Краткое содержание
Этот урок переносит в пространство прямую, заданную точкой и направляющим вектором, и описывает плоскость в векторной и параметрической форме, через точку и два направляющих вектора, и в декартовой форме, через уравнение , коэффициенты которого образуют вектор нормали. Векторное произведение связывает обе формы, и доказывается, что всякая плоскость имеет общее уравнение, единственное с точностью до множителя. Взаимное расположение плоскостей и прямых сводится к линейным системам и классифицируется теоремой Кронекера-Капелли (теоремой Руше-Фробениуса); смешанное произведение решает, пересекаются ли две прямые или скрещиваются. Урок завершается пучком плоскостей и задачами о маршрутах самолётов, наклоне местности и тетраэдрах.
Цели обучения
- Записывать прямую в пространстве в векторной, параметрической и канонической форме, в том числе когда какая-либо координата направляющего вектора равна нулю, и доказывать, что через две различные точки проходит единственная прямая.
- Записывать плоскость в векторной, параметрической и декартовой форме, переходить от одной формы к другой с помощью векторного произведения и строить плоскость, проходящую через три точки, не лежащие на одной прямой.
- Доказывать, что всякая плоскость имеет общее уравнение, единственное с точностью до ненулевого множителя, и что всякое линейное уравнение относительно , и с каким-либо ненулевым коэффициентом задаёт плоскость.
- Определять взаимное расположение двух или трёх плоскостей, прямой и плоскости и двух прямых по рангам линейной системы и смешанному произведению, в том числе когда данные зависят от параметра.
- Строить с помощью пучка плоскостей плоскость, содержащую прямую и удовлетворяющую ещё одному условию, и моделировать прямыми и плоскостями ситуации из аэронавигации, строительства и проектирования.
Прямая в пространстве
В уроке курса «Алгебра и геометрия I» о векторах на плоскости прямая на плоскости, известная как график уравнения первой степени со времени урока об уравнении прямой, была описана как . В пространстве нет углового коэффициента, а уравнение первой степени относительно , и задаёт, как будет видно, плоскость. Если это так, удобно обратить порядок: векторное описание станет определением, а из него будут выведены остальные формы.
Векторы пространства и их скалярное произведение изучались в уроке о векторах в пространстве и скалярном произведении; векторное и смешанное произведения, в уроке о векторном и смешанном произведениях. Как и на плоскости, означает , и два ненулевых вектора коллинеарны, когда один кратен другому. На рисунках ось направлена вправо, ось вверх, а ось к наблюдателю.
Пусть есть точка и есть ненулевой вектор. Прямая, проходящая через с направляющим вектором , есть множество точек , для которых существует действительное число , такое что ; число называется параметром точки .
Параметр каждой точки единствен: если , то , и поскольку не нулевой, . Для и векторное уравнение, записанное в координатах, даёт параметрические уравнения прямой:
Если параметр есть время, эти уравнения описывают равномерное движение со скоростью , как на плоскости. Одна и та же прямая допускает много начальных точек и много направляющих векторов; теорема, приведённая ниже, показывает, что две её точки её определяют.
Через две различные точки и проходит единственная прямая, а именно прямая с уравнением . Как следствие, уравнения и задают одну и ту же прямую тогда и только тогда, когда лежит на первой, а коллинеарен .
На рисунке и , так что , а другая прямая проходит через с направляющим вектором .
Доказательство
Существование: вектор не нулевой, поскольку , и прямая, проходящая через с этим направляющим вектором, содержит , с параметром , и , с параметром .
Единственность: пусть есть произвольная прямая, , содержащая и , и пусть и есть их параметры. На рисунке и .
По соотношению Шаля . Параметры различны, поскольку ; следовательно, коллинеарен . На рисунке .
Каждая точка прямой лежит на прямой : начинаем с вместо и заменяем его выражением через . На рисунке точка прямой с параметром есть точка прямой с параметром .
Обратно, точка с параметром прямой есть точка с параметром на : у двух прямых одни и те же точки. Для второго утверждения: если уравнения задают одну и ту же прямую, то и лежат на ней, и по третьему шагу кратен ; если лежит на первой и , то первая содержит и и есть прямая, проходящая через них.
Отсюда следует, что две различные прямые имеют не более одной общей точки: если бы у них были две общие точки, они были бы единственной прямой, проходящей через эти точки. Три точки лежат на одной прямой, когда существует прямая, их содержащая. Если , то точка лежит на одной прямой с ними тогда и только тогда, когда для некоторого , то есть тогда и только тогда, когда кратен .
Канонические уравнения
Если выразить параметр из каждого уравнения и приравнять результаты, получаются уравнения без параметра; при этом нужно учитывать нулевые координаты направляющего вектора.
Пусть есть прямая, проходящая через с направляющим вектором . Если все три координаты отличны от нуля, точка лежит на тогда и только тогда, когда выполняются приведённые ниже равенства. Если равна нулю только , условие таково: и ; если равны нулю и , условие таково: и . Случаи, когда обращаются в нуль другие координаты, получаются перестановкой ролей координат.
На рисунке и , вектор, идущий от к .
Доказательство
Если все три координаты отличны от нуля и , выражаем из каждого параметрического уравнения: все три отношения равны .
Обратно, если три отношения равны, обозначим через их общее значение; умножив каждое равенство на его знаменатель, получим параметрические уравнения, и лежит на .
Если равна нулю только , второе уравнение имеет вид при всяком и записывается отдельно, поскольку деление на лишено смысла. На рисунке прямая лежит в плоскости .
Если и равны нулю, два последних уравнения фиксируют и , и для каждого параметр даёт точку: прямая есть прямая, параллельная оси и проведённая через , которая на рисунке видна на заднем плане.
Контроль на рисунке: лежит на прямой, с параметром , а не лежит, хотя и удовлетворяет условию .
Каждое равенство канонических уравнений есть уравнение первой степени: прямая на рисунке есть множество решений уравнений и . Когда будет показано, что каждое такое уравнение задаёт плоскость, это будет означать, что прямая есть пересечение двух плоскостей; это её общие уравнения.
Загрузка содержимого…