本章引进向量的概念,根据向量的线性运算建立空间坐标系,然后利用坐标讨论向量的运算,并介绍空间解析几何的有关内容。——高等数学同济版
本节主要介绍了向量的基本概念与基本计算。
本节主要介绍了数量积、向量积和混合积的概念和意义。
本节主要介绍了空间平面及面与面之间的关系证明。
本节主要介绍了空间直线及线与线、线与面之间的关系证明。
解 作过已知点且与已知平面垂直的直线。该直线与平面的交点即为所求。根据题意,过点 ( − 1 , 2 , 0 ) (-1,2,0) (−1,2,0)与平面 x + 2 y − z + 1 = 0 x+2y-z+1=0 x+2y−z+1=0垂直的直线为
x + 1 1 = y − 2 2 = z − 0 − 1 . \cfrac{x+1}{1}=\cfrac{y-2}{2}=\cfrac{z-0}{-1}. 1x+1=2y−2=−1z−0.
将它化为参数方程 x = − 1 + t x=-1+t x=−1+t, y = 2 + 2 t y=2+2t y=2+2t, z = − t z=-t z=−t,代入平面方程得
− 1 + t + 2 ( 2 + 2 t ) − ( − t ) + 1 = 0. -1+t+2(2+2t)-(-t)+1=0. −1+t+2(2+2t)−(−t)+1=0.
整理得 t = − 2 3 t=-\cfrac{2}{3} t=−32。从而所求点 ( − 1 , 2 , 0 ) (-1,2,0) (−1,2,0)在平面 x + 2 y − z + 1 = 0 x+2y-z+1=0 x+2y−z+1=0上的投影为 ( − 5 3 , 2 3 , 2 3 ) \left(-\cfrac{5}{3},\cfrac{2}{3},\cfrac{2}{3}\right) (−35,32,32)。(这道题主要利用参数方程求解)
解 直线的方向向量 s = ∣ i j k 1 1 − 1 2 − 1 1 ∣ = ( 0 , − 3 , − 3 ) \bm{s}=\begin{vmatrix}\bm{i}&\bm{j}&\bm{k}\\1&1&-1\\2&-1&1\end{vmatrix}=(0,-3,-3) s=∣∣∣∣∣∣i12j1−1k−11∣∣∣∣∣∣=(0,−3,−3)。
在直线上取点 ( 1 , − 2 , 0 ) (1,-2,0) (1,−2,0),这样,直线的方程可表示成参数方程的形式
x = 1 , y = − 2 − 3 t , z = − 3 t . (1) x=1,\quad y=-2-3t,\quad z=-3t.\tag{1} x=1,y=−2−3t,z=−3t.(1)
又,过点 P ( 3 , − 1 , 2 ) P(3,-1,2) P(3,−1,2),以 s = ( 0 , − 3 , − 3 ) \bm{s}=(0,-3,-3) s=(0,−3,−3)为法向量的平面方程为
− 3 ( y + 1 ) − 3 ( z − 2 ) = 0. -3(y+1)-3(z-2)=0. −3(y+1)−3(z−2)=0.
即
y + z − 1 = 0. (2) y+z-1=0.\tag{2} y+z−1=0.(2)
将式(1)代入式(2)得 t = − 1 2 t=-\cfrac{1}{2} t=−21,于是直线与平面的交点为 ( 1 , − 1 2 , 3 2 ) \left(1,-\cfrac{1}{2},\cfrac{3}{2}\right) (1,−21,23),故所求距离为
d = ( 3 − 1 ) 2 + ( − 1 + 1 2 ) 2 + ( 2 − 3 2 ) 2 = 3 2 2 . d=\sqrt{(3-1)^2+\left(-1+\cfrac{1}{2}\right)^2+\left(2-\cfrac{3}{2}\right)^2}=\cfrac{3\sqrt{2}}{2}. d=(3−1)2+(−1+21)2+(2−23)2=232.
(这道题主要利用空间距离公式求解)
解 作过已知直线的平面束,在该平面束中找出与已知平面垂直的平面,该平面与已知平面的交线即为所求。
设过直线 { 2 x − 4 y + z = 0 , 3 x − y − 2 z − 9 = 0 \begin{cases}2x-4y+z=0,\\3x-y-2z-9=0\end{cases} {2x−4y+z=0,3x−y−2z−9=0的平面束方程为
2 x − 4 y + z + λ ( 3 x − y − 2 z − 9 ) = 0. 2x-4y+z+\lambda(3x-y-2z-9)=0. 2x−4y+z+λ(3x−y−2z−9)=0.
