Уравнение сферы плоскости и прямой

Уравнение сферы плоскости и прямой

Всякое уравнение первой степени относительно координат x, y, z

Ax + By + Cz +D = 0 (3.1)

задает плоскость, и наоборот: всякая плоскость может быть представлена уравнением (3.1), которое называется уравнением плоскости.

Вектор n (A, B, C ), ортогональный плоскости, называется нормальным вектором плоскости. В уравнении (3.1) коэффициенты A, B, C одновременно не равны 0.

Особые случаи уравнения (3.1):

1. D = 0, Ax+By+Cz = 0 — плоскость проходит через начало координат.

2. C = 0, Ax+By+D = 0 — плоскость параллельна оси Oz.

3. C = D = 0, Ax +By = 0 — плоскость проходит через ось Oz.

4. B = C = 0, Ax + D = 0 — плоскость параллельна плоскости Oyz.

Уравнения координатных плоскостей: x = 0, y = 0, z = 0.

Прямая в пространстве может быть задана:

1) как линия пересечения двух плоскостей,т.е. системой уравнений:

2) двумя своими точками M1(x1, y1, z1) и M2(x2, y2, z2), тогда прямая, через них проходящая, задается уравнениями:

= ; (3.3)

3) точкой M1(x1, y1, z1), ей принадлежащей, и вектором a (m, n, р), ей коллинеарным. Тогда прямая определяется уравнениями:

. (3.4)

Уравнения (3.4) называются каноническими уравнениями прямой.

Вектор a называется направляющим вектором прямой.

Параметрические уравнения прямой получим, приравняв каждое из отношений (3.4) параметру t:

Решая систему (3.2) как систему линейных уравнений относительно неизвестных x и y, приходим к уравнениям прямой в проекциях или к приведенным уравнениям прямой:

x = mz + a, y = nz + b. (3.6)

От уравнений (3.6) можно перейти к каноническим уравнениям, находя z из каждого уравнения и приравнивая полученные значения:

.

От общих уравнений (3.2) можно переходить к каноническим и другим способом, если найти какую-либо точку этой прямой и ее направляющий вектор n = [n1, n2], где n1(A1, B1, C1) и n2(A2, B2, C2) — нормальные векторы заданных плоскостей. Если один из знаменателей m, n или р в уравнениях (3.4) окажется равным нулю, то числитель соответствующей дроби надо положить равным нулю, т.е. система

равносильна системе ; такая прямая перпендикулярна к оси Ох.

Система равносильна системе x = x1, y = y1; прямая параллельна оси Oz.

Пример 1.15. Cоставьте уравнение плоскости, зная, что точка А(1,-1,3) служит основанием перпендикуляра, проведенного из начала координат к этой плоскости.

Решение. По условию задачи вектор ОА(1,-1,3) является нормальным вектором плоскости, тогда ее уравнение можно записать в виде
x-y+3z+D=0. Подставив координаты точки А(1,-1,3), принадлежащей плоскости, найдем D: 1-(-1)+3×3+D = 0 , D = -11. Итак, x-y+3z-11=0.

Пример 1.16. Составьте уравнение плоскости, проходящей через ось Оz и образующей с плоскостью 2x+y-z-7=0 угол 60 о .

Решение. Плоскость, проходящая через ось Oz, задается уравнением Ax+By=0, где А и В одновременно не обращаются в нуль. Пусть В не
равно 0, A/Bx+y=0. По формуле косинуса угла между двумя плоскостями

.

Решая квадратное уравнение 3m 2 + 8m — 3 = 0, находим его корни
m1 = 1/3, m2 = -3, откуда получаем две плоскости 1/3x+y = 0 и -3x+y = 0.

Пример 1.17. Составьте канонические уравнения прямой:
5x + y + z = 0, 2x + 3y — 2z + 5 = 0.

