Плоскость как алгебраическая поверхность первого порядка. Алгебраические поверхности первого порядка

20.06.202227.05.2017

В ближайших параграфах устанавливается, что поверхности первого порядка суть плоскости и только плоскости, и рассматриваются различные формы записи уравнений плоскостей.

198. Теорема 24. В декартовых координатах каждая плоскость определяется уравнением первой степени.

Доказательство. Считая заданной некоторую де- картову прямоугольную систему координат, рассмотрим произвольную плоскость а и докажем, что эта плоскость определяется уравнением первой степени. Возьмем на плоскости а какую-нибудь точку М 0 (д: 0; у 0; z0); выберем, кроме того, какой угодно вектор (только не равный нулю!), перпендикулярный к плоскости а. Выбранный вектор обозначим буквой п, его проекции на оси координат -буквами А, В , С.

Пусть М{х; у; г)-произвольная точка. Она лежит на плоскости а в том и только в том случае, когда вектор MqM перпендикулярен к вектору п. Иначе говоря, точка Ж, лежащая на плоскости а, характеризуется условием:

Мы получим уравнение плоскости а, если выразим это условие через координаты х, у, z. С этой целью запишем координаты векторов М 0М и й:

М 0М={х-х 0; у-у 0; z-z0}, П={А; В; С}.

Согласно п° 165 признаком перпендикулярности двух векторов является равенство нулю их скалярного произведения, т. е. суммы попарных произведений соответственных координат этих векторов. Таким образом, М 0М J_ п в том и только в том случае, когда

A(x-x0)+B(y-y0) + C(z-ze) = 0. (1)

Это и есть искомое уравнение плоскости а, так как ему удовлетворяют координаты лг, у, z точки М в том и только в том случае, когда М лежит на плоскости а (т. е. когда луй J_«).

Раскрывая скобки, представим уравнение (1) в виде

Ах +By + Cz + (- А х 0 - Ву 0-Cz0) = 0.

Ax-\-By + Cz + D = 0. (2)

Мы видим, что плоскость а действительно определяется уравнением первой степени. Теорема доказана.

199. Каждый (не равный нулю) вектор, перпендикулярный к некоторой плоскости, называется нормальным к ней вектором. Употребляя это название, мы можем сказать, что уравнение

A(x-X())+B(y~y0) + C(z-z0)=0

есть уравнение плоскости, проходящей через точку М 0 (х 0; у 0; z0) и имеющей нормальный вектор п - {А; В ; С}. Уравнение вида

Ах + Ву-\- Cz + D = 0

называется общим уравнением плоскости.

200. Теорема 25. В декартовых координатах каждое уравнение первой степени определяет плоскость.

Доказательство. Считая заданной какую-нибудь декартову прямоугольную систему координат, рассмотрим произвольное уравнение первой степени

Ax-\-By+Cz-\rD = 0. (2)

Когда, мы говорим «произвольное» уравнение, то подразумеваем при этом, что коэффициенты А, В, С, D могут быть какими угодно числами, но, конечно, исключая

случай одновременного равенства нулю всех трех коэффициентов А, В, С. Мы должны доказать, что уравнение (2) есть уравнение некоторой плоскости.

Пусть лг 0, у 0, г 0-какое-нибудь решение уравнения (2), т. е. тройка чисел, которая этому уравнению удовлетворяет*). Подставляя числа у 0, z0 вместо текущих координат в левую часть уравнения (2), мы получим арифметическое тождество

Ax0 + By0 + Cz0+D^O. (3)

Вычтем из уравнения (2) тождество (3). Мы получим уравнение

A(x-xo)+B(y-yo) + C(z-zo) = 0, (1)

которое по предыдущему представляет собой уравнение плоскости, проходящей через точку М 0 (jc0; у 0; z0) и имеющей нормальный вектор п - {А; В; С}. Но уравнение (2) равносильно уравнению (1), так как уравнение (1) получается из уравнения (2) путем почленного вычитания тождества (3), а уравнение (2) в свою очередь получается из уравнения (1) путем почленного прибавления тождества (3). Следовательно, уравнение (2) является уравнением той же плоскости.

Мы доказали, что произвольное уравнение первой степени определяет плоскость; тем самым теорема доказана.

201. Поверхности, кооторые в" декартовых координатах определяются уравнениями первой степени, называются, как мы знаем, поверхностями первого порядка. Употребляя эту терминологию, мы можем высказать установленные результаты так:

Каждая плоскость есть поверхность первого порядка; каждая поверхность первого порядка есть плоскость.

Пример. Составить уравнение плоскости, которая проходит через точку Afe(l; 1; 1) перпендикулярно к вектору я*={ 2; 2; 3}.

Реше н и е. Согласно п° 199 искомое уравнение есть

2(*- 1)+2 (у -1)+3(г -1)=0,

или

2х+2у+3г- 7 = 0.

*) Уравнение (2), как всякое уравнение первой степени с тремя неизвестными, имеет бесконечно много решений. Чтобы найти какое- нибудь из них, нужно двум неизвестным предписать численные значения, а третью неизвестную тогда найти ив уравнения.

202. В заключение этого параграфа докажем следующее предложение: если два уравнения Ахх -j- В^у -]- Cxz Dt = 0 и А 2х + В^у -f- C2z -]- £)2 = 0 определяют одну и ту же плоскость, то коэффициенты их пропорциональны.

