高等数学-向量代数与空间解析几何

高等数学-向量代数与空间解析几何

SunnyDusk Lv3

向量代数与空间解析几何

向量的概念

  1. 向量(矢量)是有大小有方向的量,用一个带箭头的线段来表示,线段的长度表示向量的大小,箭头的方向表示向量的方向a⃗\vec{a} 。
  2. 标量(数量)是只有大小没有方向的量,用一个数字来表示。
    向量的大小用模来表示,向量的方向用方向角来表示。
  3. 向量在坐标系中的表示:

    设在空间内有两个点A(x1,y1,z1),B(x2,y2,z2)A(x_1,y_1,z_1),B(x_2,y_2,z_2),则向量AB的坐标表示为:AB⃗=(x2−x1,y2−y1,z2−z1)\vec{AB}=(x_2-x_1,y_2-y_1,z_2-z_1) (终点坐标-起点坐标)
  4. 向量的大小(模长):
    指向量长度,指AB距离。
    ∣AB⃗∣=(x2−x1)2+(y2−y1)2+(z2−z1)2|\vec{AB}|=\sqrt{(x_2-x_1)^2+(y_2-y_1)^2+(z_2-z_1)^2} (两点间距离公式)
  5. 单位向量:模长为1的向量(e⃗\vec{e} )。
    与AB⃗\vec{AB} 同方向的单位向量:AB⃗∣AB⃗∣\frac{\vec{AB}}{|\vec{AB}|}
    与AB⃗\vec{AB} 反方向的单位向量:−AB⃗∣AB⃗∣-\frac{\vec{AB}}{|\vec{AB}|}
  6. 零向量:模长为0的向量(方向任意)。
    例题1:已知A(1,0,2),B(1,1,4),求AB⃗\vec{AB} 及与AB⃗\vec{AB}同向的单位向量。
    解:AB⃗=(1−1,1−0,4−2)=(0,1,2)\vec{AB}=(1-1,1-0,4-2)=(0,1,2) ∣AB⃗∣=02+12+22=5|\vec{AB}|=\sqrt{0^2+1^2+2^2}=\sqrt{5} e⃗=AB⃗∣AB⃗∣=(0,1,2)5\vec{e}=\frac{\vec{AB}}{|\vec{AB}|}=\frac{(0,1,2)}{\sqrt{5}}

基础公式

∣a⃗+b⃗∣=(a⃗+b⃗)2|\vec{a}+\vec{b}|=\sqrt{(\vec{a}+\vec{b})^2} ∣a⃗−b⃗∣=(a⃗−b⃗)2|\vec{a}-\vec{b}|=\sqrt{(\vec{a}-\vec{b})^2} a⃗⋅b⃗=∣a⃗∣∣b⃗∣⋅cos⁡<a⃗,b⃗>\vec{a}\cdot \vec{b}=|\vec{a}||\vec{b}|\cdot \cos <\vec{a},\vec{b}>

空间直角坐标系及其单位向量

  1. i⃗,j⃗,k⃗\vec{i},\vec{j},\vec{k}分别为x,y,z轴上的单位向量,称为空间直角坐标系的基向量。
  2. 注意:若2i⃗+3j⃗−2k⃗2\vec{i}+3\vec{j}-2\vec{k} ,则为(2,3,-2)

向量的运算法则

设a⃗=(x1,y1,z1),b⃗=(x2,y2,z2)\vec{a}=(x_1,y_1,z_1),\vec{b}=(x_2,y_2,z_2)

  1. 向量的加减法: a⃗±b⃗=(x1±x2,y1±y2,z1±z2)\vec{a}\pm \vec{b}=(x_1\pm x_2,y_1\pm y_2,z_1\pm z_2)
  2. 向量的数乘: ka⃗=(kx1,ky1,kz1)k\vec{a}=(kx_1,ky_1,kz_1)
  3. 点乘(数量积): a⃗⋅b⃗=x1⋅x2+y1⋅y2+z1⋅z2\vec{a}\cdot \vec{b}=x_1\cdot x_2+y_1\cdot y_2+z_1\cdot z_2 对应坐标相乘再相加
  4. 叉乘(向量积): a⃗×b⃗=c⃗\vec{a}\times \vec{b}=\vec{c} 注:c⃗⊥a⃗c⃗⊥b⃗}c⃗=a⃗×b⃗\left.\begin{matrix}\vec{c} \perp \vec{a} \\\vec{c} \perp \vec{b} \end{matrix}\right\}\vec{c} =\vec{a}\times \vec{b}

