точкой M1 (x1, y1, z1 ) (рис. |
|||||||
от точки до прямой |
64). Тогда расстояние от точки до прямой определяется из прямоугольного треугольника: d = M0M1 sinα, значит,
|
uuuuuur |
|
|
|
|
uuuuuur |
|
|
uuuuuur r |
|
2 |
|||||
|
2 |
|
|
M0M1 |
s |
|||||||||||
|
|
|
|
|
1− |
|
|
|
. |
|||||||
d = |
M0M1 |
1− cos |
α = |
M0M1 |
|
|
uuuuuur |
|
|
|
r |
|
||||
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M0M1 |
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. Определение взаимного положения двух прямых в пространстве.
Две прямые в пространстве могут либо совпадать, либо быть
параллельными, либо пересекаться, либо скрещиваться. |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
Рассмотрим уравнения двух прямых |
x − x1 |
= |
y − y1 |
|
= |
z − z1 |
|
и |
|||||||
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
l1 |
m1 |
|
|
n1 |
|
|
||
|
x − x2 |
= |
y − y2 |
= |
z − z2 |
. Пусть q = (l , m , n ) , |
r = (l |
2 |
, m , n ), |
|||||||
|
|
|
|
|||||||||||||
|
l2 |
|
m2 |
1 |
1 |
1 |
|
|
|
2 |
2 |
|||||
|
|
|
n2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M0 (x0, y0, z0 ), M1 (x1, y1, z1 ).
На рис. 65 приведены случаи совпадения, параллельности и пересечения прямых:
1) Прямые совпадают тогда и только тогда, когда векторы q, r, M1M0 коллинеарны;
167
Прямая может пересекать плоскость, лежать в этой плоскости или быть ей параллельной. Определить взаимное положение прямой и плоскости можно, рассмотрев систему, состоящую из уравнения плоскости и уравнений прямой: если система имеет единственное решение – прямая и плоскость пересекаются в единственной точке; если система имеет бесконечно много решений – прямая лежит в плоскости; если система не имеет решений – плоскость и прямая параллельны.
Можно привести и менее громоздкий способ определения взаимного положения прямой и плоскости:
1) Прямая |
x − x0 |
= |
y − y0 |
= |
z − z0 |
и плоскость Ax + By + Cz + |
|
m |
|
||||
|
l |
|
n |
+ D = 0 пересекаются тогда и только тогда, когда направляющий вектор прямой и нормальный вектор плоскости не перпендикулярны: Al + Bm + Cn ≠ 0.
2)Прямая лежит в плоскости тогда и только тогда, когда Al +
+Bm + Cn = 0 и Ax0 + By0 + Cz0 + D = 0.
3)Прямая параллельна плоскости тогда и только тогда, когда
Al + Bm + Cn = 0 и Ax0 + By0 + Cz0 + D ≠ 0.
4) Прямая перпендикулярна плоскости, если A = B = C . l m n
3. Определение точки пересечения прямой и плоскости. Если известно, что прямая и плоскость пересекаются
(Al + Bm + Cn ≠ 0), то найти координаты их точки пересечения
можно решив систему, состоящую из уравнения плоскости и уравнений прямой.
Пример 1. Установить взаимное положение прямых
|
|
|
|
x −1 |
= |
y − 2 |
= |
z − 3 |
и |
x − 4 |
= |
y − 5 |
= |
z − 6 |
. |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
7 |
8 |
|
|
|
9 |
|
5 |
|
|
−6 |
2 |
|
|
|
|||||
r |
|
Решение: |
Направляющий |
|
вектор |
первой |
прямой – |
||||||||||||||||
|
( |
) |
|
|
|
|
( |
|
|
) |
|
|
|
( |
|
) |
|
||||||
q |
= |
|
7; 8; 9 , второй – |
r = 5; − 6; 2 . Точка |
M 1; 2; 3 |
|
лежит на |
||||||||||||||||
первой прямой, точка N (4; 5; 6) |
– на второй, MN = (3; 3; 3). Век- |
торы q и r не коллинеарны, значит, прямые не совпадают и не
параллельны. Проверим компланарность векторов q, r и MN :
169
а) составить канонические уравнения этой прямой; б) составить параметрические уравнения этой прямой;
в) определить, пересекается ли данная прямая с плоскостью 6x + 5y − 7 = 0.
4.3.2. Даны канонические уравнения прямой
x −1 = y − 2 = z − 3; 4 5 6
а) составить какие-нибудь общие уравнения этой прямой; б) составить параметрические уравнения этой прямой.
4.3.3. Даны параметрические уравнения прямой в пространстве:
x = 2t + 3, y = 4t − 5, z = 5t + 6;
а) составить общие уравнения этой прямой; б) составить канонические уравнения этой прямой.
4.3.4. Составить канонические уравнения прямой в простран-
стве, если: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A(3; 4; 5) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
а) прямая проходит через точку |
перпендикулярно |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
плоскости x − 4y − 8z +12 = 0; |
|
|
|
|
|
|
A(3; 4; 5) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
б) прямая проходит через точку |
перпендикулярно |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
r |
( |
|
|
|
|
|
) |
|
|
|
( |
|
|
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
векторам a |
= 1; 2; 3 |
|
|
и b |
= 4; 5; 6 |
; |
|
|
( |
|
|
|
|
|
) |
|
|
|
|
|
|
( |
) |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
в) прямая проходит через точки A |
3; 4; 5 |
|
|
и B |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
0;1; 1 . |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4.3.5. Установить взаимное положение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
а) плоскости 5x − 6y − 2z + 30 = 0 и прямой |
x −1 |
= |
|
y − 2 |
= |
z − 3 |
; |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
−6 |
|
|
||||
б) плоскости 5x − 6y − 2z + 30 = 0 и прямой |
|
x − 3 |
= |
y − 2 |
= |
z −1 |
. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
|||
4.3.6. Установить взаимное положение прямых |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
а) |
|
|
x −1 |
= |
|
y − 2 |
= |
|
z − 3 |
|
и |
|
x + 4 |
= |
|
y |
= |
z −1 |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
5 |
|
|
|
|
|
−6 |
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
−6 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
б) |
x + 4 |
= |
|
y |
= |
z −1 |
|
|
и |
|
x −1 |
= |
y + 6 |
= |
z − 3 |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
5 |
|
|
|
|
|
−6 |
|
2 |
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
−6 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
в) |
x −1 |
= |
y + 6 |
= |
z + 3 |
и |
x + 5 |
= |
y +12 |
= |
z + 9 |
; |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
5 |
|
|
|
|
|
−6 |
|
2 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
−2 |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
171 |