1.7. Плоскость и прямая в пространстве. Поверхности второго порядка.
1.7.1. Плоскость.
Рассмотрим в декартовом базисе произвольную плоскость Р и вектор нормали (перпендикулярный) к ней `n (А, В, С). Возьмем в этой плоскости произвольную фиксированную точку М0(х0, у0, z0) и текущую точку М(х, у, z).
Очевидно, что ?`n = 0 (1.53)(см.(1.20) при j = p /2). Это уравнение плоскости в векторной форме. Переходя к координатам, получим общее уравнение плоскости
А(х – х0) + В(у – у0) + С(z – z0) = 0 ?Ах + Ву + Сz + D = 0 (1.54).
(D = –Ах0– Ву0 – Сz0; А2 + В2 + С2 ? 0).
Можно показать, что в декартовых координатах каждая плоскость определяется уравнением первой степени и, обратно, каждое уравнение первой степени определяет плоскость, (т.е. плоскость есть поверхность первого порядка и поверхность первого порядка есть плоскость).
Рассмотрим некоторые частные случаи расположения плоскости, заданной общим уравнением:
А = 0 – параллельна оси Ох; В = 0 – параллельна оси Оу; С = 0 – параллельна оси Оz. (Такие плоскости, перпендикулярные одной из координатных плоскостей, называют проектирующими); D = 0 – проходит через начало координат; А = В = 0 – перпендикулярна оси Оz (параллельна плоскости хОу); А = В = D = 0 – совпадает с плоскостью хОу (z = 0). Аналогично анализируются все остальные случаи.
Если D ? 0, то, разделив обе части (1.54) на -D, можно привести уравнение плоскости к виду: (1.55),
а = – D /А, b = –D/ В, с =–D /С. Соотношение (1.55) называетcя уравнением плоскости в отрезках; а, b, с – абсцисса, ордината и аппликата точек пересечения плоскости с осями Ох, Оу, Оz, а |a|, |b|, |c| – длины отрезков, отсекаемых плоскостью на соответствующих осях от начала координат.
Умножая обе части (1.54) на нормирующий множитель (mD < 0) получим нормальное уравнение плоскости:
xcosa + ycosb + zcosg – p = 0 (1.56)
где cosa = Аm, cosb = Вm, cosg = Сm – направляющие косинусы нормали к плоскости, р – расстояние до плоскости от начала координат.
Рассмотрим основные соотношения, используемые в расчетах. Угол между плоскостями А1х + В1у + С1z + D1 = 0 и А2х + В2у + С2z + D2 = 0 легко определить как угол между нормалями этих плоскостей `n1 (А1, В1, С1) и
`n2 (А2, В2, С2): (1.57)
Из (1.57) легко получить условие перпендикулярности
А1А2 + В1 В2 + С1 С2 = 0 (1.58)
и параллельности (1.59) плоскостей и их нормалей.
Расстояние от произвольной точки М0(х0, у0, z0) до плоскости (1.54)
определяется выражением: (1.60)
Уравнение плоскости, проходящей через три заданные точки М1(х1, у1, z1), М2(х2, у2, z2), М3(х3, у3, z3) удобнее всего записать используя условие компланарности (1.25) векторов где М(х, у, z) – текущая точка плоскости.
(1.61)
Приведем уравнение пучка плоскостей (т.е. множества плоскостей, проходящих через одну прямую) – его удобно использовать в ряде задач.
(А1х + В1у + С1z + D1) + l(А2х + В2у + С2z + D2) = 0 (1.62)
Где l Î R, а в скобках - уравнения двух любых плоскостей пучка.
Контрольные вопросы.
1) Как проверить, что данная точка лежит на поверхности, заданной данным уравнением?
2) Каков характерный признак, отличающий уравнение плоскости в декартовой системе координат от уравнения других поверхностей?
3) Как расположена плоскость относительно системы координат, если в её уравнении отсутствует: а) свободный член; б) одна из координат; в) две координаты; г) одна из координат и свободный член; д) две координаты и свободный член?
Тест 11.
1) Даны точки М1(0,-1,3) и М2(1,3,5). Написать уравнение плоскости, проходящей через точку М1 и перпендикулярной к вектору Выбрать верный ответ:
а) ; б) .
2) Найти угол между плоскостями и . Выбрать верный ответ:
а) 135о, б) 45о
1.7.2. Прямая. Плоскости, нормали которых не коллинеарны, или пересекаются, однозначно определяя прямую как линию их пересечения, что и записывается следующим образом:
(1.63)
Через эту прямую можно провести бесконечно много плоскостей (пучок плоскостей (1.62)), в том числе и проектирующие ее на координатные плоскости. Чтобы получить их уравнения, достаточно преобразовать (1.63), исключив из каждого уравнения по одной неизвестной и приведя их, например, к виду (1.63`).
Поставим задачу – провести через точку М0(х0,у0,z0) прямую, параллельную вектору `S (l, m, n) (его называют направляющим). Возьмем на искомой прямой произвольную точку М(х,у,z). Векторы и должны быть коллинеарны, откуда получаем канонические уравнения прямой.
(1.64) или (1.64`)
где cosa, cosb, cosg – направляющие косинусы вектора `S. Из (1.64) легко получить уравнение прямой, проходящей через заданные точки М1(х1, у1, z1) и М2(х2, у2, z2) (она параллельна )
или (1.64``)
(Значения дробей в (1.64) равны для каждой точки прямой и могут быть обозначены через t, где tR.