В самом деле, в этом случае векторы пх = {Л 1; Вх\ и п 2 - {/42; В 2; Сг} перпендикулярны к одной плоскости, следовательно, коллинеарны друг другу. Но тогда согласно п° 154 числа Аъ В 2, С 2 пропорциональны числам А1г В1гСх; обозначив множитель пропорциональности через р, имеем: А 2-А 1ц, B2 = Bx\i, С 2 =.Cj\i. Пусть М 0 (х 0; у 0; ^-любая точка плоскости; ее координаты должны удовлетворять каждому из данных уравнений, таким образом, Ахх 0 + Вху 0

Cxz0 = 0 и A2xQ В 2у 0 C2z0 + D2 = 0. Умножим первое из этих равенств на р. и вычтем из второго; получим D2-Djp = 0. Следовательно, D%-Dx\i и

В^ Сг_ D2

Ах В, Сх-Б1 ^

Тем самым наше утверждение доказано.

С тем отличием, что вместо «плоских» графиков мы рассмотрим наиболее распространенные пространственные поверхности, а также научимся грамотно их строить от руки. Я довольно долго подбирал программные средства для построения трёхмерных чертежей и нашёл пару неплохих приложений, но, несмотря на всё удобство использования, эти программы плохо решают важный практический вопрос. Дело в том, что в обозримом историческом будущем студенты по-прежнему будут вооружены линейкой с карандашом, и, даже располагая качественным «машинным» чертежом, многие не смогут корректно перенести его на клетчатую бумагу. Поэтому в методичке особое внимание уделено технике ручного построения, и значительная часть иллюстраций страницы представляет собой handmade-продукт.

Чем отличается этот справочный материал от аналогов?

Обладая приличным практическим опытом, я очень хорошо знаю, с какими поверхностями чаще всего приходится иметь дело в реальных задачах высшей математики, и надеюсь, что эта статья поможет вам в кратчайшие сроки пополнить свой багаж соответствующими знаниями и прикладными навыками, которых в 90-95% случаев должно хватить.

Что нужно уметь на данный момент?

Самое элементарное:

Во-первых, необходимо уметь правильно строить пространственную декартову систему координат (см. начало статьи Графики и свойства функций ) .

Что вы приобретёте после прочтения этой статьи?

Бутылку После освоения материалов урока вы научитесь быстро определять тип поверхности по её функции и/или уравнению, представлять, как она расположена в пространстве, и, конечно же, выполнять чертежи. Ничего страшного, если не всё уложится в голове с 1-го прочтения – к любому параграфу по мере надобности всегда можно вернуться позже.

Информация по силам каждому – для её освоения не нужно каких-то сверхзнаний, особого художественного таланта и пространственного зрения.

Начинаем!

На практике пространственная поверхность обычно задаётся функцией двух переменных или уравнением вида (константа правой части чаще всего равна нулю либо единице) . Первое обозначение больше характерно для математического анализа, второе – для аналитической геометрии . Уравнение , по существу, является неявно заданной функцией 2 переменных, которую в типовых случаях легко привести к виду . Напоминаю простейший пример c :

– уравнение плоскости вида .

– функция плоскости в явном виде .

Давайте с неё и начнём:

Распространенные уравнения плоскостей

Типовые варианты расположения плоскостей в прямоугольной системе координат детально рассмотрены в самом начале статьи Уравнение плоскости . Тем не менее, ещё раз остановимся на уравнениях, которые имеют огромное значение для практики.

Прежде всего, вы должны на полном автомате узнавать уравнения плоскостей, которые параллельны координатным плоскостям . Фрагменты плоскостей стандартно изображают прямоугольниками, которые в последних двух случаях выглядят, как параллелограммы. По умолчанию размеры можно выбрать любые (в разумных пределах, конечно), при этом желательно, чтобы точка, в которой координатная ось «протыкает» плоскость являлась центром симметрии:

Строго говоря, координатные оси местами следовало изобразить пунктиром, но во избежание путаницы будем пренебрегать данным нюансом.

– (левый чертёж) неравенство задаёт дальнее от нас полупространство, исключая саму плоскость ;

– (средний чертёж) неравенство задаёт правое полупространство, включая плоскость ;

– (правый чертёж) двойное неравенство задаёт «слой», расположенный между плоскостями , включая обе плоскости.

Для самостоятельной разминки:

Пример 1

Изобразить тело, ограниченное плоскостями
Составить систему неравенств, определяющих данное тело.

Из-под грифеля вашего карандаша должен выйти старый знакомый прямоугольный параллелепипед . Не забывайте, что невидимые рёбра и грани нужно прочертить пунктиром. Готовый чертёж в конце урока.

Пожалуйста, НЕ ПРЕНЕБРЕГАЙТЕ учебными задачами, даже если они кажутся слишком простыми. А то может статься, раз пропустили, два пропустили, а затем потратили битый час, вымучивая трёхмерный чертёж в каком-нибудь реальном примере. Кроме того, механическая работа поможет гораздо эффективнее усвоить материал и развить интеллект! Не случайно в детском саду и начальной школе детей загружают рисованием, лепкой, конструкторами и другими заданиями на мелкую моторику пальцев. Простите за отступление, не пропадать же двум моим тетрадям по возрастной психологии =)

Следующую группу плоскостей условно назовём «прямыми пропорциональностями» – это плоскости, проходящие через координатные оси:

2) уравнение вида задаёт плоскость, проходящую через ось ;

3) уравнение вида задаёт плоскость, проходящую через ось .