经整理得
( 2 + 3 λ ) x + ( − 4 − λ ) y + ( 1 − 2 λ ) z − 9 λ = 0. (2+3\lambda)x+(-4-\lambda)y+(1-2\lambda)z-9\lambda=0. (2+3λ)x+(−4−λ)y+(1−2λ)z−9λ=0.
由
( 2 + 3 λ ) ⋅ 4 + ( − 4 − λ ) ⋅ ( − 1 ) + ( 1 − 2 λ ) ⋅ 1 = 0. (2+3\lambda)\cdot4+(-4-\lambda)\cdot(-1)+(1-2\lambda)\cdot1=0. (2+3λ)⋅4+(−4−λ)⋅(−1)+(1−2λ)⋅1=0.
得 λ = − 13 11 \lambda=-\cfrac{13}{11} λ=−1113。代入平面束方程,得
17 x + 31 y − 37 z − 117 = 0. 17x+31y-37z-117=0. 17x+31y−37z−117=0.
因此所求投影直线的方程为
{ 17 x + 31 y − 37 z − 117 = 0 , 4 x − y + z = 1. \begin{cases} 17x+31y-37z-117=0,\\ 4x-y+z=1. \end{cases} {17x+31y−37z−117=0,4x−y+z=1.
(这道题主要利用了平面束求解)
本节主要介绍空间中常见的曲面。
本节主要介绍了空间曲线的一般方程和参数方程。
解 在 { 2 x 2 + y 2 + z 2 = 16 , x 2 + z 2 − y 2 = 0 \begin{cases}2x^2+y^2+z^2=16,\\x^2+z^2-y^2=0\end{cases} {2x2+y2+z2=16,x2+z2−y2=0中消去 x x x,得
3 y 2 − z 2 = 16. 3y^2-z^2=16. 3y2−z2=16.
即为母线平行于 x x x轴且通过已知曲线的柱面方程。
在 { 2 x 2 + y 2 + z 2 = 16 , x 2 + z 2 − y 2 = 0 \begin{cases}2x^2+y^2+z^2=16,\\x^2+z^2-y^2=0\end{cases} {2x2+y2+z2=16,x2+z2−y2=0中消去 y y y,得
3 x 2 + 2 z 2 = 16. 3x^2+2z^2=16. 3x2+2z2=16.
即为母线平行于 y y y轴且通过已知曲线的柱面方程。(这道题主要利用了柱面方程的特点求解)
解 由 [ ( λ 1 a + λ 2 b + λ 3 c ) × b ] ⋅ c = 0 [(\lambda_1\bm{a}+\lambda_2\bm{b}+\lambda_3\bm{c})\times\bm{b}]\cdot\bm{c}=0 [(λ1a+λ2b+λ3c)×b]⋅c=0得 ( a × b ) ⋅ c = 0 (\bm{a}\times\bm{b})\cdot\bm{c}=0 (a×b)⋅c=0,即 a , b , c \bm{a},\bm{b},\bm{c} a,b,c共面。(这道题利用向量共面的定理求解)
解 设所求平面方程为 x a + y b + z c = 1 \cfrac{x}{a}+\cfrac{y}{b}+\cfrac{z}{c}=1 ax+by+cz=1。
平面过点 A ( 3 , 0 , 0 ) A(3,0,0) A(3,0,0), B ( 0 , 0 , 1 ) B(0,0,1) B(0,0,1),故 a = 3 a=3 a=3, c = 1 c=1 c=1。这样的平面方程为
x 3 + y b + z = 1. \cfrac{x}{3}+\cfrac{y}{b}+z=1. 3x+by+z=1.
它与 x O y xOy xOy面成 π 3 \cfrac{\pi}{3} 3π角,故
cos π 3 = ( 1 3 , 1 b , 1 ) ⋅ ( 0 , 0 , 1 ) ( 1 3 ) 2 + ( 1 b ) 2 + 1 2 ⋅ 1 \cos\cfrac{\pi}{3}=\cfrac{\left(\cfrac{1}{3},\cfrac{1}{b},1\right)\cdot(0,0,1)}{\sqrt{\left(\cfrac{1}{3}\right)^2+\left(\cfrac{1}{b}\right)^2+1^2}\cdot1} cos3π=(31)2+(b1)2+12⋅1(31,b1,1)⋅(0,0,1)
即
( 1 3 ) 2 + ( 1 b ) 2 + 1 2 = 4 , 1 b = ± 26 3 . \left(\cfrac{1}{3}\right)^2+\left(\cfrac{1}{b}\right)^2+1^2=4,\quad\cfrac{1}{b}=\pm\cfrac{\sqrt{26}}{3}. (31)2+(b1)2+12=4,b1=±326.