Это позволяет ввести параметрические уравнения прямойКаждому значению параметра t соответствует набор координат х, у, z точки на прямой или (иначе) - значения неизвестных, удовлетворяющих уравнениям прямой).
Используя уже известные свойства векторов и операций над ними и канонические уравнения прямой легко получить следующие формулы:
Угол между прямыми: (1.65)
где `S1 и `S2 – направляющие векторы прямых.
Условие параллельности (1.66).
перпендикулярности l1l2 + m1m2 + n1n2 = 0 (1.67) прямых.
Угол между прямой и плоскостью (легко получить, найдя угол между прямой и нормалью к плоскости, составляющий в сумме с искомым p/2)
(1.68)
Из (1.66) получаем условие параллельности Al + Bm + Cn = 0 (1.69)
и перпендикулярности (1.70) прямой и плоскости. Необходимое и достаточное условие нахождения двух прямых в одной плоскости легко получить из условия компланарности (1.25).
(1.71)
контрольные вопросы.
1) Каковы способы задания прямой линии в пространстве?
Тест 12.
1) Написать уравнения прямой, проходящей через точку А(4,3,0) и параллельной вектору Указать верный ответ:
а) ; б) .
2) Написать уравнения прямой, проходящей через точки А(2,-1,3) и В(2,3,3). Указать верный ответ.
а) ; б) .
3) Найти точку пересечения прямой с плоскостью: , . Указать верный ответ:
а) (6,4,5); б) (6,-4,5).
1.7.3. Поверхности второго порядка. Если линейное уравнение в трехмерном декартовом базисе однозначно определяет плоскость, любое нелинейное уравнение, содержащее х, у, z описывает какую – то иную поверхность. Если уравнение имеет вид
Ах2 + Ву2 + Cz2 + 2Dxy + 2Exz + 2Fyz + 2Gx + 2Hy + 2Kz + L = 0, то оно описывает поверхность второго порядка (общее уравнение поверхности второго порядка). Выбором или преобразованием декартовых координат уравнение можно максимально упростить, приведя к одной из следующих форм, описывающих соответствующую поверхность.
1. Канонические уравнения цилиндров второго порядка, образующие которых параллельны оси Oz, а направляющими служат соответствующие кривые второго порядка, лежащие в плоскости хОу:
(1.72), (1.73), у2 = 2рх (1.74)
эллиптический, гиперболический и параболический цилиндры соответственно.
(Напомним, что цилиндрической называют поверхность, полученную перемещением прямой, называемой образующей, параллельно самой себе. Линию пересечения этой поверхности с плоскостью, перпендикулярной образующей, называют направляющей – она определяет форму поверхности).
По аналогии можно записать уравнения таких же цилиндрических поверхностей с образующими, параллельными оси Оу и оси Oх. Направляющую можно задать, как линию пересечения поверхности цилиндра и соответствующей координатной плоскости, т.е. системой уравнений вида:
2. Уравнения конуса второго порядка с вершиной в начале координат:
(1.75)
(осями конуса служат оси Oz, Oy и Ох соответственно)
3.
Каноническое уравнение эллипсоида: (1.76);Частными случаями являются эллипсоиды вращения, например – поверхность, полученная вращением эллипса вокруг оси Оz (При
а > с эллипсоид сжат, при a < c – удлинен) и сфера (при а = b = с = r получим
х2 + у2+ z2 + = r2 – уравнение сферы радиуса r с центром в начале координат).
4. Каноническое уравнение однополостного гиперболоида
(1.77)
(знак “ – ” может стоять перед любым из трех слагаемых левой части – это изменяет только положение поверхности в пространстве). Частные случаи – однополостные гиперболоиды вращения, например – поверхность, полученная вращением гиперболы вокруг оси Oz (мнимой оси гиперболы).
5. Каноническое уравнение двухполостного гиперболоида
(1.78)
(знак “ – ” может стоять перед любым из трех слагаемых левой части).
Частные случаи – двухполостные гиперболоиды вращения, например – поверхность, полученная вращением гиперболы вокруг оси Оz (действительной оси гиперболы).
6. Каноническое уравнение эллиптического параболоида
(p >0, q >0) (1.79)
(переменная z может поменяться местами с любой из переменных х и у – изменится положение поверхности в пространстве).
7. Каноническое уравнение гиперболического параболоида
(p >0, q >0) (1.80)
(переменная z может поменяться местами с любой из переменных х и у – изменится положение поверхности в пространстве).
Отметим, что представление об особенностях (форме) этих поверхностей легко получить, рассматривая сечения этих поверхностей плоскостями, перпендикулярными осям координат.
контрольные вопросы.
1) Какое множество точек в пространстве определяет уравнение ?
2) Каковы канонические уравнения цилиндров второго порядка; конуса второго порядка; эллипсоида; однополостного гиперболоида; двухполостного гиперболоида; эллиптического параболоида; гиперболического параболоида?
Тест 13.
1) Найти центр и радиус сферы и указать верный ответ:
а) С(1,5;-2,5;2), ; б) С(1,5;2,5;2), ;
2) Определить вид поверхности, заданной уравнениями: . Указать верный ответ:
а) однополостный гиперболоид; гиперболический параболоид; эллиптический параболоид; конус.
б) двухполостный гиперболоид; гиперболический параболоид; эллиптический параболоид; конус.