Хотя формальный признак очевиден (какая переменная отсутствует в уравнении – через ту ось и проходит плоскость) , всегда полезно понимать суть происходящих событий:

Пример 2

Построить плоскость

Как лучше осуществить построение? Предлагаю следующий алгоритм:

Сначала перепишем уравнение в виде , из которого хорошо видно, что «игрек» может принимать любые значения. Зафиксируем значение , то есть, будем рассматривать координатную плоскость . Уравнения задают пространственную прямую , лежащую в данной координатной плоскости. Изобразим эту линию на чертеже. Прямая проходит через начало координат, поэтому для её построения достаточно найти одну точку. Пусть . Откладываем точку и проводим прямую.

Теперь возвращаемся к уравнению плоскости . Поскольку «игрек» принимает любые значения, то построенная в плоскости прямая непрерывно «тиражируется» влево и вправо. Именно так и образуется наша плоскость , проходящая через ось . Чтобы завершить чертёж, слева и справа от прямой откладываем две параллельные линии и поперечными горизонтальными отрезками «замыкаем» символический параллелограмм:

Так как условие не накладывало дополнительных ограничений, то фрагмент плоскости можно было изобразить чуть меньших или чуть бОльших размеров.

Ещё раз повторим смысл пространственного линейного неравенства на примере . Как определить полупространство, которое оно задаёт? Берём какую-нибудь точку, не принадлежащую плоскости , например, точку из ближнего к нам полупространства и подставляем её координаты в неравенство:

Получено верное неравенство , значит, неравенство задаёт нижнее (относительно плоскости ) полупространство, при этом сама плоскость не входит в решение.

Пример 3

Построить плоскости
а) ;
б) .

Это задания для самостоятельного построения, в случае затруднений используйте аналогичные рассуждения. Краткие указания и чертежи в конце урока.

На практике особенно распространены плоскости, параллельные оси . Частный случай, когда плоскость проходит через ось, только что был в пункте «бэ», и сейчас мы разберём более общую задачу:

Пример 4

Построить плоскость

Решение : в уравнение в явном виде не участвует переменная «зет», а значит, плоскость параллельна оси аппликат. Применим ту же технику, что и в предыдущих примерах.

Перепишем уравнение плоскости в виде из которого понятно, что «зет» может принимать любые значения. Зафиксируем и в «родной» плоскости начертим обычную «плоскую» прямую . Для её построения удобно взять опорные точки .

Поскольку «зет» принимает все значения, то построенная прямая непрерывно «размножается» вверх и вниз, образуя тем самым искомую плоскость . Аккуратно оформляем параллелограмм разумной величины:

Готово.

Уравнение плоскости в отрезках

Важнейшая прикладная разновидность. Если все коэффициенты общего уравнения плоскости отличны от нуля , то оно представимо в виде , который называется уравнением плоскости в отрезках . Очевидно, что плоскость пересекает координатные оси в точках , и большое преимущество такого уравнения состоит в лёгкости построения чертежа:

Пример 5

Построить плоскость

Решение : сначала составим уравнение плоскости в отрезках. Перебросим свободный член направо и разделим обе части на 12:

Нет, здесь не опечатка и все дела происходят именно в пространстве! Исследуем предложенную поверхность тем же методом, что недавно использовали для плоскостей. Перепишем уравнение в виде , из которого следует, что «зет» принимает любые значения. Зафиксируем и построим в плоскости эллипс . Так как «зет» принимает все значения, то построенный эллипс непрерывно «тиражируется» вверх и вниз. Легко понять, что поверхность бесконечна :

Данная поверхность называется эллиптическим цилиндром . Эллипс (на любой высоте) называется направляющей цилиндра, а параллельные прямые, проходящие через каждую точку эллипса называются образующими цилиндра (которые в прямом смысле слова его и образуют). Ось является осью симметрии поверхности (но не её частью!).

Координаты любой точки, принадлежащей данной поверхности, обязательно удовлетворяют уравнению .

Пространственное неравенство задаёт «внутренность» бесконечной «трубы», включая саму цилиндрическую поверхность, и, соответственно, противоположное неравенство определяет множество точек вне цилиндра.

В практических задачах наиболее популярен частный случай, когда направляющей цилиндра является окружность :

Пример 8

Построить поверхность, заданную уравнением

Бесконечную «трубу» изобразить невозможно, поэтому художества ограничиваются, как правило, «обрезком».

Сначала удобно построить окружность радиуса в плоскости , а затем ещё пару окружностей сверху и снизу. Полученные окружности (направляющие цилиндра) аккуратно соединяем четырьмя параллельными прямыми (образующими цилиндра):

Не забываем использовать пунктир для невидимых нам линий.

Координаты любой точки, принадлежащей данному цилиндру, удовлетворяют уравнению . Координаты любой точки, лежащей строго внутри «трубы», удовлетворяют неравенству , а неравенство задаёт множество точек внешней части. Для лучшего понимания рекомендую рассмотреть несколько конкретных точек пространства и убедиться в этом самостоятельно.

Пример 9

Построить поверхность и найти её проекцию на плоскость

Перепишем уравнение в виде из которого следует, что «икс» принимает любые значения. Зафиксируем и в плоскости изобразим окружность – с центром в начале координат, единичного радиуса. Так как «икс» непрерывно принимает все значения, то построенная окружность порождает круговой цилиндр с осью симметрии . Рисуем ещё одну окружность (направляющую цилиндра) и аккуратно соединяем их прямыми (образующими цилиндра). Местами получились накладки, но что делать, такой уж наклон:

На этот раз я ограничился кусочком цилиндра на промежутке и это не случайно. На практике зачастую и требуется изобразить лишь небольшой фрагмент поверхности.

Тут, к слову, получилось 6 образующих – две дополнительные прямые «закрывают» поверхность с левого верхнего и правого нижнего углов.

Теперь разбираемся с проекцией цилиндра на плоскость . Многие читатели понимают, что такое проекция, но, тем не менее, проведём очередную физкульт-пятиминутку. Пожалуйста, встаньте и склоните голову над чертежом так, чтобы остриё оси смотрело перпендикулярно вам в лоб. То, чем с этого ракурса кажется цилиндр – и есть его проекция на плоскость . А кажется он бесконечной полосой, заключенным между прямыми , включая сами прямые. Данная проекция – это в точности область определения функций (верхний «жёлоб» цилиндра), (нижний «жёлоб»).

Давайте, кстати, проясним ситуацию и с проекциями на другие координатные плоскости. Пусть лучи солнца светят на цилиндр со стороны острия и вдоль оси . Тенью (проекцией) цилиндра на плоскость является аналогичная бесконечная полоса – часть плоскости , ограниченная прямыми ( – любое), включая сами прямые.

А вот проекция на плоскость несколько иная. Если смотреть на цилиндр из острия оси , то он спроецируется в окружность единичного радиуса , с которой мы начинали построение.

Пример 10

Построить поверхность и найти её проекции на координатные плоскости

Это задача для самостоятельного решения. Если условие не очень понятно, возведите обе части в квадрат и проанализируйте результат; выясните, какую именно часть цилиндра задаёт функция . Используйте методику построения, неоднократно применявшуюся выше. Краткое решение, чертёж и комментарии в конце урока.

Эллиптические и другие цилиндрические поверхности могут быть смещены относительно координатных осей, например:

(по знакомым мотивам статьи о линиях 2-го порядка ) – цилиндр единичного радиуса с линией симметрии, проходящей через точку параллельно оси . Однако на практике подобные цилиндры попадаются довольно редко, и совсем уж невероятно встретить «косую» относительно координатных осей цилиндрическую поверхность.

Параболические цилиндры

Как следует из названия, направляющей такого цилиндра является парабола .

Пример 11

Построить поверхность и найти её проекции на координатные плоскости.

Не мог удержаться от этого примера =)

Решение : идём проторенной тропой. Перепишем уравнение в виде , из которого следует, что «зет» может принимать любые значения. Зафиксируем и построим обычную параболу на плоскости , предварительно отметив тривиальные опорные точки . Поскольку «зет» принимает все значения, то построенная парабола непрерывно «тиражируется» вверх и вниз до бесконечности. Откладываем такую же параболу, скажем, на высоте (в плоскости) и аккуратно соединяем их параллельными прямыми (образующими цилиндра ):

Напоминаю полезный технический приём : если изначально нет уверенности в качестве чертежа, то линии сначала лучше прочертить тонко-тонко карандашом. Затем оцениваем качество эскиза, выясняем участки, где поверхность скрыта от наших глаз, и только потом придаём нажим грифелю.

Проекции.

1) Проекцией цилиндра на плоскость является парабола . Следует отметить, что в данном случае нельзя рассуждать об области определения функции двух переменных – по той причине, что уравнение цилиндра не приводимо к функциональному виду .

2) Проекция цилиндра на плоскость представляет собой полуплоскость , включая ось

3) И, наконец, проекцией цилиндра на плоскость является вся плоскость .

Пример 12

Построить параболические цилиндры:

а) , ограничиться фрагментом поверхности в ближнем полупространстве;

б) на промежутке

В случае затруднений не спешим и рассуждаем по аналогии с предыдущими примерами, благо, технология досконально отработана. Не критично, если поверхности будут получаться немного корявыми – важно правильно отобразить принципиальную картину. Я и сам особо не заморачиваюсь над красотой линий, если получился сносный чертёж «на троечку», обычно не переделываю. В образце решения, кстати, использован ещё один приём, позволяющий улучшить качество чертежа;-)

Гиперболические цилиндры

Направляющими таких цилиндров являются гиперболы . Этот тип поверхностей, по моим наблюдениям, встречается значительно реже, чем предыдущие виды, поэтому я ограничусь единственным схематическим чертежом гиперболического цилиндра :

Принцип рассуждения здесь точно такой же – обычная школьная гипербола из плоскости непрерывно «размножается» вверх и вниз до бесконечности.

Рассмотренные цилиндры относятся к так называемым поверхностям 2-го порядка , и сейчас мы продолжим знакомиться с другими представителями этой группы:

Эллипсоид. Сфера и шар

Каноническое уравнение эллипсоида в прямоугольной системе координат имеет вид , где – положительные числа (полуоси эллипсоида), которые в общем случае различны . Эллипсоидом называют как поверхность , так и тело , ограниченное данной поверхностью. Тело, как многие догадались, задаётся неравенством и координаты любой внутренней точки (а также любой точки поверхности) обязательно удовлетворяют этому неравенству. Конструкция симметрична относительно координатных осей и координатных плоскостей:

Происхождение термина «эллипсоид» тоже очевидно: если поверхность «разрезать» координатными плоскостями, то в сечениях получатся три различных (в общем случае)

§7. Плоскость как поверхность первого порядка. Общее уравнение плоскости. Уравнение плоскости, проходящей через данную точку перпендикулярно заданному вектору Введѐм в пространстве прямоугольную декартову систему координат Oxyz и рассмотрим уравнение первой степени (или линейное уравнение) относительно x, y, z: (7.1) Ax  By  Cz  D  0, A2  B2  C 2  0 . Теорема 7.1. Любая плоскость может быть задана в произвольной прямоугольной декартовой системе координат уравнением вида (7.1). Точно так же, как и в случае прямой на плоскости, справедлива теорема, обратная теореме 7.1. Теорема 7.2. Любое уравнение вида (7.1) задаѐт в пространстве плоскость. Доказательство теорем 7.1 и 7.2 можно провести аналогично доказательству теорем 2.1, 2.2. Из теорем 7.1 и 7.2 следует, что плоскость и только она является поверхностью первого порядка. Уравнение (7.1) называется общим уравнением пло-скости. Его  коэффициенты A, B, C трактуются геометрически как координаты вектора n , перпендикулярного плоскости, определяемой этим уравнением. Этот вектор  n(A, B, C) называется вектором нормали к данной плоскости. Уравнение (7.2) A(x  x0)  B(y  y0)  C (z  z0)  0 при всевозможных значениях коэффициентов A, B, C задаѐт все плоскости, про-ходящие через точку M 0 (x0 , y0 , z0) . Оно называется уравнением связки плоскостей. Выбор конкретных значений A, B, C в (7.2) означает выбор плоскости P из связки, проходящей через точку M 0 перпендикулярно  заданному вектору n(A, B, C) (рис.7.1). Пример 7.1. Написать уравнение плоскости Р, проходящей через точку   А(1, 2, 0) параллельно векторам a  (1, 2,–1), b  (2, 0, 1) .    Вектор нормали n к Р ортогонален данным векторам a и b (рис. 7.2),   поэтому за n можно взять их векторное n произведение: А    Р i j k    2 1  1 1   2 n  a  b  1 2  1  i  j 2 1  k 12 0  0 1 2 0 1 n   a    b 2i  3 j  4k . Подставим координаты Рис. 7.2. К примеру 7.1 P M0  точки M 0 и вектора n в уравнение (7.2), получим Рис. 7.1. К уравнению уравнение плоскости связки плоскостей P: 2(x  1)  3(y  2)  4z  0 или P: 2x  3y  4z  4  0 .◄ 1 Если два из коэффициентов A, B, C уравнения (7.1) равны нулю, оно задаѐт плоскость, параллельную одной из координатных плоскостей. Например, при A  B  0 , C  0 – плоскость P1: Cz  D  0 или P1: z   D / C (рис. 7.3). Она па-раллельна плоскости Oxy, ибо еѐ вектор  нормали n1(0, 0, C) перпендикулярен этой плоскости. При A  C  0 , B  0 или B  C  0 , A  0 уравнение (7.1) определяет плоскости P2: By  D  0 и P3: Ax  D  0 , параллельные координатным плоскостям Oxz и Oyz, так как   их векторы нормали n2(0, B, 0) и n3(A, 0, 0) им перпендикулярны (рис. 7.3). Если только один из коэффициентов A, B, C уравнения (7.1) равен нулю, то оно задаѐт плоскость, параллельную одной из координатных осей (или еѐ со-держащую, если D  0). Так, плоскость P: Ax  By  D  0 параллельна оси Oz, z z  n1  n  n2 P1 L P O  n3 x y O P2 y P3 x Рис. 7.4. Плоскость P: Ax  B y  D  0 , параллельная оси Oz Рис. 7.3. Плоскости параллельные плоскостям координат  поскольку еѐ вектор нормали n(A, B, 0) перпендикулярен оси Oz. Заметим, что она проходит через прямую L: Ax  By  D  0 , лежащую в плоскости Oxy (рис. 7.4). При D  0 уравнение (7.1) задаѐт плоскость, проходящую через начало координат. Пример 7.2. Найти значения параметра , при которых уравнение x  (2  2) y  (2    2)z    3  0 определяет плоскость P: а) параллельную одной из координатных плоскостей; б) параллельную одной из координатных осей; в) проходящую через начало координат. Запишем данное уравнение в виде x  (  2) y  (  2)(  1) z    3  0 . (7.3) При любом значении  уравнение (7.3) определяет некоторую плоскость, так как коэффициенты при x, y, z в (7.3) не обращаются в нуль одновременно. а) При   0 уравнение (7.3) определяет плоскость P , параллельную плоскости Oxy , P: z  3 / 2 , а при   2 оно определяет плоскость P , 2 параллельную плоскости Oyz , P: x  5/ 2 . Ни при каких значениях  плоскость P , определяемая уравнением (7.3), не параллельна плоскости Oxz , поскольку коэффициенты при x, z в (7.3) не обращаются в нуль одновременно. б) При   1 уравнение (7.3) определяет плоскость P , параллельную оси Oz , P: x  3y  2  0 . При остальных значениях параметра  оно не определяет плоскости, параллельной только одной из координатных осей. в) При   3 уравнение (7.3) определяет плоскость P , проходящую через начало координат, P: 3x  15 y  10 z  0 . ◄ Пример 7.3. Написать уравнение плоскости Р, проходящей через: а) точку M (1,  3, 2) параллельно плоскости ось Оху; б) ось Ох и точку M (2,  1, 3) .   а) За вектор нормали n к Р здесь можно взять вектор k (0, 0,1) – орт оси Oz, так как он перпендикулярен плоскости Оху. Подставим координаты точки  M (1,  3, 2) и вектора n в уравнение (7.2), получим уравнение плоскости P: z 3  0.   б) Вектор нормали n к Р ортогонален векторам i (1, 0, 0) и OM (2,  1, 3) ,  поэтому за n можно взять их векторное произведение:    i j k       n  i  OM  1 0 0   j 12 03  k 12 01   3 j  k . 2 1 3  Подставим координаты точки О и вектора n в уравнение (7.2), получим уравнение плоскости P:  3(y  0)  (z  0)  0 или P: 3 y  z  0 .◄ 3

1.7.1. Плоскость.

Рассмотрим в декартовом базисе произвольную плоскость Р и вектор нормали (перпендикулярный) к ней `n (А, В, С). Возьмем в этой плоскости произвольную фиксированную точку М0(х0, у0, z0) и текущую точку М(х, у, z).

Очевидно, что ?`n = 0 (1.53)

(см.(1.20) при j = p /2). Это уравнение плоскости в векторной форме. Переходя к координатам, получим общее уравнение плоскости

А(х – х0) + В(у – у0) + С(z – z0) = 0 ?Ах + Ву + Сz + D = 0 (1.54).

(D = –Ах0– Ву0 – Сz0; А2 + В2 + С2 ? 0).

Можно показать, что в декартовых координатах каждая плоскость определяется уравнением первой степени и, обратно, каждое уравнение первой степени определяет плоскость, (т.е. плоскость есть поверхность первого порядка и поверхность первого порядка есть плоскость).

Рассмотрим некоторые частные случаи расположения плоскости, заданной общим уравнением:

А = 0 – параллельна оси Ох; В = 0 – параллельна оси Оу; С = 0 – параллельна оси Оz. (Такие плоскости, перпендикулярные одной из координатных плоскостей, называют проектирующими); D = 0 – проходит через начало координат; А = В = 0 – перпендикулярна оси Оz (параллельна плоскости хОу); А = В = D = 0 – совпадает с плоскостью хОу (z = 0). Аналогично анализируются все остальные случаи.

Если D ? 0, то, разделив обе части (1.54) на -D, можно привести уравнение плоскости к виду: (1.55),

а = – D /А, b = –D/ В, с =–D /С. Соотношение (1.55) называетcя уравнением плоскости в отрезках; а, b, с – абсцисса, ордината и аппликата точек пересечения плоскости с осями Ох, Оу, Оz, а |a|, |b|, |c| – длины отрезков, отсекаемых плоскостью на соответствующих осях от начала координат.

Умножая обе части (1.54) на нормирующий множитель (mD xcosa + ycosb + zcosg – p = 0 (1.56)

где cosa = Аm, cosb = Вm, cosg = Сm – направляющие косинусы нормали к плоскости, р – расстояние до плоскости от начала координат.

Рассмотрим основные соотношения, используемые в расчетах. Угол между плоскостями А1х + В1у + С1z + D1 = 0 и А2х + В2у + С2z + D2 = 0 легко определить как угол между нормалями этих плоскостей `n1 (А1, В1, С1) и

`n2 (А2, В2, С2): (1.57)

Из (1.57) легко получить условие перпендикулярности

А1А2 + В1 В2 + С1 С2 = 0 (1.58)

и параллельности (1.59) плоскостей и их нормалей.

Расстояние от произвольной точки М0(х0, у0, z0) до плоскости (1.54)

определяется выражением: (1.60)

Уравнение плоскости, проходящей через три заданные точки М1(х1, у1, z1), М2(х2, у2, z2), М3(х3, у3, z3) удобнее всего записать используя условие компланарности (1.25) векторов где М(х, у, z) – текущая точка плоскости.

(1.61)

Приведем уравнение пучка плоскостей (т.е.

Множества плоскостей, проходящих через одну прямую) – его удобно использовать в ряде задач.

(А1х + В1у + С1z + D1) + l(А2х + В2у + С2z + D2) = 0 (1.62)

Где l Î R, а в скобках - уравнения двух любых плоскостей пучка.

Контрольные вопросы.

1) Как проверить, что данная точка лежит на поверхности, заданной данным уравнением?

2) Каков характерный признак, отличающий уравнение плоскости в декартовой системе координат от уравнения других поверхностей?

3) Как расположена плоскость относительно системы координат, если в её уравнении отсутствует: а) свободный член; б) одна из координат; в) две координаты; г) одна из координат и свободный член; д) две координаты и свободный член?

1) Даны точки М1(0,-1,3) и М2(1,3,5). Написать уравнение плоскости, проходящей через точку М1 и перпендикулярной к вектору Выбрать верный ответ:

а) ; б) .

2) Найти угол между плоскостями и . Выбрать верный ответ:

а) 135о, б) 45о

1.7.2. Прямая. Плоскости, нормали которых не коллинеарны, или пересекаются, однозначно определяя прямую как линию их пересечения, что и записывается следующим образом:

Через эту прямую можно провести бесконечно много плоскостей (пучок плоскостей (1.62)), в том числе и проектирующие ее на координатные плоскости. Чтобы получить их уравнения, достаточно преобразовать (1.63), исключив из каждого уравнения по одной неизвестной и приведя их, например, к виду (1.63`).

Поставим задачу – провести через точку М0(х0,у0,z0) прямую, параллельную вектору `S (l, m, n) (его называют направляющим). Возьмем на искомой прямой произвольную точку М(х,у,z). Векторы и должны быть коллинеарны, откуда получаем канонические уравнения прямой.

(1.64) или (1.64`)

где cosa, cosb, cosg – направляющие косинусы вектора `S. Из (1.64) легко получить уравнение прямой, проходящей через заданные точки М1(х1, у1, z1) и М2(х2, у2, z2) (она параллельна )

Или (1.64``)

(Значения дробей в (1.64) равны для каждой точки прямой и могут быть обозначены через t, где tR. Это позволяет ввести параметрические уравнения прямой

Каждому значению параметра t соответствует набор координат х, у, z точки на прямой или (иначе) - значения неизвестных, удовлетворяющих уравнениям прямой).

Используя уже известные свойства векторов и операций над ними и канонические уравнения прямой легко получить следующие формулы:

Угол между прямыми: (1.65)

Условие параллельности (1.66).

перпендикулярности l1l2 + m1m2 + n1n2 = 0 (1.67) прямых.

Угол между прямой и плоскостью (легко получить, найдя угол между прямой и нормалью к плоскости, составляющий в сумме с искомым p/2)

(1.68)

Из (1.66) получаем условие параллельности Al + Bm + Cn = 0 (1.69)

и перпендикулярности (1.70) прямой и плоскости. Необходимое и достаточное условие нахождения двух прямых в одной плоскости легко получить из условия компланарности (1.25).

(1.71)

контрольные вопросы.

1) Каковы способы задания прямой линии в пространстве?

1) Написать уравнения прямой, проходящей через точку А(4,3,0) и параллельной вектору Указать верный ответ:

а) ; б) .

2) Написать уравнения прямой, проходящей через точки А(2,-1,3) и В(2,3,3). Указать верный ответ.

а) ; б) .

3) Найти точку пересечения прямой с плоскостью: , . Указать верный ответ:

а) (6,4,5); б) (6,-4,5).

1.7.3. Поверхности второго порядка. Если линейное уравнение в трехмерном декартовом базисе однозначно определяет плоскость, любое нелинейное уравнение, содержащее х, у, z описывает какую – то иную поверхность. Если уравнение имеет вид

Ах2 + Ву2 + Cz2 + 2Dxy + 2Exz + 2Fyz + 2Gx + 2Hy + 2Kz + L = 0, то оно описывает поверхность второго порядка (общее уравнение поверхности второго порядка). Выбором или преобразованием декартовых координат уравнение можно максимально упростить, приведя к одной из следующих форм, описывающих соответствующую поверхность.

1. Канонические уравнения цилиндров второго порядка, образующие которых параллельны оси Oz, а направляющими служат соответствующие кривые второго порядка, лежащие в плоскости хОу:

(1.72), (1.73), у2 = 2рх (1.74)

эллиптический, гиперболический и параболический цилиндры соответственно.

(Напомним, что цилиндрической называют поверхность, полученную перемещением прямой, называемой образующей, параллельно самой себе. Линию пересечения этой поверхности с плоскостью, перпендикулярной образующей, называют направляющей – она определяет форму поверхности).

По аналогии можно записать уравнения таких же цилиндрических поверхностей с образующими, параллельными оси Оу и оси Oх. Направляющую можно задать, как линию пересечения поверхности цилиндра и соответствующей координатной плоскости, т.е. системой уравнений вида:

2. Уравнения конуса второго порядка с вершиной в начале координат:

(1.75)

(осями конуса служат оси Oz, Oy и Ох соответственно)

3. Каноническое уравнение эллипсоида: (1.76);

Частными случаями являются эллипсоиды вращения, например – поверхность, полученная вращением эллипса вокруг оси Оz (При

а > с эллипсоид сжат, при a х2 + у2+ z2 + = r2 – уравнение сферы радиуса r с центром в начале координат).

4. Каноническое уравнение однополостного гиперболоида

(знак “ – ” может стоять перед любым из трех слагаемых левой части – это изменяет только положение поверхности в пространстве). Частные случаи – однополостные гиперболоиды вращения, например – поверхность, полученная вращением гиперболы вокруг оси Oz (мнимой оси гиперболы).

5. Каноническое уравнение двухполостного гиперболоида

(знак “ – ” может стоять перед любым из трех слагаемых левой части).