向量点乘的几何运算

在坐标下:a⃗⋅b⃗=∣a⃗∣⋅∣b⃗∣⋅cosθ\vec{a}\cdot \vec{b}=|\vec{a}|\cdot |\vec{b}|\cdot cos\theta
在几何下:a⃗⋅b⃗=∣a⃗∣⋅∣b⃗∣⋅cos⁡θ,θ\vec{a}\cdot \vec{b}=|\vec{a}|\cdot |\vec{b}|\cdot \cos \theta ,\theta 指a⃗,b⃗\vec{a},\vec{b} 的夹角
若a⃗⊥b⃗\vec{a}\perp \vec{b}则a⃗⋅b⃗=∣a⃗∣⋅∣b⃗∣⋅cos⁡90°=0\vec{a}\cdot \vec{b} =|\vec{a} |\cdot |\vec{b} |\cdot \cos 90°=0
则:a⃗⋅b⃗=0⇔a⃗⊥b⃗{\color{Red} \vec{a}\cdot \vec{b}=0\Leftrightarrow \vec{a}\perp \vec{b}}
且:(a⃗)2=∣a⃗∣×∣a⃗∣⋅cos⁡0=∣a⃗∣2{\color{Red} (\vec{a})^2=|\vec{a}|\times |\vec{a}|\cdot \cos 0=|\vec{a}|^2 }
例题1:设a⃗=(2,λ,−1),b⃗=(λ,2,5)\vec{a}=(2,\lambda ,-1),\vec{b}=(\lambda ,2,5)的数量积为0,则λ=54\lambda =\frac{5}{4}
解:因为数量积为0,则a⃗⋅b⃗=0\vec{a}\cdot \vec{b}=0
即:2λ+2λ−5=02\lambda +2\lambda -5=0
解得:λ=54\lambda =\frac{5}{4}
例题2:设∣a⃗∣=3,∣b⃗∣=2|\vec{a}|=3,|\vec{b}|=2,且a⃗⊥b⃗\vec{a}\perp \vec{b},则(3a⃗−b⃗)(a⃗+b⃗)=23(3\vec{a}-\vec{b})(\vec{a}+\vec{b})=23。
解:因为a⃗⊥b⃗\vec{a}\perp \vec{b},则a⃗⋅b⃗=0\vec{a}\cdot \vec{b}=0
由原式得3a⃗2+3a⃗b⃗−b⃗⋅a⃗−b⃗23\vec{a}^2 +3\vec{a}\vec{b}-\vec{b} \cdot \vec{a}-\vec{b}^2
因为a⃗2=∣a⃗∣2\vec{a}^2=|\vec{a}|^2
则有3⋅32+3⋅0−0−22=233\cdot 3^2+3\cdot 0-0-2^2=23


向量叉乘的运算

若a⃗=(x1,y1,z1),b⃗=(x2,y2,z2)\vec{a}=(x_1,y_1,z_1),\vec{b}=(x_2,y_2,z_2)
则a⃗×b⃗=∣i⃗j⃗k⃗x1y1z1x2y2z2∣\vec{a} \times \vec{b}=\begin{vmatrix}\vec{i} &\vec{j} &\vec{k} \\x_1 &y_1 &z_1 \\x_2 &y_2 &z_2 \\\end{vmatrix}
∣y1z1y2z2∣⋅i⃗−∣x1z1x2z2∣⋅j⃗+∣x1y1x2y2∣⋅k⃗\begin{vmatrix} y_1& z_1\\y_2&z_2\end{vmatrix}\cdot \vec{i}-\begin{vmatrix} x_1& z_1\\x_2&z_2\end{vmatrix}\cdot \vec{j}+\begin{vmatrix} x_1& y_1\\x_2&y_2\end{vmatrix}\cdot \vec{k}
补充:

