空间解析几何与向量代数

一、向量基础知识

1、向量a的单位向量为\pm \frac{\vec{a}}{\left | a \right |},注意有正负号

2、方向角:向量与各坐标轴的夹角

方向余弦:方向角的余弦值,即各轴对应坐标除以模长,各轴坐标即为向量的各轴投影

二、内外积与混合积

1、向量积满足反交换律,计算使用三阶行列式(行列式三行的顺序不影响计算结果)

\left [ abc \right ]= \begin{vmatrix} ax & ay &az \\ bx & by & bz\\ cx&cy & cz \end{vmatrix}=\left [ a\times b \right ]\cdot c

2、证明三向量a,b,c共面,即证明三向量混合积为0

三、平面及其方程

1、平面方程有一般式(通过平面法向量确定x,y,z的系数,最后代入点求出常数D),点法式,截距式,一般式中x,y,z的系数即为平面的一个法向量

      截距式\frac{x}{a}+\frac{y}{b}+\frac{z}{c}=1,其中a,b,c对应x,y,z截距

2、平面平行与哪个坐标轴,或包含,那么他的法向量对应轴坐标必为0(法向量垂直平面内任一直线),所以设方程时可以忽略掉对应变量或设法向量对应轴坐标为0,如果包含轴则平面方程不含D(因为平面过原点)

3、两平面的夹角公式即利用两个法向量的乘积求

4、求平面方程可以利用混合积(一般条件为点多,向量多)

空间解析几何与向量代数_第1张图片

5、点到平面的距离公式类比平面中点到直线距离公式

四、空间直线及其方程

1、一般方程(即两平面决定一条直线)

      点向式方程(一定点一方向向量,式子中的方向向量代表的是过原点的一个向量,所以省略减0不写)

      参数方程(令点向式等于t得到)

2、直线与直线的夹角cos\varphi =\frac{\vec{a}\cdot \vec{b}}{\left | a \right |\left | b \right |}(其中a,b为两直线的方向向量)

3、两平面的交线的方向向量可以用两平面的法向量的向量积表示

4、平面束方程:此方程表示过一条直线的所有平面(代入点来求出\lambda得到所需平面,有平面过直线的条件才设)

空间解析几何与向量代数_第2张图片

 同理,点向式可以利用等式硬凑出含x,y,z的等式,左右随机一方乘以\lambda来设立平面束方程

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用法:题目给出过一点定直线和定点求平面时,将点代入含\lambda的方程求出后,即使所求的平面方程

四.(1)直线,平面,定点间的关系

5、直线与平面交点问题:将直线点向式方程转为参数方程(一般式就利用三元一次方程组计算),将含t的式子代入平面方程求出t后,回代入x,y,z中即求出交点

6、定点与直线的距离问题:求出垂直于直线且过定点的平面,然后用四.5的方法联立平面与直线求出交点,最后利用两点间距离公式求出两点间距离

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7、求直线在定平面上的投影直线:利用平面束方程设直线的平面,利用两平面法向量的乘积为0求出垂直平面,最后用一般式(即两平面方程组)表示投影直线

8、两直线相交用已知直线求未知直线问题:利用混合积结果等于0,第一行表示为过定点的向量,二三行分别为两个直线的方向向量(只要三个向量都是共面的,都可以用这个混合积令其等于0来求解未知数)(此方法也可看做求平面,二三行的向量积是法向量,第一行是定点,即点法式方程)空间解析几何与向量代数_第7张图片

空间解析几何与向量代数_第8张图片9、三维空间中点到直线的距离:求p到直线l的距离,设p0为直线上任意一点,直线方向向量为s,距离d=\frac{\left | \vec{pp0} \times \vec{s}\right |}{\left | \vec{s} \right |}

     点到平面的距离:p0(x0,y0,z0),平面Ax+By+Cd+D=0,d=\frac{\left | Ax0+By0+Cz0+D \right |}{\sqrt{A^{2}+B^{2}+C^{2}}}(即二维平面中点到直线的进阶版)

10、一点一直线求平面方程:同8的方法一样,利用混合积等到结果为0的方程式

11、两直线间的距离公式:设两直线方向向量为s1,s2,A,B分别为两线上的点,d=\frac{\left [ s1s2\vec{AB} \right ]}{\left | s1\times s2 \right |}空间解析几何与向量代数_第9张图片

五、曲面及其方程

(1)柱面

由一条准线上各个点沿着母线方向不断平移延伸而形成的曲面,方程式多为只含x,y的方程,这样不含z就可以沿着z轴方向不断平移延伸形成柱面

(2)旋转曲面

某平面的曲线绕着此面内的一个定轴旋转而形成的曲面,绕哪个轴哪个变量不变,而因为曲面必有z,所以另一个变量会加上z(例如绕y转,那么x会变为\pm \sqrt{x^{2}+z^{2}}

例1、求旋转曲面\left ( z-a \right )^{2}=x^{2}+y^{2}如何形成

解:可由z=a\pm xz=a\pm y绕z轴旋转得到空间解析几何与向量代数_第10张图片

(3)二次曲面

1、椭圆锥面、椭圆抛物面、双曲抛物面区别:前者z有平方,中后者z为一次方,中者x,y系数为正,后者x,y系数一正一负(即符合平面的椭圆与双曲线形式)

     单双叶双曲面区别:单叶为一,双叶为负一,同化为1,双叶的负系数更多

      椭球面即在三个面内都是椭圆图形

例1(求曲线在某平面的投影) 

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例2 求柱面方程,x0代表准线上的点,x代表柱面上的点,后者范围更大包含了前者全部点

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例3 求旋转面方程(绕着哪个轴转,哪个轴会成为曲线与曲面方程的沟通桥梁,例如绕着z轴,则有z=z0)(旋转后那一圈的点到原点的距离都一样)

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六、空间曲线及其方程

 例1:空间解析几何与向量代数_第15张图片

 只有等号代表曲面,有大于小于号代表曲面体

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