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:

24. Линейная зависимость столбцов матрицы. Свойства Линейная зависимость и независимость строк (столбцов) матрицы

Свойства линейно зависимых и линейно независимых столбцов матриц

25. Базисный минор. Теорема о базисном миноре. Теорема о ранге.

26. Системы линейных уравнений. Теорема Кронекера - Капелли о совместимости систем.

27. Однородные системы линейных уравнений. Свойства их решений. Общее решение ослу.

28. Фундаментальная система решений ослу

29. Неоднородные системы линейных уравнений. Свойства их решений. Построение общего решения нслу.

30. Линейные пространства. Определение. Примеры, следствия из аксиом.

31. Линейная зависимость векторов линейного пространства. Свойства

32. Базис линейного пространства. Размерность

33. Единственность разложения векторов по базису. Координаты. Действия над векторами в координатной форме.

34. Изменение координат вектора при переходе к новому базису. Матрица перехода.

35. Евклидово пространство. Определение, примеры. Модуль вектора. Угол между векторами. Неравенство Коши-Буняковского.

36. Линейный оператор. Матрица линейного оператора. Изменение матрицы линейного оператора при переходе к новому базису.

37. Образ и ядро линейного оператора. Ранг линейного оператора.

38.В отдельном файле.

39. Собственные векторы и собственные значения линейного оператора. Их свойства

40. Последовательность. Предел последовательности. Ограниченные, неограниченные, бесконечно малые и бесконечно большие последовательности. Определение

[Править]Примеры

[Править]Операции над последовательностями

[Править]Подпоследовательности

[Править]Примеры

[Править]Свойства

[Править]Предельная точка последовательности

[Править]Предел последовательности

[Править]Некоторые виды последовательностей

[Править]Ограниченные и неограниченные последовательности

[Править]Критерий ограниченности числовой последовательности

[Править]Свойства ограниченных последовательностей

[Править]Бесконечно большие и бесконечно малые последовательности

[Править]Свойства бесконечно малых последовательностей

[Править]Сходящиеся и расходящиеся последовательности

[Править]Свойства сходящихся последовательностей

41. Понятие функции. Способы задания функции.

42. Предел функции в точке, в бесконечности. Геометрическая интерпретация. Определения и примеры.

43. Теоремы о пределах:

44. Непрерывные функции и их свойства:

Свойства Локальные

Глобальные

Теорема о сохранении знака для непрерывной функции

Доказательство

45. Первый замечательный предел. Следствия. Теорема о пределе суммы, произведения и частного.

46. Ограниченные функции и их свойства. Необходимое условие существования предела функции в точке.

47. Бесконечно малые функции, их свойства. Леммы

Леммы о бесконечно малых

48. Критерий существования предела функции в точке.

49. Бесконечно большие функции, связь с бесконечно малыми функциями.

50. Раскрытие неопределенностей. Второй замечательный предел.

51. Эквивалентные бесконечно малые функции. Таблица эквивалентных бесконечно малых функций.

52. Теорема о применении эквивалентных бесконечно малых к вычислению пределов.

3.2. Основные формулы эквивалентности бесконечно малых.

53. Односторонние пределы функции в точке. Односторонняя непрерывность функции в точке.

54. Точки разрыва функции и их классификация.

55. Свойства функций, непрерывных на отрезке.

56. Задачи, приводящие к понятию производной. Понятие производной. Геометрический и физический смысл производной.

1.1 Задачи, приводящие к понятию производной

, Если.

57. Дифференцируемость функции. Критерий дифференцируемости функции в точке.

57. Дифференцируемость функции. Критерий дифференцируемости функции в точке.

58. Производная сложной функции.

59. Дифференциал функции. Инвариантность формы записи первого дифференциала.

60. Обратная функция и ее производная.

60. Обратная функция и ее производная.

61. Правила дифференцирования.

63. Логарифмическое дифференцирование. Производная степенно-показательной функции.

5.4. Производная степенно-показательной функции

64. См. Отдельный файл.

65. Теоремы о среднем – Ферма, Ролля.

66. Теоремы о среднем – Лагранжа, Коши.

67. Дифференциалы высших порядков. Неинвариантность формы записи.

68. Правило Лопиталя. Раскрытие неопределенностей с использованием правила Лопиталя.

69. Формула Тейлора. Разложение функции по формуле Тейлора.

70. Монотонность функции. Условия монотонности.

71. Экстремумы функции. Необходимое условие существования экстремума.

72. Достаточные условия экстремума.

73. Выпуклость и вогнутость графика функции. Точки перегиба.

74. Асимптоты графика.

[Править]Виды асимптот графиков [править]Вертикальная

[Править]Горизонтальная

[Править]Наклонная

[Править]Нахождение асимптот

76. Метод замены переменных в неопределенном интеграле.

77. Интегрирование по частям в неопределенном интеграле. Классы функций, интегрируемых по частям.

78. Рациональные дроби. Разложение рациональных дробей на сумму простейших.

79. Интегрирование простейших рациональных дробей.

80. Интегрирование тригонометрических функций.

81. Интегрирование иррациональностей вида…

82. Интегрирование иррациональностей вида…

83. Понятие определенного интеграла, его геометрический смысл и свойства. Теорема о среднем.

84. Интеграл с переменным верхним пределом. Формула Ньютона-Лейбница.

85. Полярная система координат. Уравнения кривых в полярной системе координат.

Уравнение кривых в полярных координатах

Окружность

Полярная роза

Спираль Архимеда

Конические сечения

86. Вычисление определенного интеграла. Применение его к вычислению площадей плоских фигур, длины дуги кривой.

87. Вычисление объемов тел, объемов тел вращения.

88. Приложение определенного интеграла к задачам физики.

89. Несобственные интегралы I рода.

89. Несобственные интегралы I рода.

Несобственные интегралы I рода

Геометрический смысл несобственного интеграла I рода

Примеры

90. Несобственные интегралы II рода.

Геометрический смысл несобственных интегралов II рода

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 уравненийопределяет 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 видесоответствуют 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 видасчитается 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.

"

– общее уравнение плоскости в пространстве

Нормальный вектор плоскости

Нормальным вектором плоскости назовем ненулевой вектор, ортогональный каждому вектору, лежащему в плоскости.

Уравнение плоскости, проходящей через точкус заданным вектором нормали

– уравнение плоскости, проходящей через точку M0 с заданным вектором нормали

Направляющие векторы плоскости

Два неколлинеарных вектора, параллельных плоскости, назовем направляющими векторами плоскости

Параметрические уравнения плоскости

– параметрическое уравнение плоскости в векторном виде

– параметрическое уравнение плоскости в координатах

Уравнение плоскости через заданную точку и два направляющих вектора

–фиксированная точка

–просто точка лол

–компланарные, значит их смешанное произведение равно 0.

Уравнение плоскости, проходящей через три заданные точки

– уравнение плоскости через три точки

Уравнение плоскости в отрезках

– уравнение плоскости в отрезках

Доказательство

Для доказательства воспользуемся тем, что наша плоскость проходит через A,B,C, а нормальный вектор

Подставим координаты точки и вектораnв уравнение плоскости с нормальным вектором

Разделим все на и получим

Такие дела.

Нормальное уравнение плоскости

– угол междуoxи нормальным вектором к плоскости, выходящим из О.

– угол междуoyи нормальным вектором к плоскости, выходящим из О.

– угол междуozи нормальным вектором к плоскости, выходящим из О.

– расстояние от начала координат до плоскости.

Доказательство или какая-то такая хуйня

Знак противоположен D.

Аналогично для остальных косинусов. Конец.

Расстояние от точки до плоскости

Точка S, плоскость

– ориентированное расстояние от точкиSдо плоскости

Если , тоSи О лежат по разные стороны от плоскости

Если , тоSи О лежат по одну сторону

Умножаем наn

Взаимное расположение двух прямых в пространстве

Угол между плоскостями

При пересечении образуется две пары вертикальных двухгранных углов, наименьший называется углом между плоскостями

Прямая в пространстве

Прямая в пространстве может быть задана как

Пересечение двух плоскостей:

Параметрические уравнения прямой

– параметрическое уравнение прямой в векторном виде

– параметрическое уравнение прямой в координатах

Каноническое уравнение

– каноническое уравнение прямой.

Уравнение прямой, проходящей через две заданные точки

– каноническое уравнение прямой в векторном виде;

Взаимное расположение двух прямых в пространстве

Взаимное расположение прямой и плоскости в пространстве

Угол между прямой и плоскостью

Расстояние от точки до прямой в пространстве

a– направляющий вектор нашей прямой.

– произвольная точка, принадлежащая данной прямой

– точка, до которой ищем расстояние.

Расстояние между двумя скрещивающимися прямыми

Расстояние между двумя параллельными прямыми

М1 – точка, принадлежащая первой прямой

М2 – точка, принадлежащая второй прямой

Кривые и поверхности второго порядка

Эллипсом назовем множество точек плоскости, сумма расстояний от которых до двух заданных точек (фокусов) есть величина постоянная.

Каноническое уравнение эллипса

Заменим на

Разделим на

Свойства эллипса

Пересечение с осями координат

Симметрия относительно

1. Начала координат

Эллипс представляет собой кривую, лежащую в ограниченной части плоскости

Эллипс можно получить из окружности путем её растяжения или сжатия

Параметрическое уравнение эллипса:

– директрисы

Гипербола

Гиперболой назовем множество точек плоскости, для которых модуль разности расстояний до 2х заданных точек (фокусов) есть величина постоянная(2a)

Делаем все то же самое, что и с эллипсом, получаем

Заменяем на

Делим на

Свойства гиперболы

;

– директрисы

Асимптота

Асимптота – прямая, к которой кривая неограниченно приближается, удаляясь в бесконечность.

Парабола

Свойства паработы

Родство эллипса, гиперболы и параболы.