例题1:a⃗=(1,0,−1),b⃗=(0,2,3)\vec{a}=(1,0,-1),\vec{b}=(0,2,3),求a⃗×b⃗\vec{a}\times \vec{b}
解:a⃗×b⃗=∣i⃗j⃗k⃗10−1023∣\vec{a} \times \vec{b}=\begin{vmatrix}\vec{i} &\vec{j} &\vec{k} \\1 &0 &-1 \\0 &2 &3 \\\end{vmatrix}
∣0−123∣⋅i⃗−∣1−103∣⋅j⃗+∣1002∣⋅k⃗\begin{vmatrix} 0& -1\\2&3 \end{vmatrix}\cdot \vec{i}-\begin{vmatrix} 1& -1\\0 &3 \end{vmatrix}\cdot \vec{j}+\begin{vmatrix} 1& 0\\0 & 2 \end{vmatrix}\cdot \vec{k}
=[0−(−2)]i⃗−(3−0)j⃗+(2−0)k⃗=[0-(-2)]\vec{i}-(3-0)\vec{j}+(2-0)\vec{k}
=2i⃗−3j⃗+2k⃗=2\vec{i}-3\vec{j}+2\vec{k}
即a⃗×b⃗=(2,−3,2)\vec{a} \times \vec{b}=(2,-3,2)
三阶行列式的计算方法:
对角线法:
D3=∣120010112∣D_3=\begin{vmatrix}1&2&0 \\0&1&0 \\1&1&2\end{vmatrix}
将第一列和第二列往后排列,使用主对角-副对角,即捺-撇;
=∣120010112∣120111=\begin{vmatrix}1&2&0 \\0&1&0 \\1&1&2\end{vmatrix}{\color{Red} \begin{matrix}1&2 \\0&1 \\1&1\end{matrix}}
=(2+0+0)−(0+0+0)=2=(2+0+0)-(0+0+0)=2

某一表白公式
某一表白公式

例题1使用对角线法解题
例题1使用对角线法解题


a⃗×b⃗\vec{a}\times \vec{b} 的几何意义

∣a⃗×b⃗∣=∣a⃗∣⋅∣b⃗∣⋅sin⁡θ|\vec{a}\times \vec{b}|=|\vec{a}|\cdot |\vec{b}|\cdot \sin \theta

几何意义:指由a⃗,b⃗\vec{a},\vec{b} 所构成的平行四边形的面积。

若求三角形的面积,则12∣a⃗×b⃗∣\frac{1}{2}|\vec{a}\times \vec{b}|
例题1:已知△ABC\bigtriangleup ABC上的三个顶点A(1,2,3),B(3,−1,2),C(1,3,2)A(1,2,3),B(3,-1,2),C(1,3,2),则AB边上的高是多少,h=2217h=\frac{2\sqrt{21} }{7}。
解:

AB⃗=(3−1,−1−2,2−3)=(2,−3,−1)\vec{AB}=(3-1,-1-2,2-3)=(2,-3,-1)
AC⃗=(1−1,3−2,2−3)=(0,1,−1)\vec{AC}=(1-1,3-2,2-3)=(0,1,-1)
∣AB⃗×AC⃗∣=∣i⃗j⃗k⃗2−3−101−1∣|\vec{AB}\times \vec{AC}|=\begin{vmatrix}\vec{i} &\vec{j} &\vec{k} \\2 &-3 &-1 \\0 &1 &-1 \\\end{vmatrix}
=(3i⃗+0+2k⃗−(0−i⃗−2j⃗)=(3\vec{i}+0+2\vec{k}-(0-\vec{i}-2\vec{j})
=4i⃗+2j⃗+2k⃗=(4,2,2)=4\vec{i}+2\vec{j}+2\vec{k}=(4,2,2)
∣AB⃗×AC⃗∣=42+22+22=24=26|\vec{AB}\times \vec{AC}|=\sqrt{4^2+2^2+2^2}=\sqrt{24}=2\sqrt{6}
S△=12∣AB⃗×AC⃗∣=12⋅26=6S_\bigtriangleup =\frac{1}{2}|\vec{AB}\times \vec{AC}|=\frac{1}{2} \cdot 2\sqrt{6}=\sqrt{6}
AB⃗=22+(−3)2+(−1)2=14\vec{AB}=\sqrt{2^2+(-3)^2+(-1)^2}=\sqrt{14}
h=S△⋅2AB⃗=2614h=\frac{S_\bigtriangleup \cdot 2}{\vec{AB}}=\frac{2\sqrt{6} }{\sqrt{14} }
解得h=2217h=\frac{2\sqrt{21} }{7}


向量间位置关系

设a⃗=(x1,y1,z1),b⃗=(x2,y2,z2)\vec{a}=(x_1,y_1,z_1),\vec{b}=(x_2,y_2,z_2)
a⃗⊥b⃗⇔a⃗⋅b⃗\vec{a}\perp \vec{b} \Leftrightarrow \vec{a}\cdot \vec{b}
a⃗∥b⃗⇔x1x2=y1y2=z1z2\vec{a}\parallel \vec{b} \Leftrightarrow \frac{x_1}{x_2}=\frac{y_1}{y_2}=\frac{z_1}{z_2}对应坐标比值相等
例题1:设a⃗=(5,x,−2),b⃗=(y,6,4)\vec{a}=(5,x,-2),\vec{b}=(y,6,4)两向量平行,则x=(),y=()x=(),y=()
解:因为a⃗∥b⃗\vec{a}\parallel \vec{b}
则5y=x6=−24\frac{5}{y}=\frac{x}{6}=\frac{-2}{4}
解得:x=−3,y=−10x=-3,y=-10