Решение. Канонические уравнения прямой имеют вид:

где m, n, р — координаты направляющего вектора прямой, x1, y1, z1 — координаты какой-либо точки, принадлежащей прямой. Прямая задана как линия пересечения двух плоскостей. Чтобы найти точку, принадлежащую прямой, фиксируют одну из координат (проще всего положить, например, x=0) и полученную систему решают как систему линейных уравнений с двумя неизвестными. Итак, пусть x=0, тогда y + z = 0, 3y — 2z+ 5 = 0, откуда y=-1, z=1. Координаты точки М(x1, y1, z1 ), принадлежащей данной прямой, мы нашли: M (0,-1,1). Направляющий вектор прямой легко найти, зная нормальные векторы исходных плоскостей n1(5,1,1) и n2(2,3,-2). Тогда

Читайте также:  Как сделать фотоколлаж с музыкой

Канонические уравнения прямой имеют вид: x/(-5) = (y + 1)/12 =
= (z — 1)/13.

Пример 1.18. В пучке, определяемом плоскостями 2х-у+5z-3=0 и х+у+2z+1=0, найти две перпендикулярные плоскости, одна из которых проходит через точку М(1,0,1).

Решение. Уравнение пучка, определяемого данными плоскостями, имеет вид u(2х-у+5z-3) + v(х+у+2z+1)=0, где u и v не обращаются в нуль одновременно. Перепишем уравнение пучка следующим образом:

(2u +v)x + (- u + v)y + (5u +2v)z — 3u + v = 0.

Для того, чтобы из пучка выделить плоскость, проходящую через точку М, подставим координаты точки М в уравнение пучка. Получим:

(2u+v)×1 + ( -u + v)×0 + (5u + 2v) ×1 -3u + v =0, или v = — u.

Тогда уравнение плоскости, содержащей M, найдем, подставив v = — u в уравнение пучка:

u(2x-y +5z — 3) — u (x + y +2z +1) = 0.

Т.к. u≠0 ( иначе v=0, а это противоречит определению пучка ), то имеем уравнение плоскости x-2y+3z-4=0. Вторая плоскость, принадлежащая пучку, должна быть ей перпендикулярна. Запишем условие ортогональности плоскостей:

(2u+ v) ×1 + (v — u) ×(-2) + (5u +2v) ×3 = 0, или v = — 19/5u.

Значит, уравнение второй плоскости имеет вид:

u(2x -y+5z — 3) — 19/5 u(x + y +2z +1) = 0 или 9x +24y + 13z + 34 = 0.

Практическое занятие 36

Форма проведения: Практическая

Обучающая: закрепить понятие уравнения сферы,плоскостии прямой

Развивающая: развивать логическое мышление, пространственное воображение; умение сравнивать, проводить аналогию; интерес к предмету; творческие способности учащихся.

Воспитывающая: воспитывать взаимопомощь у учащихся через работу в группах; уважение к мнению других.

раздаточный материал: карточки с заданиями, заготовки для вывода уравнения сферы, шкалы для оценки урока на этапе рефлексия, маркеры, магниты, чистые листы;

глобус, разминка для глаз в виде полушарий земной поверхности;

Ход урока

Девиз урока Математику нельзя изучать, наблюдая, как это делает сосед! Древнегреческий поэт Нивен

Уравнения прямой и плоскости

Уравнение прямой на плоскости в декартовой системе координат можно задать уравнением вида

для случая, когда прямая не параллельна оси OY, и уравнением

для вертикальной прямой. Но прямая может быть также задана и другим способом. Достаточно указать вектор направления этой прямой и какую-нибудь точку , лежащую на этой прямой. При этом точки, лежащие на прямой, могут быть заданы с использованием векторных операций в виде так называемого параметрического уравнения прямой

в котором параметр t пробегает все значения числовой прямой. Координаты точки, соответствующей некоторому значению этого параметра, определяются соотношениями

( 3.4)