故所求平面为
x + 26 y + 3 z = 3 或 x − 26 y + 3 z = 3. x+\sqrt{26}y+3z=3\quad\text{或}\quad x-\sqrt{26}y+3z=3. x+26y+3z=3或x−26y+3z=3.
(这道题主要利用了平面定义公式求解)
解 直线 { y − z + 1 = 0 , x = 0 \begin{cases}y-z+1=0,\\x=0\end{cases} {y−z+1=0,x=0的方向向量
s = ∣ i j k 0 1 − 1 1 0 0 ∣ = ( 0 , − 1 , − 1 ) . \bm{s}= \begin{vmatrix} \bm{i}&\bm{j}&\bm{k}\\ 0&1&-1\\ 1&0&0 \end{vmatrix}=(0,-1,-1). s=∣∣∣∣∣∣i01j10k−10∣∣∣∣∣∣=(0,−1,−1).
作过点 ( 1 , − 1 , 1 ) (1,-1,1) (1,−1,1)且以 s = ( 0 , − 1 , − 1 ) \bm{s}=(0,-1,-1) s=(0,−1,−1)为法向量的平面:
− 1 ⋅ ( y + 1 ) − ( z − 1 ) = 0 , 即 y + z = 0. -1\cdot(y+1)-(z-1)=0,\quad\text{即}\quad y+z=0. −1⋅(y+1)−(z−1)=0,即y+z=0.
联立 { y − z + 1 = 0 , x = 0 y + z = 0 \begin{cases}y-z+1=0,\\x=0\\y+z=0\end{cases} ⎩⎪⎨⎪⎧y−z+1=0,x=0y+z=0得垂足 ( 0 , − 1 2 , 1 2 ) \left(0,-\cfrac{1}{2},\cfrac{1}{2}\right) (0,−21,21)。
所求平面垂直于平面 z = 0 z=0 z=0,设平面方程为 A x + B y + D = 0 Ax+By+D=0 Ax+By+D=0。平面过点 ( 1 , − 1 , 1 ) (1,-1,1) (1,−1,1)及垂足 ( 0 , − 1 2 , 1 2 ) \left(0,-\cfrac{1}{2},\cfrac{1}{2}\right) (0,−21,21),故有
{ A − B + D = 0 , − 1 2 B + D = 0. \begin{cases} A-B+D=0,\\ -\cfrac{1}{2}B+D=0. \end{cases} ⎩⎨⎧A−B+D=0,−21B+D=0.
由此解得 B = 2 D B=2D B=2D, A = D A=D A=D。因此,所求平面方程为 D x + 2 D y + D = 0 Dx+2Dy+D=0 Dx+2Dy+D=0,即
x + 2 y + 1 = 0. x+2y+1=0. x+2y+1=0.
(这道题主要利用向量求解)
解 设所求直线方程为
x + 1 m = y − 0 n = z − 4 p . \cfrac{x+1}{m}=\cfrac{y-0}{n}=\cfrac{z-4}{p}. mx+1=ny−0=pz−4.
所求直线平行于平面 3 x − 4 y + z − 10 = 0 3x-4y+z-10=0 3x−4y+z−10=0,故有
3 m − 4 n + p = 0. (1) 3m-4n+p=0.\tag{1} 3m−4n+p=0.(1)
又所求直线与直线 x + 1 1 = y − 3 1 = z 2 \cfrac{x+1}{1}=\cfrac{y-3}{1}=\cfrac{z}{2} 1x+1=1y−3=2z相交,故有
∣ − 1 − ( − 1 ) 3 − 0 0 − 4 1 1 2 m n p ∣ = 0. \begin{vmatrix} -1-(-1)&3-0&0-4\\ 1&1&2\\ m&n&p \end{vmatrix}=0. ∣∣∣∣∣∣−1−(−1)1m3−01n0−42p∣∣∣∣∣∣=0.
即
10 m − 4 n − 3 p = 0. (2) 10m-4n-3p=0.\tag{2} 10m−4n−3p=0.(2)
联立(1)(2)式可得
16 m = 19 n = 28 p . \cfrac{16}{m}=\cfrac{19}{n}=\cfrac{28}{p}. m16=n19=p28.
因此所求直线方程为
x + 1 16 = y 19 = z − 4 28 . \cfrac{x+1}{16}=\cfrac{y}{19}=\cfrac{z-4}{28}. 16x+1=19y=28z−4.
(这道题主要利用了两直线相交必共面求解)
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