空间平面方程

  1. 点法式方程: A(x−x0)+B(y−y0)+C(z−z0)=0A(x-x_0)+B(y_-y_0)+C(z-z_0)=0 解析:

    (1). 称垂直于平面的非零向量为平面法向量,记作n⃗=(A,B,C)\vec{n}=(A,B,C)
    (2). 在平面上找出不重合的两点M(x,y,z),M0(x0,y0,z0)M(x,y,z),M_0(x_0,y_0,z_0),连接M0M⃗=(x−x0,y−y0,z−z0)\vec{M_0M}=(x-x_0,y-y_0,z-z_0)
    (3). 由n⃗⊥M0M⃗\vec{n} \perp \vec{M_0M},则n⃗⋅M0M⃗=0\vec{n} \cdot \vec{M_0M}=0展开得:A(x−x0)+B(y−y0)+C(z−z0)=0A(x-x_0)+B(y-y_0)+C(z-z_0)=0
  2. 一般式方程(点法式展开):
    Ax+By+Cz+D=0Ax+By+Cz+D=0D为常数

空间平面位置关系

设有两个平面:π1:A1x+B1y+C1z+D1=0\pi _1:A_1x+B_1y+C_1z+D_1=0,π2:A2x+B2y+C2z+D2=0\pi _2:A_2x+B_2y+C_2z+D_2=0
则n1⃗=(A1,B1,C1);n2⃗=(A2,B2,C2)\vec{n_1}=(A_1,B_1,C_1);\vec{n_2}=(A_2,B_2,C_2)
法向量,看x,y,z的系数