Прямую в пространстве тоже можно задавать параметрическим уравнением, которое очень легко получить из предыдущего простым переходом от двумерных векторов к трехмерным. Пусть . Тогда это уравнение будет определять прямую в пространстве, а координаты точек этой прямой будут определяться формулами

( 3.5)

Как известно из элементарной геометрии, через любые три точки в пространстве проходит плоскость. С другой стороны, через каждую точку плоскости можно провести единственную прямую, перпендикулярную данной плоскости. При этом все эти прямые будут параллельны друг другу, а значит, они имеют общий вектор направления. Этот вектор будем называть нормалью к плоскости. Если длина вектора равна единице, мы будем называть его единичной нормалью. В компьютерной графике часто приходится решать задачу построения нормали к некоторой плоскости, заданной тремя точками, а также задачи пересечения прямой с плоскостью и двух плоскостей.

Читайте также:  Как вычислить по айпи в чат рулетке

Плоскость в пространстве можно задать, указав вектор нормали к ней и какую-либо точку, принадлежащую данной плоскости. Пусть — вектор единичной нормали, а — некоторая точка на плоскости. Тогда для любой точки , лежащей на плоскости, вектор будет ортогонален вектору нормали, а следовательно, выполняется равенство

Раскрывая это выражение в координатном виде, получаем

Теперь перепишем это уравнение в виде

( 3.6)

где . Это уравнение называется каноническим уравнением плоскости. При этом совершенно ясно, что если все это уравнение умножить на какой-либо отличный от нуля множитель, то оно будет описывать ту же самую плоскость, т.е. коэффициенты для каждой плоскости задаются с точностью до произвольного ненулевого множителя. Но если при этом вектор имеет единичную длину, то задает расстояние от начала координат до данной плоскости.

В алгоритмах компьютерной графики довольно часто приходится сталкиваться с задачей построения плоскости, проходящей через три заданные точки. Пусть три точки , и , не лежащие на одной прямой, имеют координатами и . Для канонического уравнения необходимо построить нормаль к плоскости, что легко можно осуществить, используя операцию векторного произведения. Поскольку векторы и лежат в искомой плоскости, то вектор будет ортогонален этой плоскости. Пусть , тогда уравнение плоскости будет иметь вид

Остается определить значение . Так как точка принадлежит этой плоскости, то ее координаты должны удовлетворять полученному уравнению. Подставим их в уравнение и получим

и после подстановки окончательно получим:

( 3.7)

В большинстве алгоритмов, использующих плоскости, достаточно знать нормаль к ней и какую-либо точку, принадлежащую плоскости. Очевидно, что по аналогии можно вывести каноническое уравнение прямой на плоскости, если задана нормаль к ней и принадлежащая прямой точка.

Уравнение сферы

Найдем уравнение сферы радиуса R с центром в точке O1(x;y;z). Согласно определению сферы расстояние любой ее точки М(х; у; z) от центра O1(x;y;z) равно радиусу R, т. е. O1M= R. Но , где . Следовательно,

Это и есть искомое уравнение сферы. Ему удовлетворяют координаты лю­бой ее точки и не удовлетворяют координаты точек, не лежащих на данной сфере.

Если центр сферы Ο1 совпадает с началом координат, то уравнение сферы принимает вид .

Если же дано уравнение вида F(x;y;z) = 0 , то оно, вообще говоря, определяет в пространстве некоторую поверхность.

Выражение «вообще говоря» означает, что в отдельных случаях уравнение F(x; y; z)=0 может определять не поверхность, а точку, линию или вовсе не определять никакой геометрический образ. Говорят, «поверхность вырождается».

Так, уравнению не удовлетворяют никакие дей­ствительные значения х, у, z. Уравнению удовлетворяют лишь координаты точек, лежащих на оси Ох (из уравнения следует: у = 0, z = 0, а х — любое число).