Частные случаи – двухполостные гиперболоиды вращения, например – поверхность, полученная вращением гиперболы вокруг оси Оz (действительной оси гиперболы).

6. Каноническое уравнение эллиптического параболоида

(p >0, q >0) (1.79)

7. Каноническое уравнение гиперболического параболоида

(p >0, q >0) (1.80)

(переменная z может поменяться местами с любой из переменных х и у – изменится положение поверхности в пространстве).

Отметим, что представление об особенностях (форме) этих поверхностей легко получить, рассматривая сечения этих поверхностей плоскостями, перпендикулярными осям координат.

контрольные вопросы.

1) Какое множество точек в пространстве определяет уравнение ?

2) Каковы канонические уравнения цилиндров второго порядка; конуса второго порядка; эллипсоида; однополостного гиперболоида; двухполостного гиперболоида; эллиптического параболоида; гиперболического параболоида?

1) Найти центр и радиус сферы и указать верный ответ:

а) С(1,5;-2,5;2), ; б) С(1,5;2,5;2), ;

2) Определить вид поверхности, заданной уравнениями: . Указать верный ответ:

а) однополостный гиперболоид; гиперболический параболоид; эллиптический параболоид; конус.

б) двухполостный гиперболоид; гиперболический параболоид; эллиптический параболоид; конус.

Поверхность

Поверхность, определенная некоторым уравнением в данной системе координат есть геометрическое место точек, координаты которых удовлетворяют данному уравнению F(x; y; z) = 0.

Линия в пространстве

Если уравнения F(x; y; z) = 0 и Ф (x; y; z) = 0 определяют некоторую поверхность, то линия L (x; y; z) = 0 может быть определена как геометрическое место точек общих для обеих поверхностей (линия пересечения поверхностей)

Плоскость, как поверхность первого порядка

Существует, как минимум, три определения плоскости:

1) Плоскость есть поверхность, которая полностью каждую прямую, соединяющую любые две ее точки.

2) Плоскость есть множество точек пространства, равноудаленных от данных двух точек.

А теперь об одной из форм уравнения плоскости.

Во-первых, со школьных времен известно; «любые не совпадающие и не лежащие на одной прямой три точки определяют плоскость, причем единственную». Не случайно абсолютно устойчив (т.е. «не качается») стул на трех ножках и не устойчив («качается») стул на двух и более чем на трех ножках. Во-вторых, вектор нормали к плоскости ориентирует ее в пространстве (см. Рис.31)

Пусть искомая плоскость р проходит через точку М 0 перпендикулярно вектору, тогда

Во-первых, вектор есть результат векторного произведения вектора М 0 М 2 на вектор М 0 М 1

Во-вторых, вектор перпендикулярен и вектору М 0 М 2 , и вектору М 1 М 2 . Откуда, из условия ортогональности векторов получаем, что скалярное произведение на вектор М 0 М 2 (или на вектор М 0 М 1) равно нулю. Если точка М 2 имеет координаты (x; y; z), то скалярное произведение вектора на вектор М 0 М 2 должно быть равно нулю. С учетом того, что вектор М 0 М 2 определяется как

получаем, что

Уравнение плоскости, проходящей через данную точку и перпендикулярной данному вектору

Пример 30 (получение уравнения плоскости)

Найти уравнение плоскости, проходящей через точку М 0 (1; 1; 1) перпендикулярно вектору

Решение

В нашем случае

А=1, В= 1 и С =1;

x 0 = 2, y 0 = 2, z 0 = 3,

следовательно, уравнение плоскости имеет вид

Или, окончательно,

Ответ

Искомая плоскость определяется уравнением

Общее уравнение плоскости

Вообще, любое уравнение вида

A x + B y + C z + D = 0

определяет плоскость (где А, В и С - координаты вектора-нормали к плоскости). Такая форма уравнения плоскости получила название «общее уравнение плоскости».

Неполные уравнения плоскости

Пусть плоскость задана своим общим уравнением

A x + B y + C z + D = 0, (*)

1) если D = 0, то (*) определяет плоскость, проходящую через начало координат;

2) если А = 0, то B y + C z + D = 0 и имеем плоскость, параллельную оси Ox (т.к.);

3) если В = 0, то A x + C z + D = 0 и имеем плоскость, параллельную оси Oy (т.к.);

4) если C = 0, то A x + B y + D = 0 и имеем плоскость, параллельную оси Oz (т.к.);

5) А = 0; В = 0, то C z + D = 0 и имеем плоскость, параллельную плоскости Oxy;

6) A = 0; C = 0, то В y + D = 0 и имеем плоскость, параллельную плоскости Oxz;

7) B = 0; C = 0, то A x + D = 0 и имеем плоскость, параллельную плоскости Oyz;

8) A = 0, B = 0, D = 0, то С z = 0 - это плоскость Oxy;

9) A = 0, C = 0, D = 0, то B y = 0 - это плоскость Oxz;

10) B = 0, C = 0, D = 0, то A z = 0 - это плоскость Oyz.

Точно так же, как было ранее с общим уравнением прямой на плоскости , из общего уравнения можно получить и другие формы уравнения плоскости. Одна из этих форм уравнение плоскости в отрезках.

Из общего уравнения плоскости

A x + B y + C z + D = 0

Получается уравнение плоскости в отрезках