  1. 平行:π1∥π2⇔n1⃗∥n2⃗⇔A1A2=B1B2=C1C2\pi _1 \parallel \pi _2 \Leftrightarrow \vec{n_1} \parallel \vec{n_2} \Leftrightarrow \frac{A_1}{A_2}=\frac{B_1}{B_2}=\frac{C_1}{C_2}对应坐标比值相等
  2. 垂直:π1⊥π2⇔n1⃗⊥n2⃗⇔n1⃗⋅n2⃗=0⇔A1⋅A2+B1⋅B2+C1⋅C2=0\pi _1 \perp \pi _2 \Leftrightarrow \vec{n_1} \perp \vec{n_2} \Leftrightarrow \vec{n_1} \cdot \vec{n_2}=0 \Leftrightarrow A_1\cdot A_2+B_1\cdot B_2+C_1\cdot C_2=0
  3. 相交:A1A2=B1B2=C1C2\frac{A_1}{A_2}=\frac{B_1}{B_2}=\frac{C_1}{C_2}不成立。
  4. 重合:{平行有交点}⟹A1A2=B1B2=C1C2=D1D2\begin{Bmatrix}平行\\有交点\end{Bmatrix}\Longrightarrow \frac{A_1}{A_2}=\frac{B_1}{B_2}=\frac{C_1}{C_2}=\frac{D_1}{D_2}
    注:找向量n1⃗,n2⃗\vec{n_1},\vec{n_2}。
    位置关系与向量位置关系一致。
    例题1:设有三个平面:π1:x−5y+2z=−1\pi _1:x-5y+2z=-1,π2:3x−2y+5z+8=0\pi _2:3x-2y+5z+8=0,π3:4x+2y+3z−9=0\pi _3:4x+2y+3z-9=0,则π1,π2,π3\pi _1,\pi _2,\pi _3的位置关系是:(B)
    A. π1∥π2\pi _1 \parallel \pi _2
    B. π1⊥π3\pi _1 \perp \pi _3
    C. π2⊥π3\pi _2 \perp \pi _3
    D. π2∥π3\pi _2 \parallel \pi _3
    解析:n1⃗=(1,−5,2);n2⃗=(3,−2,5);n3⃗=(4,2,3)\vec{n_1}=(1,-5,2);\vec{n_2}=(3,-2,5);\vec{n_3}=(4,2,3) n1⃗∥n2⃗=13≠52≠25\vec{n_1} \parallel \vec{n_2}=\frac{1}{3}\neq \frac{5}{2}\neq \frac{2}{5}所以A不平行,错误。 n1⃗⋅n3⃗=1⋅4+(−5)⋅2+2⋅3=0\vec{n_1} \cdot \vec{n_3}=1\cdot 4+(-5)\cdot 2+2\cdot 3=0所以B两个互相垂直,正确。 n2⃗⋅n3⃗=3⋅4+(−2)⋅2+5⋅3≠0\vec{n_2} \cdot \vec{n_3}=3\cdot 4+(-2)\cdot 2+5\cdot 3\neq 0所以两个平面不垂直,错误。 n2⃗∥n3⃗=34≠−22≠53\vec{n_2} \parallel \vec{n_3}=\frac{3}{4}\neq \frac{-2}{2}\neq \frac{5}{3}所以D不平行,错误。 已知条件,求平面方程(**题型**): 解题思路: (1). 找目标条件{1.平面上一点(x0,y0,z0)2.平面n⃗(A,B,C)找目标条件\left\{\begin{matrix}1. 平面上一点(x_0,y_0,z_0)\\2. 平面\vec{n}(A,B,C) \end{matrix}\right. (2). 代入点法式方程:A(x−x0)+B(y−y0)+C(z−z0)=0A(x-x_0)+B(y-y_0)+C(z-z_0)=0
    例题2:求过点M(1,2,3)M(1,2,3)且n⃗=(4,5,6)\vec{n}=(4,5,6)的平面方程。
    解: 带入点法式公式A(x−x0)+B(y−y0)+C(z−z0)=0A(x-x_0)+B(y-y_0)+C(z-z_0)=0 4(x−1)+5(y−2)+6(z−3)=04(x-1)+5(y-2)+6(z-3)=0 4x+5y+6z−32=04x+5y+6z-32=0 例题3:求过两点A(1,1,1),B(0,1,−1)A(1,1,1),B(0,1,-1)且垂直于平面x+y+z=0x+y+z=0的平面方程。
    解析:n1⃗⊥n2⃗⟹n1⃗×n2⃗=0\vec{n_1}\perp \vec{n_2}\Longrightarrow \vec{n_1}\times \vec{n_2}=0
    且有c⃗⊥a⃗c⃗⊥b⃗⟹c⃗=a⃗×b⃗\begin{matrix}\vec{c}\perp \vec{a}\\ \vec{c}\perp \vec{b}\end{matrix}\Longrightarrow \vec{c}=\vec{a}\times \vec{b}
    解:AB⃗=(−1,0,−2)\vec{AB}=(-1,0,-2),设符求平面法向量为n1⃗\vec{n_1},故n1⃗⊥AB⃗\vec{n_1}\perp \vec{AB}
    又平面x+y+z=0x+y+z=0得n2⃗=(1,1,1)\vec{n_2}=(1,1,1)由题可知n1⃗⊥n2⃗\vec{n_1}\perp \vec{n_2}
    由上可知n1⃗=AB⃗×n2⃗\vec{n_1}=\vec{AB}\times \vec{n_2} n1⃗=∣i⃗j⃗k⃗−10−2111∣i⃗j⃗−1011\vec{n_1}=\begin{vmatrix}\vec{i} &\vec{j} &\vec{k} \\-1&0&-2\\1&1&1\end{vmatrix}{\color{Red} \begin{matrix}\vec{i} &\vec{j} \\-1&0\\1&1\end{matrix}} =(0−2j⃗−k⃗)−(0−2i⃗+j⃗)=(2,−1,−1)=(0-2\vec{j}-\vec{k})-(0-2\vec{i}+\vec{j})=(2,-1,-1) 又因为过点A(1,1,1)A(1,1,1),故1⋅2+1⋅(−1)+1⋅(−1)=01\cdot 2+1\cdot (-1)+1\cdot (-1)=0
    所以平面方程为:2x−y−z=02x-y-z=0