Итак, поверхность в пространстве можно задать геометрически и ана­литически. Отсюда вытекает постановка двух основных задач:

1. Дана поверхность как геометрическое место точек. Найти уравнение этой поверхности.

2. Дано уравнение F(x;y;z) = 0. Исследовать форму поверхности, определяемой этим уравнением.

Читайте также:  Цифровые приставки эфирного тв

1. Сфера задана уравнением (x – 1) 2 + y 2 + (z – 2) 2 = 9.

1. Найдите координаты центра и радиуса сферы.

2. Определите, принадлежат ли данной сфере точки А(1; 3; -1) и В(2; 2; 1).

2. Сфера с центром в точке О(0; 1; -2) проходит через точку А(-3; 1; 2).

1. Составьте уравнение сферы.

2. Найдите координаты точек оси абсцисс, принадлежащих данной сфере.

3. Точки А(1; 2; -3) и В(7; 2; 5) лежат на сфере радиуса 13. Найдите

расстояние от центра сферы до прямой АВ.

1. Сфера задана уравнением x 2 + (y +3) 2 + (z – 2) 2 = 25.

1. Найдите координаты центра и радиуса сферы.

2. Определите, принадлежат ли данной сфере точки А(4; -3; -1) и В(0; 1; 3).

2. Сфера с центром в точке О(-1; 0; 2) проходит через точку А(1; 2; 1).

1. Составьте уравнение сферы.

2. Найдите координаты точек оси ординат, принадлежащих данной сфере.

3. Точки А(1; 5; 6) и В(1; -1; -2) лежат на сфере, центр которой удален от

середины отрезка АВ на 12. Найдите радиус сферы.

1. Сфера задана уравнением x 2 + y 2 + z 2 + 2y – 4z = 4.

a) Найдите координаты центра и радиуса сферы.

b) Найдите значение m, при котором точки А(0; m; 2) и

В(1; 1; m — 2) принадлежат данной сфере.

2. Диаметр сферы – отрезок АВ с концами А(2; -1; 4) и В(2; 7; 10).

a) Составьте уравнение сферы.

b) Найдите кратчайшее расстояние от точки данной сферы до плоскости Оxy.

3. Сфера задана уравнением (x + 3) 2 + (y – 4) 2 + (z + 1) 2 = 25. Найдите

длину линии, по которой данная сера пересекается с плоскостью Оyz.

Определение 1. Пусть F(X,Y,Z) — Функция от трех действительных переменных X, Y, Z И в пространстве задана аффинная система координат . Уравнение

Называется Уравнением поверхности s В данной системе координат, если выполняются два условия:

Основными задачами аналитической геометрии в пространстве являются следующие задачи:

4) по определению поверхности составить ее уравнение в заданной пространственной системе координат;

5) по уравнению поверхности изучить ее свойства, установить вид поверхности и изобразить ее.

Определение 2. Сферой с центром в точке C Радиуса R Называется геометрическое место всех точек пространства, для каждой из которых расстояние до точки C равно R.

Обозначим сферу с центром в точке C радиуса символом S(C,R).

Выведем уравнение сферы в данной прямоугольной системе координат Oxyz. Пусть C(X0,Y0,Z0). По определению сферы точка M(X,Y,Z) принадлежит сфере с центром в точке C радиуса R тогда и только тогда, когда

По формуле расстояния между двумя точками равенство (2) можно представить в виде:

.

Возведем в квадрат обе части полученного уравнения и находим уравнение сферы:

, (3)

Которое равносильное первоначальному.

Если центр сферы совпадает с началом координат, то уравнение (3) принимает вид:

. (4)

С помощью систем уравнений и неравенств могут быть в пространстве определены различные пространственные тела.

Определение 3. Шаром с центром в точке C Радиуса R Называется геометрическое место всех точек пространства, для каждой из которых расстояние до точки C не больше R.

Шар с центром в точке C(X0,Y0,Z0) радиуса R Задается неравенством

.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector