第三章-平面与空间直线课件.ppt
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- 第三 平面 空间 直线 课件
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1、第一节第一节 平面及其方程平面及其方程一、由平面上一点与平面的方位向量决定的平面的方程一、由平面上一点与平面的方位向量决定的平面的方程1 1、方位向量、方位向量 在空间给定一个点在空间给定一个点M0与两个不共线的向量与两个不共线的向量a,ba,b,则,则通过点通过点M0且与且与a,ba,b平行的平面平行的平面 就被唯一确定。向量就被唯一确定。向量a,a,b b称为平面称为平面 的方位向量。的方位向量。 显然,任何一对与平面显然,任何一对与平面 平行的不共线向量都可作平行的不共线向量都可作为平面为平面 的方位向量。的方位向量。2 2、平面的向量式参数方程、平面的向量式参数方程 在空间,取标架O;
2、e1,e2,e3,并设点M0的径矢OM0=r0,平面上的任意一点M的径矢为OM=r,M0M=ua+vb又因为M0M=r-r0所以r-r0= ua+vb即r=r0+ ua+vb (1)方程(1)称为平面的向量式参数方程向量式参数方程。bxyzaM0MOr0r显然点M在平面上的充要条件为向量M0M与a,b,面,因为a,b不共线,所以这个共面的条件可写成:3 3、平面的坐标式参数方程、平面的坐标式参数方程若设M0,M的坐标分别为(x0,y0,z0),(x,y,z),则r0=x0,y0,z0,r=x,y,z并设a=X1,Y1,Z1,b=X2,Y2,Z2则由(1)可得)2(210210210vZuZzz
3、vYuYyyvXuXxx(2)式称为平面的坐标式参数方程坐标式参数方程。r=r0+ ua+vb (1)例1、已知不共线的三点M1(x1,y1,z1),M2(x2,y2,z2),M3(x3,y3,z3),求过这三点的平面的方程。解:r2-r1=M1M2=x2-x1,y2-y1,z2-z1,因此,平面的向量式参数方程向量式参数方程为r=r1+u(r2-r1)+v(r3-r1) (3)坐标式参数方程坐标式参数方程为)4()()()()()()(131211312113121zzvzzuzzyyvyyuyyxxvxxuxx设M(x,y,z)是平面上任意一点,已知点为Mi的径矢为ri=OMi,则可取方位
4、向量为r3-r1=M1M3=x3-x1,y3-y1,z3-z1,从(3),(4)中分别消去参数u,v可得:(r-r1,r2-r1,r3-r1)=0 (5)与)6(0131211312113121zzzzzzyyyyyyxxxxxx或)7(01111333222111zyxzyxzyxzyx(5)(6)(7)都有叫做平面的三点式方程平面的三点式方程。特别地,若平面与三坐标轴的交点分别 为M1(a,0,0)M2(0,b,0),M3(0,0,c),其中abc0,则平面的方程为)8(1czbyax称为平面的截距式方程截距式方程。其中a,b,c分别称为平面在三坐标轴上的截距截距。xzyM1M2M3oxy
5、zo0MM 如果一非零向量垂直如果一非零向量垂直于一平面,这向量就叫做于一平面,这向量就叫做该平面的该平面的法向量法向量法向量的法向量的特征特征:垂直于平面内的任一向量垂直于平面内的任一向量n1. 法向量法向量:注注: 1 对平面对平面 , 法向量法向量n不唯一不唯一;2 平面平面 的法向量的法向量n与与 上任一向量垂直上任一向量垂直.2. 2. 平面的点法式方程平面的点法式方程设平面过定点 M0(x0, y0, z0), 且有法向量n=A,B, C.对于平面上任一点M(x, y, z), 向量M0M与n垂直. yxzM0MnOn M0 M = 0而M0 M =x x0, y y0, z z0
6、,得:A(x x0) +B( y y0) +C( z z0) = 0称方程(1) 为平面的点法式方程点法式方程.(1)例1: 求过点(2, 3, 0)且以 n = 1, 2, 3为法向量的平面的方程.解: 根据平面的点法式方程(1), 可得平面方程为:1 (x 2) 2 (y + 3) + 3 (z 0) = 0即: x 2y + 3z 8 = 0 nM3M2M1解: 先找出该平面的法向量n.由于n与向量M1M2, M1M3都垂直.而M1M2=3, 4, 6 M1M3=2, 3, 1可取n = M1M2 M1M3132643kji= 14i + 9j k例2: 求过三点M1(2, 1, 4),
7、 M2( 1, 3, 2)和M3(0, 2, 3) 的平面的方程.所以, 所求平面的方程为:14(x 2) + 9(y + 1) (z 4) = 0即: 14x + 9y z 15 = 0 例3、已知两点M1(1,-2,3),M2(3,0,-1),求线段的垂直平分面的方程。解:因为向量M1M2=2,2,-4=21,1,-2垂直于平面,所以平面的一个法向量为n=1,1,-2.又所求平面过点M1M2的中点M0(2,-1,1),故平面的点法式方程为(x-2)+(y+1)-2(z-1)=0整理得x+y-2z+1=01. 定理1: 任何x, y, z的一次方程. Ax +By +Cz +D = 0都表示
8、平面,且此平面的一个法向量是: n = A, B, C证: A, B, C不能全为0, 不妨设A 0, 则方程可以化为0)0()0()(zCyBADxA它表示过定点)0,0,(0ADM注:一次方程: Ax + By + Cz + D = 0 (2)称为平面的一般方程.且法向量为 n = A, B, C的平面.例2: 已知平面过点M0(1, 2, 3), 且平行于平面2x 3y + 4z 1= 0, 求其方程.解: 所求平面与已知平面有相同的法向量n =2 3, 42(x +1) 3(y 2) + 4(z 3) = 0即: 2x 3y + 4z 4 = 02. 平面方程的几种特殊情形(1) 过原
9、点的平面方程由于O(0, 0, 0)满足方程, 所以D = 0. 于是, 过原点的平面方程为:Ax + By + Cz = 0(2) 平行于坐标轴的方程考虑平行于x轴的平面Ax + By + Cz + D = 0, 它的法向量n = A, B, C与x 轴上的单位向量 i =1, 0, 0垂直, 所以n i = A 1 + B 0 + C 0 = A = 0于是:平行于x 轴的平面方程是 By + Cz + D = 0;平行于y 轴的平面方程是 Ax + Cz + D = 0; 平行于z 轴的平面方程是 Ax + By + D = 0.特别: D = 0时, 平面过坐标轴.(3) 平行于坐标面
10、的平面方程平行于xOy 面的平面方程是平行于xOz 面的平面方程是平行于yOz 面的平面方程是.Cz + D = 0;By + D = 0;Ax + D = 0例3: 求通过x 轴和点(4, 3, 1)的平面方程.解: 由于平面过x 轴, 所以 A = D = 0.设所求平面的方程是 By + Cz = 0又点(4, 3, 1)在平面上, 所以3B C = 0 C = 3B所求平面方程为 By 3Bz = 0即: y 3z = 0 例4: 设平面与x, y, z 轴的交点依次为P(a, 0, 0), Q(0, b, 0), R(0, 0, c)三点, 求这平面的方程.解: 设所求平面的方程为A
11、x + By + Cz + D = 0因P(a, 0, 0), Q(0, b, 0), R(0, 0, c) 三点都在这平面上, 于是aA + D = 0bB + D = 0cC + D = 0解得: cDCbDBaDAoyPxzQR所求平面的方程为:0DzcDybDxaD即:1czbyax(3)例例 5 5 求求平平行行于于平平面面0566 zyx而而与与三三个个坐坐标标面面所所围围成成的的四四面面体体体体积积为为一一个个单单位位的的平平面面方方程程.设平面为设平面为, 1 czbyaxxyzo, 1 V, 12131 abc由所求平面与已知平面平行得由所求平面与已知平面平行得,611161
12、cba (向量平行的充要条件)(向量平行的充要条件)解解,61161cba 化简得化简得令令tcba 61161,61ta ,1tb ,61tc ttt61161611 代入体积式代入体积式,61 t, 1, 6, 1 cba. 666 zyx所求平面方程为所求平面方程为若平面上的一点 特殊地取自原点O 向平面 所引垂线的垂足,而 的法向量取单位向量 ,设 ,那么由点 和法向量 决定的平面的向量式法式方程为:0M0n OPp 000nrpn 0M0n coscoscos0 xyzp平面的坐标式方程,简称法式方程为平面的法式方程是具有下列两个特征的一种一般方程:一次项的系数是单位法向量的坐标,它
13、们的平方和等于1;因为p是原点O 到平面 的距离,所以常数0p22211nABC 2222222222220AxByCzDABCABCABCABCD326140 xyz第二节第二节 平面与点的相关位置平面与点的相关位置 设P0(x0,y0,z0)是平面Ax+By+Cz+D=0外一点,求点P0到平面的距离。 在平面上任取一点P1(x1, y1, z1)则 P1P0 =x0 x1, y0 y1, z0 z1过P0点作一法向量 n =A, B, C于是:01jPrPPdn|01nnPP222101010)()()(CBAzzCyyBxxA 1PNn0P 又 A(x0 x1) + B(y0 y1) +
14、 C(z0 z1) = Ax0 + By0 + Cz0 + D (Ax1 + By1 + C z1 + D) = Ax0 + By0 + Cz0 + D所以, 得点P0到平面Ax + By + Cz + D = 0的距离:222000CBADCzByAxd(4)例如: 求点A(1, 2, 1)到平面: x + 2y + 2z 10 = 0的距离13322110122211222d第三节 两平面的相关位置21212121DDCCBBAA1、设两个平面的方程为:1:A1x+B1y+c1z+D1=0 (1)2:A2x+B2y+c2z+D2=0 (2)定理1:两个平面(1)与(2)相交A1:B1:C1
15、A2:B2:C2. 平行 重合 21212121DDCCBBAA(1)定义)定义(通常取锐角)(通常取锐角)1 1n2 2n 两平面法向量之间的夹角称为两平面的两平面法向量之间的夹角称为两平面的夹角夹角. ., 0:11111 DzCyBxA, 0:22222 DzCyBxA,1111CBAn ,2222CBAn 2、两平面的夹角、两平面的夹角(2 2)、两个平面的交角公式)、两个平面的交角公式 设两个平面1,2间的二面角用(1,2)表示,而两平面的法向量n1,n2的夹角记为=(n1,n2),显然有(1,2)=或-因此cos),(cos21|2121nnnn 1n1n2222222221212
16、1212121|CBACBACCBBAA3 3、两平面垂直的充要条件、两平面垂直的充要条件两平面(1)(2)垂直的充要条件为A1A2+B1B2+C1C2=0例5: 一平面通过两点M1(1, 1, 1)和M2(0, 1, 1), 且垂直于平面 x+y+z = 0, 求它的方程.解: 设所求平面的一个法向量 n =A, B, C已知平面 x+y+z = 0的法向量 n1=1, 1, 1 所以: n M1M2 且n n1 而 M1M2 = 1, 0, 2于是:A (1) + B 0 + C (2) = 0 A 1 + B 1 + C 1 = 0解得: B=CA= 2C取C = 1, 得平面的一个法向
17、量n = 2, 1, 1所以, 所求平面方程是2 (x 1) + 1 (y 1) + 1 (z 1) = 0即: 2x y z = 0例例6 6 研究以下各组里两平面的位置关系:研究以下各组里两平面的位置关系:013, 012)1( zyzyx01224, 012)2( zyxzyx02224, 012)3( zyxzyx解解)1(2222231)1(2)1(|311201|cos 601cos 两平面相交,夹角两平面相交,夹角.601arccos )2(,1 , 1, 21 n2, 2, 42 n,212142 两平面平行两平面平行21)0 , 1 , 1()0 , 1 , 1( MM两平面
18、平行但不重合两平面平行但不重合)3(,212142 21)0 , 1 , 1()0 , 1 , 1( MM两平面平行两平面平行两平面重合两平面重合.一、一、 填空题:填空题:1 1、 平面平面0 CzByAx必通过必通过_, (其中(其中 CBA,不全为零) ;不全为零) ;2 2、平面、平面0 DCzBy_x轴;轴;3 3、平面、平面0 CzBy_x轴;轴;4 4、通过点、通过点)1,0,3( 且与平面且与平面012573 zyx平平 行的平面方程为行的平面方程为 _ _;5 5、通过、通过),0,0()0,0()0,0,(cba、三点的平面方三点的平面方 _;6 6、 平面平面0522 z
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