空间平面的夹角及点面距离公式

  1. 平面间的夹角:
    两个平面夹角就是两个平面法向量的夹角。
    解法:{1.找n1⃗,n2⃗2.求cos⁡θ=n1⃗⋅n2⃗∣n1⃗∣⋅∣n2⃗∣3.反推θ大小\left\{\begin{matrix}1. 找\vec{n_1},\vec{n_2} \\2. 求\cos \theta =\frac{\vec{n_1}\cdot \vec{n_2} }{|\vec{n_1} |\cdot |\vec{n_2} |} \\3. 反推\theta 大小\end{matrix}\right.
  2. 点到平面的距离:
    设点P(x0,y0,z0)P(x_0,y_0,z_0)到平面π:Ax+By+Cz+D=0\pi :Ax+By+Cz+D=0的距离为d
    则有公式:d=∣Ax0+By0+Cz0+D∣A2+B2+C2d=\frac{|Ax_0+By_0+Cz_0+D|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}
    例题:求点M(1,2,3)M(1,2,3)到平面π:x+y+2z+3=0\pi :x+y+2z+3=0的距离。
    解:使用公式:d=∣Ax0+By0+Cz0+D∣A2+B2+C2d=\frac{|Ax_0+By_0+Cz_0+D|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}} d=∣1+2+2⋅3+3∣12+12+22=128=62d=\frac{|1+2+2\cdot 3+3|}{\sqrt{1^2+1^2+2^2}}=\frac{12}{\sqrt{8}}=\frac{\sqrt{6} }{2}

特殊平面方程

平面的一般式方程:Ax+By+Cz+D=0Ax+By+Cz+D=0

  1. D=0,Ax+By+Cz+D=0D=0,Ax+By+Cz+D=0过原点的平面,称为原点平面。
  2. 少某个字母(x,y,zx,y,z),设少z,Ax+By+D=0(z∈R)z,Ax+By+D=0 (z \in R)则平行于z轴,少哪个字母即平行于某轴。
  3. 少了两个字母(z,yz,y),设少z,y,Ax+D=0(z,y∈R)z,y,Ax+D=0 (z,y \in R)则平行或重合于yoz平面,少两个字母即平行或重合于某平面。
  4. 少了某个字母和某个系数(z,Dz,D),设少Ax+By=0Ax+By=0则平面经过了z轴,少了哪个字母即经过了某轴。
    例题1:求经过了z轴和点M0(−3,1,2)M_0(-3,1,2)的平面方程。
    解:设待求平面为Ax+By=0Ax+By=0
    因为点M0(−3,1,2)M_0(-3,1,2)在平面上
    所以A⋅(−3)+B⋅1=0A\cdot (-3)+B\cdot 1=0
    得A=B3A=\frac{B}{3}
    取B=3B=3,得A=1A=1
    即平面方程为:x+3y=0x+3y=0

空间直线方程

  1. 直线的点向式方程:x−x0m=y−y0n=z−z0p\frac{x-x_0}{m}=\frac{y-y_0}{n}=\frac{z-z_0}{p}
    (1). 称平行于直线的向量为方向向量,S⃗=(m,n,p)\vec{S}=(m,n,p)
    (2). 取直线上两不重合的点M(x,y,z),M0(x0,y0,z0)M(x,y,z),M_0(x_0,y_0,z_0)连接M0MM_0M得: M0M⃗=(x−x0,y−y0,z−z0)\vec{M_0M}=(x-x_0,y-y_0,z-z_0),有M0M⃗∥S⃗\vec{M_0M} \parallel \vec{S} 得:x−x0m=y−y0n=z−z0p\frac{x-x_0}{m}=\frac{y-y_0}{n}=\frac{z-z_0}{p}
    注:看分母,得S⃗=(m,n,p)\vec{S}=(m,n,p)
    看分子,得点M(x0,y0,z0)M(x_0,y_0,z_0)
  2. 参数方程
    若令x−x0m=y−y0n=z−z0p=t\frac{x-x_0}{m}=\frac{y-y_0}{n}=\frac{z-z_0}{p}=t
    则有:{x=x0+mty=y0+ntz=z0+pt\left\{\begin{matrix}x=x_0+mt\\y=y_0+nt\\z=z_0+pt\end{matrix}\right.
    一般求交点使用参数方程。
  3. 直线的一般式方程(交面式)
    由两平面相交而成的直线,称为交线。
    设两平面方程为:{A1x+B1y+C1z+D1=0A2x+B2y+C2z+D2=0\left\{\begin{matrix}A_1x+B_1y+C_1z+D_1=0\\A_2x+B_2y+C_2z+D_2=0\end{matrix}\right.

直线与直线的位置关系

设两直线方程为:{l1:x−x1m1=y−y1n1=z−z1p1l2:x−x2m2=y−y2n2=z−z2p2\left\{\begin{matrix}l_1:\frac{x-x_1}{m_1}=\frac{y-y_1}{n_1}=\frac{z-z_1}{p_1}\\l_2:\frac{x-x_2}{m_2}=\frac{y-y_2}{n_2}=\frac{z-z_2}{p_2}\end{matrix}\right.
则有:S1⃗=(m1,n1,p1);S2⃗=(m2,n2,p2)\vec{S_1}=(m_1,n_1,p_1);\vec{S_2}=(m_2,n_2,p_2)

  1. 平行:S1⃗∥S2⃗\vec{S_1} \parallel \vec{S_2}
  2. 垂直:S1⃗⊥S2⃗\vec{S_1} \perp \vec{S_2}
  3. 重合:{1.平行2.有交点\left\{\begin{matrix}1. 平行\\2. 有交点\end{matrix}\right.
    线和线的位置关系与向量关系一致。

直线与平面的位置关系

与向量的位置关系相反。
设平面方程为:π:Ax+By+Cz+D=0\pi :Ax+By+Cz+D=0,直线方程为:l:x−x0m=y−y0n=z−z0pl:\frac{x-x_0}{m}=\frac{y-y_0}{n}=\frac{z-z_0}{p}
则有:n⃗=(A,B,C);S⃗=(m,n,p)\vec{n}=(A,B,C);\vec{S}=(m,n,p)

  1. 平行:n⃗⊥S⃗\vec{n} \perp \vec{S}
  2. 垂直:n⃗∥S⃗\vec{n} \parallel \vec{S}
  3. 重合:{1.平行2.直线上的点(x0,y0,z0)在平面上\left\{\begin{matrix}1. 平行\\2. 直线上的点(x_0,y_0,z_0)在平面上\end{matrix}\right.

例题

  1. 直线与直线的位置关系
    例题1:确定l1:x+143=y1=z+215l_1:\frac{x+14}{3}=\frac{y}{1}=\frac{z+21}{5}与直线{x=13−9ty=1−3tz=1−3−15t\left\{\begin{matrix}x=\frac{1}{3}-9t \\y=1-3t\\z=\frac{1}{-3}-15t \end{matrix}\right.的位置关系。
    解:S1⃗=(3,1,5);S2⃗=(−9,−3,−15)\vec{S_1}=(3,1,5);\vec{S_2}=(-9,-3,-15) ∵3−9=1−3=5−15=−13\because \frac{3}{-9}=\frac{1}{-3}=\frac{5}{-15}=-\frac{1}{3} ∴S1⃗∥S2⃗\therefore \vec{S_1} \parallel \vec{S_2} 又因为l2l_2上点(13,1,−13)(\frac{1}{3},1,-\frac{1}{3})不满足l1l_1,所以两直线平行。
  2. 直线与平面的位置关系
    例题2:直线l:x2=y−55=z−63l:\frac{x}{2}=\frac{y-5}{5}=\frac{z-6}{3}与平面π:15x−9y+5z=−15\pi :15x-9y+5z=-15的位置关系为(C)。
    A. 平行 B. 垂直 C. 直线在平面上 D. 相交不垂直
    解:n⃗=(15,−9,5);S⃗=(2,5,3)\vec{n}=(15,-9,5);\vec{S}=(2,5,3) 215≠5−9≠35\frac{2}{15}\neq \frac{5}{-9}\neq \frac{3}{5}故不成立 n⃗⋅S⃗=15⋅2+(−9)⋅5+5⋅3=0\vec{n} \cdot \vec{S}=15\cdot 2+(-9)\cdot 5+5\cdot 3=0 ∴n⃗⊥S⃗\therefore \vec{n} \perp \vec{S} 故l∥πl \parallel \pi
    又直线l上的点M0(0,5,6)M_0(0,5,6)满足平面方程,即重合。
  3. 求平面与直线的交点坐标
    解法:直线转换为参数方程,带入平面方程,解出参数t,带入参数方程,求出交点坐标。
    例题3:求x−23=y2=z−15\frac{x-2}{3}=\frac{y}{2}=\frac{z-1}{5}与x+y+z+2=0x+y+z+2=0的交点。
    解:令x−23=y2=z−15=t\frac{x-2}{3}=\frac{y}{2}=\frac{z-1}{5}=t
    则直线为:{x=2+3ty=2tz=1+5t\left\{\begin{matrix}x=2+3t\\y=2t\\z=1+5t\end{matrix}\right. 2+3t+2t+1+5t+2=02+3t+2t+1+5t+2=0 10t=−510t=-5 t=−12t=-\frac{1}{2} 故当t=−12t=-\frac{1}{2}时,x=2+3⋅(−12)=12x=2+3\cdot (-\frac{1}{2})=\frac{1}{2} y=2⋅(−12)=−1y=2\cdot (-\frac{1}{2})=-1 z=1+5⋅(−12)=−32z=1+5\cdot (-\frac{1}{2})=-\frac{3}{2} 所以交点为:M(12,−1,−32)M(\frac{1}{2},-1,-\frac{3}{2})
    例题4:求过点A(2,−1,3)A(2,-1,3)作平面x−2y−2z+11=0x-2y-2z+11=0垂线,求垂足的坐标。
    解:设垂足为点B(x0,y0,z0)B(x_0,y_0,z_0)
    平面n⃗=(1,−2,−2)\vec{n}=(1,-2,-2),由题可知直线AB S⃗=(1,−2,−2)\vec{S}=(1,-2,-2),则直线AB为: x−21=y+1−2=z−3−2=t\frac{x-2}{1}=\frac{y+1}{-2}=\frac{z-3}{-2}=t {x=t+2y=−2t−1z=−2t+3\left\{\begin{matrix}x=t+2\\y=-2t-1\\z=-2t+3\end{matrix}\right. 代入平面x−2y−2z+11=0x-2y-2z+11=0
    得:t+2−2(−2t−1)−2(−2t+3)+11=0t+2-2(-2t-1)-2(-2t+3)+11=0
    解得t=−1t=-1
    故t=1t=1时直线AB与平面有交点
    即垂足为(1,1,5)(1,1,5)