Родство между этими кривыми имеет алгебраическое объяснение: все они задаются уравнениями второй степени. В любой системе координат уравнения этих кривых имеют вид: ax 2 +bxy+cy 2 +dx+ey+f=0, где a, b, c, d, e, f – числа

Преобразование прямоугольных декартовых систем координат

Параллельный перенос системы координат

–O’ в старой системе координат

–координаты точки в старой системе координат

–координаты точки в новой системе координат

Координаты точки в новой системе координат.

Поворот в прямоугольной декартовой системе координат

–новая система координат

Матрица перехода от старого базиса к новому

– (под первым столбцомI ’ , под вторым –j ’ ) матрица перехода от базисаI ,j к базисуI ’ ,j ’

Общий случай

1 вариант

1. Поворот системы координат

2 вариант

1. Поворот системы координат

   Параллельный перенос начала координат

Общее уравнение линий второго порядка и его приведение к каноническому виду

– общий вид уравнений кривой второго порядка

Классификация кривых второго порядка

Эллипсоид

Сечения эллипсоида

– эллипс

– эллипс

Эллипсоиды вращения

Эллипсоидами вращения являются либо сплющенные, либо вытянутые сфероиды, в зависимости от того, вокруг чего вращаем.

Однополосный гиперболоид

Сечения однополосного гиперболоида

– гипербола с действительной осьюoy

– гипербола с действительной осью ох

Получается эллипс при любых h. Такие дела.

Однополосные гиперболоиды вращения

Однополостный гиперболоид вращения может быть получен вращением гиперболы вокруг её мнимой оси.

Двуполостный гиперболоид

Сечения двуполостного гиперболоида

– гипербола с действ. Осьюoz

– гипербола с действительной осьюoz

Конус

– пара пересекающихся прямых

– пара пересекающихся прямых

Эллиптический параболоид

- парабола

– парабола

Вращения

Если , то эллиптический параболоид представляет собой поверхность вращения, образованную вращением параболы вокруг её оси симметрии.

Гиперболический параболоид

Парабола

– парабола

h>0 гипербола с действительной осью параллельной ох

h<0 гипербола с действительной осью паралльной оу и мнимой ох

Под цилиндром будем понимать поверхность, которая будет получаться при движении прямой в пространстве, не меняющая своего направления, если прямая движется относительно oz, то уравнение цилиндра есть уравнение сечения плоскостьюxoy.

Эллиптический цилиндр

Гиперболический цилиндр

Параболический цилиндр

Прямолинейные образующие поверхностей второго порядка

Прямые, полностью лежащие на поверхности, называются прямолинейными образующими поверхности.

Поверхности вращения

Ебать ты лох

Отображение

Отображением назовем правило, по которому каждому элементу множества А ставится в соответствие один или несколько элементов множестваB. Если каждому ставится единственный элемент множества В, то отображение называетсяоднозначным , иначемногозначным .

Преобразованием множества называется взаимнооднозначное отображение множества на себя

Инъекция

Инъекция или взаимно-однозначное отображение множества А на множество В

(разным элементам а соответствуют разные элементы В) например y=x^2

Сюръекция

Сюръекция или отображение множества А на множество В

Для каждого В существует хотя бы одно А(например синус)

Каждому элементу множества В соответствует только один элемент множества А.(например y=x)

Рассмотрим в пространстве плоскость Q. Положение ее вполне определяется заданием вектора N, перпендикулярного этой плоскости, и некоторой фиксированной точки лежащей в плоскости Q. Вектор N, перпендикулярный плоскости Q, называется нормальным вектором этой плоскости. Если обозначить через А, В и С проекции нормального вектора N, то

Выведем уравнение плоскости Q, проходящей через данную точку и имеющей данный нормальный вектор . Для этого рассмотрим вектор соединяющий точку с произвольной точкой плоскости Q (рис. 81).

При любом положении точки М на плоскости Q вектор МХМ перпендикулярен нормальному вектору N плоскости Q. Поэтому скалярное произведение Запишем скалярное произведение через проекции. Так как , а вектор , то

и, следовательно,

Мы показали, что координаты любой точки плоскости Q удовлетворяют уравнению (4). Нетрудно заметить, что координаты точек, не лежащих на плоскости Q, этому уравнению не удовлетворяют (в последнем случае ). Следовательно, нами получено искомое уравнение плоскости Q. Уравнение (4) называется уравнением плоскости, проходящей через данную точку. Оно первой степени относительно текущих координат

Итак, мы показали, что всякой плоскости соответствует уравнение первой степени относительно текущих координат.

Пример 1. Написать уравнение плоскости, проходящей через точку перпендикулярно вектору .

Решение. Здесь . На основании формулы (4) получим

или, после упрощения,

Придавая коэффициентам А, В и С уравнения (4) различные значения, мы можем получить уравнение любой плоскости, проходящей через точку . Совокупность плоскостей, проходящих через данную точку, называется связкой плоскостей. Уравнение (4), в котором коэффициенты А, В и С могут принимать любые значения, называются уравнением связки плоскостей.

Пример 2. Составить уравнение плоскости, проходящей через три точки , (рис. 82).

Решение. Напишем уравнение связки плоскостей, проходящих через точку

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.