直线与直线的夹角θ\theta

(1). 找两个直线的方向向量S1⃗,S2⃗\vec{S_1},\vec{S_2}
(2). 求cos⁡θ=S1⃗⋅S2⃗∣S1⃗∣⋅∣S2⃗∣\cos \theta =\frac{\vec{S_1}\cdot \vec{S_2} }{|\vec{S_1} |\cdot |\vec{S_2} |}反求θ\theta 的大小。
例题:两条直线l1:x−11=y−5−2=z+81l_1:\frac{x-1}{1}=\frac{y-5}{-2}=\frac{z+8}{1}与{x=t+6y=tz=−2t+3\left\{\begin{matrix}x=t+6\\y=t\\z=-2t+3\end{matrix}\right.的夹角为(A)
A. π3\frac{\pi }{3} B. π4\frac{\pi }{4} C. π6\frac{\pi }{6} D. π2\frac{\pi }{2}
解:S1⃗=(1,−2,1);S2⃗=(1,1,−2)\vec{S_1}=(1,-2,1);\vec{S_2}=(1,1,-2)
cos⁡θ=∣S1⃗⋅S2⃗∣S1⃗∣⋅∣S2⃗∣∣\cos \theta =|\frac{\vec{S_1} \cdot \vec{S_2} }{|\vec{S_1}|\cdot |\vec{S_2}|}|
=∣1⋅1+(−2)⋅1+1⋅(−2)12+(−2)2+12⋅12+12+(−2)2∣=36⋅6=36=12=|\frac{1\cdot 1+(-2)\cdot 1+1\cdot (-2)}{\sqrt{1^2+(-2)^2+1^2}\cdot \sqrt{1^2+1^2+(-2)^2}}|=\frac{3}{\sqrt{6} \cdot \sqrt{6} }=\frac{3}{6}=\frac{1}{2}
∴θ=π3\therefore \theta =\frac{\pi }{3}


向量的方向角


用于确定向量的方向的量,向量与坐标轴正向或基向量的交角称为向量的方向角,向量的方向角的余弦称为向量的方向余弦。
设向量r=xi+yj+zkr=xi+y j+zk的方向角为α,β,γ\alpha ,\beta ,\gamma 则:
cos⁡α=r⋅i∣r∣=xx2+y2+z2\cos \alpha =\frac{r \cdot i}{|r|}=\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}
cos⁡β=r⋅j∣r∣=yx2+y2+z2\cos \beta =\frac{r \cdot j}{|r|}=\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}
cos⁡γ=r⋅z∣r∣=zx2+y2+z2\cos \gamma =\frac{r \cdot z}{|r|}=\frac{z}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}
且cos⁡2α+cos⁡2β+cos⁡2γ=1\cos ^2 \alpha +\cos ^2 \beta +\cos ^2 \gamma =1
r=∣r∣(cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ)r=|r|(\cos \alpha ,\cos \beta ,\cos \gamma )

  • 标题: 高等数学-向量代数与空间解析几何
  • 作者: SunnyDusk
  • 创建于 : 2023-11-22 21:04:00
  • 更新于 : 2025-04-21 15:55:27
  • 链接: https://www.030706.xyz,https//www.sunnydusk.cn/2023/11/22/math-4/
  • 版权声明: 本文章采用 CC BY-NC-SA 4.0 进行许可。
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